賀道德

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

基于分層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

賀道德

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其為物聯(lián)網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而得到了廣泛關(guān)注，分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因具有通信量少、網(wǎng)絡(luò)能耗低等優(yōu)點(diǎn)而成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主流結(jié)構(gòu)。為研究分層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先分析目前幾種流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并指出了它們的不足，最后提出了相關(guān)改進(jìn)方案，為后期設(shè)計(jì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、搭建網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)算法并付諸于應(yīng)用等提供理論基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；分層結(jié)構(gòu)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將物物相連的技術(shù)。[1-2]在無線網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，無線傳感器首要成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層通信設(shè)備，人們使用無線傳感器來獲得與其相連的設(shè)備或環(huán)境中的相關(guān)信息，然后將這些傳感器組織成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，再由無線傳感網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)物物相連。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)決定著整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，例如其在智能家具、安全生產(chǎn)監(jiān)控、敵情探測(cè)等都有著廣泛應(yīng)用。[3]由于無線傳感器所處的環(huán)境不容許其隨意更換，大部分情況下都采用一次性電池供電從而使其能耗量成為衡量網(wǎng)絡(luò)生存周期的一項(xiàng)重要指標(biāo)。分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多級(jí)路由的方式使得網(wǎng)絡(luò)通信量少，網(wǎng)絡(luò)能耗低。[4-5]但在分層網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)越高的節(jié)點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)的負(fù)載越重，高層級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效可能會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，因此分層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載問題是決定網(wǎng)絡(luò)整體性能的關(guān)鍵問題。本文以目前流行的兩種分層網(wǎng)絡(luò)LEACH[6]和PEGASIS[7]為基礎(chǔ)，研究其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析其網(wǎng)絡(luò)性能，并針對(duì)其不足，提出一些解決方案。

2 LEACH網(wǎng)絡(luò)

2.1 LEACH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LEACH網(wǎng)絡(luò)是一種具有低能耗特性且具有自適應(yīng)功能的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是分層WSNs（Wireless SensorNetworks）的基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之一。該網(wǎng)絡(luò)的組成機(jī)制由簇首節(jié)點(diǎn)的選舉、簇的建立以及數(shù)據(jù)傳遞三部分組成。為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，使網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)成為簇首，并且讓這些節(jié)點(diǎn)的能耗得以均衡，簇首的產(chǎn)生采用周期循環(huán)并隨機(jī)輪換選舉的方式產(chǎn)生。

依據(jù)HeinzelmanW等人的描述，簇首節(jié)點(diǎn)的選舉過程是每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，若該數(shù)小于T(n)，則該節(jié)點(diǎn)被選舉為簇首。[6]T（n）的計(jì)算如式（1）所示。

在式（1）中，p為網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)與總傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比，也就是節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首的概率；r是當(dāng)前選舉輪換的輪數(shù)；G為最近1/p輪沒有被選為簇首的節(jié)點(diǎn)集合。

當(dāng)簇首被選好后，成為簇首的節(jié)點(diǎn)則在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中宣告自己為簇首節(jié)點(diǎn)以便其它普通傳感器節(jié)點(diǎn)加入而構(gòu)建簇，而普通傳感器節(jié)點(diǎn)則選擇信號(hào)最強(qiáng)的簇首并加入其構(gòu)成的簇。

在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)使用一跳通信將數(shù)據(jù)傳給簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)再通過一跳通信將數(shù)據(jù)傳遞給Sink（匯聚）節(jié)點(diǎn)。LEACH網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 LEACH網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D

2.2 LEACH網(wǎng)絡(luò)的不足

結(jié)合崔勇等人對(duì)LEACH網(wǎng)絡(luò)的分析，[8]本文發(fā)現(xiàn)，盡管LEACH因采用分層路由技術(shù)而具有節(jié)能、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但從其分層結(jié)構(gòu)、簇首選擇方式以及路由采用簇首轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來看，在該網(wǎng)絡(luò)中還存在一些嚴(yán)重制約網(wǎng)絡(luò)性能的不足之處，具體如下：

（1）由于簇首節(jié)點(diǎn)選擇是采用隨機(jī)輪換機(jī)制來執(zhí)行，這并沒有考慮簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量的問題，即并不是將能量最多的節(jié)點(diǎn)選舉為簇首。

