无线传感器网络flooding路由协议的MATLAB仿真(6)

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3.2.2 分层路由协议

在层次路由协议中，网络通常被划分为簇（cluster），每个簇由一个簇头（cluster-head）和多个簇成员（cluster-member）组成，低一级网络的簇头是高一级网络中的簇成员。在这种分级结构中，簇头不仅负责簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据转发。层次路由协议中簇的形成通常是基于节点的能量和其与簇头间的距离。为了延长整个网络的生存期，簇头节点需要周期更新。层次路由的优点是便于管理，可以对系统变化做出快速反应，能够提供高质量的通信服务，能量利用率较高。但簇的维护开销较大。

（1）LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)

LEACH是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比,LEACH可以将网络生命周期延长15%,主要通过随机选择聚类首领,平均分担中继通信业务来实现。LEACH定义了“轮”(round)的概念,一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。为了避免额外的处理开销,稳定态一般持续相对较长的时间。 如图3.4所示：

初始化阶段 稳定工作阶段

时间

图3.4 LEACH协议的时序图

在初始化阶段,聚类首领是通过下面的机制产生的。传感器节点生成0,1之间的随机数,如果大于阈值T,则选该节点为聚类首领.T的计算方法如下:

T?1?P?rmod?P1p??

（3.1）

其中p为节点中成为聚类首领的百分数,r是当前的轮数。

当簇头选定之后，簇头节点主动向网络中节点广播自己成为簇头的消息(ADV_CH)。接收到此消息的节点，依据接收信号的强度，选择它所要加入的簇，并发消息通知相应的簇头(JOIN_REQ)。基于时分多址(Time Division Multiple Address，简称TDMA)的方式，簇头节点为其中的每个成员分配通信时隙，并以广播的形式通知所有的簇内节点

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(ADVSCH)。这样保证了簇内每个节点在指定的传输时隙进行数据传输，而在其他时间进入休眠状态，减少了能量消耗。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，在自身传输时隙到来时把监测数据传给簇头节点(DATA)，如图3.5所示。簇头节点对接收到数据进行融合处理之后，发送到Sink节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择簇头节点。

图3.5 LEACH协议

LEACH协议采用动态转换簇头的方法来平均网络节点的能量消耗，使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态簇算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。但是LEACH协议在每轮固定簇头节点后在划分簇的过程中，簇头节点开销较大。并且簇头节点的选择无法达到最优，有可能簇头节点位于网络的边缘或者几个簇头节点相邻，某些节点不得不传输较远的距离来与簇头通信，这就导致了大量能量消耗。而且LEACH协议所有簇头节点直接与Sink节点通信，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，使得每轮中簇头节点能耗巨大，因此不适合在大规模的传感器网络中应用。

（2）TEEN (threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)

依照应用模式的不同，通常可以简单地将无线自组织网络(包括传感器网络和Ad-hoc网络)分为主动(proactive)和响应(reactive)两种类型。主动型传感器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据；而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据。相比之下,响应型传感器网络更适合应用在敏感时间的应用中。TEEN和LEACH的实现机制非常相似,只是前者是响应型的，而后者属于主动型传感器网络。在TEEN中定义了硬、软两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。当监测数据第一次超过设定的硬门限时,节点用它作为新的硬门限,并在接着到来的时隙内发送它。在接下来的过程中，如果监测数据的变化幅度大于软门限界定的范围，则节点传送最新采集的数据，并将它设定为新的硬门限。通过调节软门限值的大小，可以在监测精

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度和系统能耗之间取得合理的平衡。图3.6表示的是TEEN协议中由聚簇构成的层次结构。 High level cluster head Sink Low level cluster head

Clustering Normal sensor node

图3.6 TEEN协议中由聚簇构成的层次结构

TENE适用于实时性要求较高的应用场合，比如入侵警报，爆炸预警等，用户可以及时获取感兴趣的信息。而且用户可以通过设置不同的软门限方便地平衡监测的准确性与系统节能性两项指标。但是这个方案也有一些不足之处，例如门限值达不到，节点就永远不会和簇头节点通信，用户就无法从网络得到任何数据;没有相应的机制去区分那些没有感应到足够大变化的节点和处于关闭状态的节点，所以TEEN协议不适合应用在。 （3）PEGAGIS (power-efficient gathering in sensor information system)

