WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在檢測區(qū)域內的成百上千個低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN被廣泛地應用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療救護和環(huán)境監(jiān)測等多方面。

　　根據(jù)節(jié)點的拓撲結構可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議［1］。

　　平面路由協(xié)議簡單，健壯性很好，但它的可擴展性很差。層次路由協(xié)議一般分為初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。算法不同，而當選的簇頭可能不同，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程基本一致。

　　1 均勻分簇路由協(xié)議——LEACH協(xié)議

　　在初始化階段［2-3］，每個節(jié)點產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù)，如果小于閾值［2-3］，則此節(jié)點便是簇頭，它就會向周圍節(jié)點廣播它是簇頭的消息。根據(jù)接收信號的強度，普通節(jié)點選擇其要加入的簇，并告知相應的簇頭，此時所有的簇頭都必須處于接收狀態(tài)。當簇頭接收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生TDMA消息，通知本簇內所有節(jié)點的工作時間。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段［2］，普通節(jié)點按照TDMA［4］時隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭把接收到的數(shù)據(jù)融合之后再轉發(fā)給sink。一段時間后，重新選擇簇頭。

　　該協(xié)議隨機選舉簇頭避免了簇頭能量過早消耗完，延長了網(wǎng)絡的生存時間，但數(shù)據(jù)傳送是采用單跳的方式，使得距sink較遠的簇頭花費能量很大，導致生存時間變短；頻繁地選舉簇頭也會消耗能量。為了節(jié)省資源開銷，數(shù)據(jù)傳輸階段的時間要長于初始化階段的時間。

　　2 非均勻分簇路由協(xié)議

　　2.1 EEUC協(xié)議

　　在初始化階段，sink向全網(wǎng)廣播一個信號，節(jié)點根據(jù)接收信號的強度計算它到sink的距離。根據(jù)預先設置的概率閾值［5］，選出部分節(jié)點成為候選簇頭參與競爭，未參與競爭的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，直到競選過程結束。Si為任一候選簇頭，它到sink的距離為它的競爭半徑［6］，若Si獲勝，則在競爭半徑內所有的候選簇頭均要退出競選。候選簇頭的競爭半徑隨著簇頭到sink距離的減小而減小。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，簇頭進行處理之后將數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到sink。

　　2.2 DEBUC協(xié)議

　　該協(xié)議采用基于時間的簇頭競爭算法。廣播時間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點的剩余能量。距sink較近的候選簇頭競爭范圍較小，這樣這些簇頭在簇內通信中消耗的能量較少，節(jié)省下來的能量用于簇間的數(shù)據(jù)轉發(fā)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，采用簇間多跳路由協(xié)議。

　　初始化階段，普通節(jié)點根據(jù)接收到sink發(fā)出信號的強弱計算其與sink的大概距離。首先設置一個門限值以控制候選簇頭的比例，同時也為每個候選簇頭設置一個競爭半徑［7］，候選簇頭的競爭半徑正比于它與sink的距離。

　　候選簇頭廣播消息，而普通節(jié)點休眠，接收到消息的候選簇頭更新其鄰居節(jié)點信息表，候選簇頭依據(jù)自身的時間進度廣播FINAL_HEAD_MSG［7］消息，宣布自己成為簇頭。簇頭選擇完成后，普通節(jié)點退出休眠，簇頭廣播消息，普通節(jié)點根據(jù)接收信息的強弱加入最近的簇頭，并通知簇頭，中繼節(jié)點不具有數(shù)據(jù)融合的能力。首先簇頭廣播一條消息，如果鄰居簇頭到sink的距離較小，則簇頭計算與鄰居簇頭的大概距離，并建立一個鄰居簇頭信息表；簇頭運用貪婪算法在其鄰居簇頭集合中選擇其中繼節(jié)點，如果簇頭的中繼節(jié)點是本身，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)到sink，否則簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)至中繼節(jié)點；當每個簇頭都找到中繼節(jié)點，則簇間多跳路由建立。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭先對接收到的數(shù)據(jù)進行融合處理，然后將處理結果發(fā)送到sink。

　　隨著簇頭能量的減少，非均勻分簇路由協(xié)議的競爭半徑逐漸減小，這就需要重新成簇，能量減少的越多，成簇的簇數(shù)就越多，所以在成簇的過程中，就需要消耗更多的能量，有的節(jié)點在成簇的過程中，會把剩余的能量消耗完。

　　3 PEGASIS協(xié)議

　　PEGASIS協(xié)議假定所有節(jié)點都具有網(wǎng)絡拓撲的全局知識，在建鏈階段［8-10］，首先從距離sink最遠的節(jié)點開始建鏈，這個節(jié)點根據(jù)貪婪算法尋找距自己最近的節(jié)點加入鏈，以此類推，所有的節(jié)點都按照這種方法加入鏈。在數(shù)據(jù)通信階段［8-9］，鏈上的每個節(jié)點只與自己的鄰居節(jié)點通信，將收到的數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)融合后傳輸給下一跳的鄰居節(jié)點，一直傳送到鏈首節(jié)點，最后由鏈首節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給sink。

　　通過對以上典型路由算法的分析，可以發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題：

　　（1）在分簇階段，仍然要浪費能量用來建立簇。

　　（2）許多協(xié)議都假設傳感器節(jié)點和sink不動，一旦傳感器節(jié)點動起來，這些協(xié)議就很有可能不再成立。

　　（3）非均勻分簇路由協(xié)議緩解了“熱區(qū)”，但隨著簇頭能量減少，競爭半徑減小，就需要網(wǎng)絡拓撲結構是動態(tài)的，以便很快地更新網(wǎng)絡的拓撲結構，網(wǎng)絡拓撲結構的更新要消耗更多能量來實現(xiàn)。

　　（4）非均勻分簇算法要求網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點最好是均勻分布的，如果在靠近sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點分布的密度很大，而在遠離sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點的分布密度很小，那么靠近sink的簇頭仍然會形成“熱區(qū)”。這就需要有更好的協(xié)議來解決這樣的問題。

　　（5）多數(shù)協(xié)議在考慮傳感器節(jié)點失效退出網(wǎng)絡或者有新的節(jié)點加入網(wǎng)路時，網(wǎng)絡的拓撲變化采用的辦法都是重新分簇。如果加入網(wǎng)絡的節(jié)點很少，重新分簇浪費的能量會很大，這就需要協(xié)議具有很高的容錯性來應對網(wǎng)絡的拓撲變化。

　　（6）隨著網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，現(xiàn)階段的算法根本不能滿足超大規(guī)模網(wǎng)絡的要求，就需要提出一種多層分簇算法。在多層分簇算法中，如果層數(shù)很多，則可能會有一些節(jié)點在初始化階段就已經(jīng)把能量用完了；如果層數(shù)很少，則根本不能體現(xiàn)多層分簇算法的優(yōu)越性。所以在運用分層算法時，需要考慮層數(shù)為多少時才是最合適的。

　　隨著WSN路由技術的發(fā)展，會有越來越多的新算法被提出，新算法應該可以更好地應對簇頭的負載平衡，盡量減小在簇的形成階段由于拓撲而造成的能量浪費。總之，WSN路由技術的研究離不開負載平衡、能量高效、網(wǎng)絡壽命等熱點問題。

　　參考文獻

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