（2）由于簇首節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)產(chǎn)生的，這不能保證簇首節(jié)點(diǎn)均勻分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)區(qū)域，即簇首節(jié)點(diǎn)可能會(huì)集中在網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)區(qū)域，在圖1中的簇首則集中在靠近Sink節(jié)點(diǎn)的區(qū)域。

（3）由于普通傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)給Sink節(jié)點(diǎn)是通過簇首節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，且簇首節(jié)點(diǎn)可能與該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離較遠(yuǎn)，這就需要傳感器節(jié)點(diǎn)有較大的射頻功率會(huì)導(dǎo)致大量的能耗。

（4）由于簇首節(jié)點(diǎn)的周期性選舉會(huì)帶來大量通信數(shù)據(jù)傳輸而耗費(fèi)大量能量，從而勢(shì)必會(huì)使能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期被縮短。

2.3 針對(duì)LEACH網(wǎng)絡(luò)缺陷而提出的解決方案

針對(duì)之前提出的LEACH網(wǎng)絡(luò)的不足，從提高簇首性能、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的角度出發(fā)，提出如下解決方案：

（1）在輪換簇首時(shí)，不僅要從公平角度來考慮輪換的隨機(jī)性，也要從簇首本身性能的機(jī)制考慮，綜合這兩點(diǎn)而形成基于簇首性能優(yōu)先的隨機(jī)輪換機(jī)制。

（2）為確保簇首的均勻分布，在簇首選擇過程中亦考慮節(jié)點(diǎn)的地域性，從而提出基于地域性的簇首選擇機(jī)制。

（3）為降低傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，可采用降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，即將一個(gè)大的傳感器網(wǎng)絡(luò)分解為多個(gè)小的傳感器網(wǎng)絡(luò)，再采用級(jí)聯(lián)方式從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能耗降低。

（4）針對(duì)因簇首選舉而帶來大量通信量的問題，本文提出基于地域性的簇首選擇機(jī)制；因該機(jī)制將簇首的選舉局限在本地進(jìn)行，從而能大幅度的降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

3 PEGASIS網(wǎng)絡(luò)

目前流行的分層網(wǎng)絡(luò)除LEACH這種二層的網(wǎng)絡(luò)外，最為著名的網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)indsey S等人所提出的PEGASIS這種鏈?zhǔn)椒謱泳W(wǎng)絡(luò)。[7]該網(wǎng)絡(luò)將各傳感器節(jié)點(diǎn)形成多級(jí)的網(wǎng)絡(luò)簇，然后由最高級(jí)的簇首節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信而使得網(wǎng)絡(luò)的層次分明，且網(wǎng)絡(luò)通信量少，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間長(zhǎng)。依據(jù)PEGASIS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成原理，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 PEGASIS網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D

從圖2可知，在PEGASIS網(wǎng)絡(luò)中，首先由簇首節(jié)點(diǎn)形成簇，然后由遠(yuǎn)及近的將各簇首與Sink節(jié)點(diǎn)串連起來。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞給其簇首，而下層級(jí)簇首再通過上層簇首逐級(jí)將數(shù)據(jù)傳遞給Sink節(jié)點(diǎn)，這種方式能很好的降低網(wǎng)絡(luò)通信量而使網(wǎng)絡(luò)生存周期得以提高，但因多級(jí)分層原理的自身原因，本文結(jié)合崔勇等人的分析總結(jié)了該網(wǎng)絡(luò)的不足之處：

（1）PEGASIS采用單條簇鏈技術(shù)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)一起由一條簇鏈相連。因此，這種簇鏈技術(shù)沒有考慮節(jié)點(diǎn)層級(jí)的物理位置公平性，即有些節(jié)點(diǎn)若從與Sink的距離來衡量，它的層級(jí)可能要比實(shí)際的層級(jí)高很多。

（2）多級(jí)分層的單條簇鏈技術(shù)是通過各級(jí)簇首節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)最后傳至Sink節(jié)點(diǎn)的方式來進(jìn)行通信，這使得簇首節(jié)點(diǎn)的地位非常重要，而且離Sink越近的節(jié)點(diǎn)，其重要性越強(qiáng)，如若某簇首節(jié)點(diǎn)失效，可能引發(fā)網(wǎng)絡(luò)癱瘓這種災(zāi)難性的后果。

（3）在PEGASIS網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)是通信的橋梁，除需負(fù)責(zé)處理本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)外，還需處理其他節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，并且層級(jí)越高的節(jié)點(diǎn)，其負(fù)載量也會(huì)越大?；诖?，PEGASIS網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)重的負(fù)載不均衡缺點(diǎn)。