PEGASIS由LEACH发展而来。它假定组成网络的传感器节点是同构且静止的。节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点。在收集数据前，首先利用贪心算法将网络中的所有节点连接成一条单链。通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系，进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚类，聚类的首领向链的两端发出收集数据的请求，数据从单链的两个端点向首领流动。中间节点在传递数据前要执行融合操作，最终由首领节点将结果数据传送给Sink节点。因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送数据分组，并有条件完成必要的数据融合，减小业务流量。因此,整个网络的功耗较小。研究结果表明，PEGASIS支持的传感器网络的生命周期是LEACH的近两倍。

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图3.7 PEGAGIS的单链结构 0 2 1 6 3 4 5 Sink 单链结构的PEGASSI算法主要有以下两点缺陷:

第一点是平均延迟较大:数据需要沿着单链结构顺序传送，收集数据的延迟决定于首领节点与单链端节点的距离，因此平均延迟与节点数成正比；

第二点是鲁棒性较差:由于传感器节点的易失效性，如果不采取适当的修复策略，单链结构的传输路径容易增大数据收集请求的失败率。 （4）多层聚类算法

多层聚类算法是Estrin为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工作在网络中的传感器节点处于不同的层，所处层次越高，所覆盖面积越大。起初，所有节点均在最低层，通过竞争获得提升高层的机会。新的工作周期开始时，每一个节点都广播自己的状态信息，包括储备能量、所在层次和首领的ID(如果有)等，然后进入等待状态以便相互了解信息，等待时间与所在层次成正比。处在最低层的节点如果没有首领，等待状态结束后，立刻启动一个“晋升定时器”，定时时间与自身能量以及接收到同层其他节点广播消息的数目成反比，目的是为能量较高且在密集区的节点获得较多的提升机会。一旦定时时间到，节点升入高层，将有发给自己广播消息的节点视为潜在的子节点，并广播自己新的状态信息，低层节点选择响应这些准首领的广播消息，最终确定惟一的通信关系。选择了首领的节点，自己的“晋升定时器”将停止工作，也就意味着本轮放弃了晋升机会。在每一个工作周期结束以后，高层节点将视自己的状态信息(如有无子节点，功率是否充足)决定是否让出首领位置。上述的多层聚类算法具有递归性，Estrin等人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。

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（5）Younis等人提出了基于三层体系结构的路由协议。与LEACH不同的是，该协议要求在网络运行前由终端用户将传感器节点划分成簇，并通知每个簇头节点的ID标识和簇内所分配节点的位置信息。簇内节点可以以感知、转发、感知并转发、休眠这四种方式之一存在。簇头不受能量的限制，它可以监控节点的能量变化，决定并维护传感器的四种状态，并利用代价函数作为链路成本，选择最小成本的路径作为节点与其通信的最优路径。

表3.1 几种常见平面路由协议比较

名称 Flooding Gossiping SAR SPIN DD 基于最小代价场的路由算法

表3.2 几种常见分层路由协议的比较

主要思想 收到数据的节点向所有邻居节点广播报文 收到的数据节点随机选取地选择一个邻节点转发报文 依据每条路径上的能量资源和QoS要求来决策路由 根据临时的请求、应答的方式转发数据 在所有节点中为Sink的请求建立一个临时的“梯度”场；匹配数据沿“梯度”最大的方向中继回Sink 每个节点获得了自己距离网关的最小代价后建立代价场，报文沿最小代价路径向网关发送 MAC协议 SMACS 基于CSMA的 介质 TDMA/FDMA组合方案 描述 固定时隙收发数据，并在空闲时将节点转入休眠状态以减小能耗 基于竞争机制随机接入，通过调整相位避免冲突重复发生 选择适宜数量的信道，在相应中心频率信道内时分复用

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