分析无线传感器网络路由协议的设计与应用

　　无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

　　无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

　　在军事方面，美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想，目的是在战场上抛散千万个微小的具有无线通信能力的传感器模块，用于监控人的活动情况，同时美国陆军已确定努力开发多层次集成式传感器复杂系统～ssNc，实现对一种海燕生活习性的监测。国内已经有许多大学开展了对无线传感器网络的研究，但是还没有达到实用阶段，大部分工作还处于仿真或试验阶段。

　　由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。

　　1无线传感器网络的系统结构

　　无线传感器网络的基本思想是，在现场布置大量的节点，这些节点上的传感器感知现场的信息，微处理器对原始数据进行初步处理，再由无线收发模块将数据发送给相邻节点，数据经传感器网络节点的级转发，终发送给基站，再由基站通过串口传送给主机，从而实现对现场的监控。

　　在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，这一过程是通过飞行器散播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的，节点以自组织形式构成网络。

　　无线传感器网络可以采用平面结构和分级结构，通常采用分级结构。分级结构如图l所示，网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高的网络。

　　在分层结构中，簇头结点负责簇间数据的转发，而簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定，也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。由于簇头可以随时选举产生，所以分层结构具有很强的抗毁性。

　　④簇内节点圆簇头酋基站

　　目前，还没有形成通用的无线传感器网络节点的设计方案，但一般都包括四个组成部分：传感器、微处理器、无线收发模块和电源。如图2，传感器负责监控物理信号，比如i是度、空气湿度、震动信息等。微处理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，无线收发单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。

　　图2无线传感器节点结构

　　2无线传感器网络中现有路由协议的分析

　　无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Adhoc网的分类方法，从不同的角度可以进行不同的分类。从路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型。

　　2.1主动路由

　　主动路由也称表驱动路由，其路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大开销，为使路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路幽更新变成计算机时代2007年第2期·15·过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。传统的路由协议如ⅪP、0sPF都属于主动路由协议。

　　主动路由协议一般包括“邻居节点探测”和“路由广播”两个过程。路由器向各通信端口周期广播Hello分组，来实现邻居节点探测。在距离矢量算法中，虽然没有显式的邻节点探测过程，但在与邻节点交换距离向量路由表时，隐含了邻节点探测。

　　2.2被动路由

　　被动路由指任何在其网络层地址中提供信息，使得分组能基于寻址方案从一台主机转发到另一台主机。被动路由协议定义了分组内各个字段的格式和用途。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性地路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，需要等待路由发现。

　　被动路由协议主要包括“路由发现”和“路由维护”两个过程。当源节点需要得到目的节点的路由，而该路由又没有在路由表中时，路由发现过程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整个网络广播路由请求分组。当有路由请求报文到达目的节点时，目的节点将向源节点发出路由请求应答报文。随着拓扑结构的变化，当活动路径匕的某段链路发生中断时，路由维护过程被启动。路由维护可以采用两种不同的策略：从断点处开始修补路径或通知源节点重新启动路由建立过程。

　　3无线传感器网络路由协议的设计

　　无线传感器网络中数据处理过程分为两个步骤，分别为簇形成阶段和数据传输阶段。簇形成阶段主要是用—种分簇机制，把节点分为若干个簇；在数据传输阶段，簇内普通节点向簇头节点传输数据，簇头节点进行数据处理后，再向sink节点传输。

　　在网络生命周期初期，为了得到较大的吞吐量，我们采用集中式的方式形成簇类。在无线传感器网络中选择簇类是一种典型的组合优化问题，其描述如下：

　　M维空间上的n个模式｛xiIi=l，2，．，n｝，要求聚成k类，使得各类自身内的点间距离近，譬如要求其中Rp为第p类的中心，即： 　　其中p=1，2，¨。，k，n。为第p类中的点数。

　　簇类问题描述很简单，但化求解却很困难。其主要原因是所谓的“组合爆炸”，簇类的可能划分方式有个。在无线传感器网络中选择簇类是着名的NP难题，可以用模拟退火算法同来得到近似解。

　　当能源将耗尽的节点占全部节点的70％时，我们认为节点的能源普遍比较贫乏，为了化网络生命周期，转而采用分布式算法来决定聚类的产生，即sink节点不再参与簇类的生成，而是由传感器节点自身通过协商来决定聚类的产生。

　　我们采用一种基于节点权值的分布式、自协商成簇算法，在这种算法中，每个节点计算自身的权值来指示该节点适合充当簇头的程度。各节点的权值可以用一个考虑多种凶素的通用公式来表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／（CHJimes+1）其中：cH_Times表示节点在以前回合中充当的簇头节点的次数；Nei曲bor_Num表示节点的邻近数目；Ene略y—Remain表示节点的剩余能量。

　　数据传输阶段划分成帧，簇内每个普通节点在簇头节点分配的时间槽里传送一帧，每个时槽中，数据恒速传送。在簇形成时，每个簇的节点数并不相等，故每个簇内时槽的大小也不相等，时槽的大小根据簇内每个普通节点的多少决定。为了减少能源浪费，簇内每个普通节点都使用能源控制，在自己的时槽中，才打开发送装置，进行数据传输。

　　4结束语

　　无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。