針對(duì)PEGASIS網(wǎng)絡(luò)的上述不足，從負(fù)載均衡、離Sink物理位置公平性等問題出發(fā)，提出了如下三點(diǎn)解決方案：

（1）針對(duì)PEGASIS網(wǎng)絡(luò)因單條簇鏈技術(shù)而沒有考慮節(jié)點(diǎn)層級(jí)在物理位置上的公平性，提出在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)簇鏈時(shí)，首選考慮節(jié)點(diǎn)離Sink的物理距離。在確定節(jié)點(diǎn)的簇層級(jí)時(shí)，將節(jié)點(diǎn)離Sink的距離作為一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。而離Sink節(jié)點(diǎn)距離相近的節(jié)點(diǎn)都有可能成為最高級(jí)簇首，即在執(zhí)行此機(jī)制后，網(wǎng)絡(luò)中勢(shì)必會(huì)形成多條簇鏈結(jié)構(gòu)。

（2）由本文提出的多條簇鏈結(jié)構(gòu)可以分散單條簇鏈結(jié)構(gòu)因某簇首節(jié)點(diǎn)的失效而發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。另外，在簇首選舉時(shí)，加大對(duì)簇首綜合性能的評(píng)估，也可避免簇首失效的情況發(fā)生。

（3）為均衡簇首的負(fù)載，可采用能者優(yōu)先的機(jī)制來進(jìn)行簇首的選擇，即將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)等級(jí)，將等級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)選為最高級(jí)簇首，依此類推，使得性能越強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的任務(wù)也就越多，從而確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

4 結(jié)論

本文分析了當(dāng)前兩種流行的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH和PEGASIS，總結(jié)出分層網(wǎng)絡(luò)主要以二層分層和多級(jí)分層為主流。二層分層的網(wǎng)絡(luò)因只需二跳則可將數(shù)據(jù)傳遞給Sink使得網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較好，但因簇首的分散和頻繁選舉使得網(wǎng)絡(luò)的能耗較高。多層級(jí)鏈?zhǔn)降姆謱訜o線傳感網(wǎng)絡(luò)因采用鏈?zhǔn)浇恿鬏敹芎牡停驍?shù)據(jù)的傳輸過于依賴簇首，使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不均衡且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不好，并且這種方案不利于構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)?；诖耍疚奶岢龅慕鉀Q方案結(jié)合了上述兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)而摒棄了它們的缺點(diǎn)，從而使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡且網(wǎng)絡(luò)能耗低，這對(duì)于分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)具有一定的價(jià)值。下一步的工作是，在本文提出的分層無線傳器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并搭建其網(wǎng)絡(luò)，最后實(shí)現(xiàn)其算法并將付諸于應(yīng)用。

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Research on HierarchicalW ireless Sensor Networks

HEDao-de
(1.Schoolof Information Engineering,Guizhou University of Engineering Science,Bijie, Guizhou551700,China)

Wireless sensor networks have

extensive attention because of thatare the underlying network technology of IoT(the Internet of things).Hierarchicalwireless sensor network architecture has become themain structure ofwireless sensor networks because of itsadvantagesof less communication.In order to search the wireless sensor network based on hierarchical structure,this paper firstly analyzes the current several popularWSNs,pointout their deficiency,and then put forward the improvementscheme,finally gives summary that this research hasa certain value for the developmentofhierarchicalwirelesssensornetworks.

Internetof Things;Hierarchical Structure;Wireless SensorNetworks;Network Load

B84

A

2096-0239（2016）06-0145-04

（責(zé)編：任秀秀 責(zé)校：明茂修）

2016-07-01

貴州省科技廳、畢節(jié)市科技局、貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目“基于簇首負(fù)載均衡的WSN路由協(xié)議”，項(xiàng)目編號(hào)：黔科合LH字[2014]7530號(hào)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“基于會(huì)話異構(gòu)性的P2P網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ图八惴ㄑ芯俊?，?xiàng)目編號(hào)：XDJK2014C002；貴州省重點(diǎn)支持學(xué)科資助項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科建設(shè)”，項(xiàng)目編號(hào)：黔學(xué)位合字ZDXK[2014]26號(hào)。

賀道德（1979-），男，湖南津市人，貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院副教授。研究方向：云計(jì)算、對(duì)等計(jì)算以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。