无线传感器网络的分层路由协议_邹平辉1
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2022-08-03
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2010年6月刊
网络技术
信息与电脑
China Computer&Communication
在平面路由过程中，各个节点的作用都是一样的，都是由局部的
反馈与操作而生成路由。此类协议的过程是由目的节点先发查询的命
令道监测的区域，待所监测节点接收到相关命令之后，开始向目的节
点派发相关的检测数据。平面路由的协议没那么复杂，可是缺乏资源
的通信优化的管理，对网络变化不太敏感。而分层路由协议得整个网
络一般都分成一些连续的区域，也就是簇，每个簇是由多个或者一个
簇头内的成员所组成，高一级的网络是由低一级的网络簇头所构成，
是由高层簇头和目的节点来进行基站的通讯。分层路由的扩展性比较
好，比较适合大范围无线传感器的网络的环境。然而对全网的性能有
较大影响的是簇首的节点能稳定与可靠运行，另外信息的处理以及采
集同样会造成大量的簇首能量的消耗。
1. 几种常见的分层路由的协议
1.1 LEACH协议
LEACH协议是最早的无线传感器的网络协议，主要是以分层技
术以及分簇的结构为基础的，具有非常重要的作用，尤其在无线传感
器网络路由协议当中，像APTEEN、PEGASIS以及TEEN等基于分簇
的一些协议一般是由LEACH所发展的。结果表明，LEACH能将生命
的周期延长15%，相对于一般平面的路由协议与静态的分层路由算法
相比。
LEACH主要是按所分的轮来进行操作的，各轮都有两个运行的
阶段组成，分别是簇稳定阶段与簇的建立阶段。一般稳定运行的阶段
所持续的时间要比簇的建立的阶段要长许多，为了达到减少开销的目
的。
在簇建立阶段，将所有节点划分为若干簇，每个簇随机选举一个
簇头。随机性确保簇头与Sink点之间数据传输的高能耗成本均匀地分
摊到所有传感器节点。具体产生机制是：每个传感节点生成0， 1之间
的随机数，如果选定的值小于某一个阈值T，则选该节点为簇头。T计
算方法如下:
T=
其中，p为节点中成为簇头的百分数(如0.05)，r是当前的轮数。
在簇首节点被选取后，主要通过广播来通知全网络。其它的网络
节点是由信号强度来判断所属的簇，并进一步通知相关的簇首节点，
最终建立簇。而后会采用TDM算法来分歧数据传送的时间片尾每个簇
中的节点。
稳定阶段是通过传感器的节点把所采集到得数据传送到相关的
簇首节点。而后对所有簇中的节点所采集到得数据通过汇总后再进行
传送最终传给汇聚点。随着稳定阶段时间的推迟，会进入新的簇的建
立，并进入下一回的簇重构，如此反复循环。通过不同的CDMA代码
对每个簇进行通信防止另外的簇内节点的干扰。
1.2 PEGASIS与分层PEGASIS
1.2.1 PEGASIS
PEGASIS协议改进的基础是LEACH，主要思想是把节点构造成
一条链，每一个节点都通过其邻居节点进行数据的收发，并且在该链
中只有一个节点与汇聚点或基站进行通信，从一个节点到另一个节点
连续性的聚集、融合数据并传输到基站，该链式路径使用贪心算法构
造。
1.2.2 分层PEGASIS
分层PEGASIS协议主要是为了减少数据包到汇聚点传送的延时，
它是对PEGASIS的扩展。该协议使具有CDMA传输能力的节点构造成
一个分层传输的节点树，在每一层选出上一层进行通信的节点，以实
现数据的并行传输，并且减少延时。
1.3 TEEN和APTEEN
1.3.1 TEEN
TEEN协议的实现机制是响应型，LEACH的实现机制是主动型
的传感器网络，它们非常的相似在实现机制上。TEEN在簇的建立过
程中，随着簇首节点的选定，簇首除了通过TDMA方法实现数据的调
度，还向簇内成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数。硬阈值
是开始进行数据传输的最低限度，软阈值则规定被检测数据的变动范
围。在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节
点首次检测到数据到达硬阈值，便打开收发器进行数据传送，同时
将该检测值存入节点内部变量SV中。节点再次进行数据传送时要满
足两个条件:当前的检测值大于硬阈值；当前的检测值与SV的差异等
于或大于软阈值。只要节点发送数据，变量SV便置为当前的的检测
值。一旦新一回合的簇首已经确定，该簇首将重新设定和发布以上两
个参数。
1.3.2 APTEEN
APETTN对TEEN协议扩展的体现有：
(1)随着簇首节点的确定，簇首向簇内所有成员广播以下参数:
①属性(A):用来表示用户期望获取信息的一组物理参数。
②阈值:该参数由硬阈值(HT)和软阈值(ST)构成。
③调度:采用TDMA调度方式，为簇内每个节点分配相应的时间
片。
④计数时间(CT):表示有一个节点成功发送报告的最大时间周
期。
(2)运行APTEEN
协议的节点在发送数据时会采用与TEEN相同的
数据发送机制。协议规定如果节点在计数时间CT内没有发送任何数
据，便强迫节点检测和向汇聚点传送数据，以改变TEEN不能在周期
数据传送系统中应用的不足。
(3)为了更好地实现协议在混合网络系统中的应用，APTEEN采用
了修改后的TDMA调度方法。
(4)APTEEN可以支持三种不同的查询类型，包括分析过去数据的
历史性查询、快速浏览网络的一次性查询和在一段时间内持续监控某
一事件的连续查询。
2. 路由协议的比较
无线传感器网络路由协议首先要解决的问题是搞好节能的策略。
以数据为中心和支持数据融合是绝大多数WSN应用的基本要求，可
扩展性和鲁棒性则是路由协议应满足的基本要求。在解决主要问题和
满足基本要求的基础上，能很好地利用节点的位置信息提供安全性和
无线传感器网络的分层路由协议
邹平辉 深圳职业技术学院电信学院，广东深圳 518055
摘要：可以把无线传感器网络路由协议分为分层路由与平面路由两类，本文主要分析几种常见的分层路由协议，并对其作出分析。
关键词：无线传感器；协议；分层路由
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2010）06-0068-02
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