基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

王麗霞

摘 要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)協(xié)議層的數(shù)據(jù)融合技術(shù)都有各自的算法，而網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合技術(shù)則主要是與路由協(xié)議相結(jié)合。本文根據(jù)數(shù)據(jù)融合和路由協(xié)議的基本原理，分析了幾種結(jié)合路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法，并對(duì)這幾種算法進(jìn)行分析和比較。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些具有特定功能的、部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成自組織網(wǎng)絡(luò)，采集區(qū)域內(nèi)的特定信息，并將信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)或基站。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，具有很多挑戰(zhàn)性的研究課題，而路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合技術(shù)就是其重要的研究課題。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率，主要是通過尋找源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的最佳路徑。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，所以研究適合于當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議已成為目前重要課題之一。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)中接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)源信息進(jìn)行綜合分析和處理，去除冗余的和無效的數(shù)據(jù)，最終得出單個(gè)更加全面的、更可靠的、更符合用戶需求的信息。它主要負(fù)責(zé)處理來自多個(gè)傳感器在一定的空間和時(shí)間上獲得的冗余信息，根據(jù)具體的應(yīng)用需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，來實(shí)現(xiàn)各傳感器間數(shù)據(jù)的信息互補(bǔ)，從而獲得監(jiān)測(cè)事件的一致性的信息描述。

1 數(shù)據(jù)融合路由算法

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議之間具有密切的關(guān)系，將路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合相結(jié)合將會(huì)是未來研究和發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，國內(nèi)外的許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了多年的深入研究，并提出了一些有效地結(jié)合路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法。

1.1 基于查詢路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法

基于查詢路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法主要有：定向擴(kuò)散協(xié)議。該算法的路由方法主要采用洪泛的傳播方式，主要包括三個(gè)階段：興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)。

在興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送載有查詢?nèi)蝿?wù)的興趣消息（任務(wù)類型、監(jiān)測(cè)區(qū)域、發(fā)送數(shù)據(jù)的速率、時(shí)間戳等）；在梯度建立階段，根據(jù)記錄的興趣信息列表，建立每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的梯度關(guān)系；在路徑加強(qiáng)階段，通過路徑加強(qiáng)機(jī)制，該算法使得源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路徑更加優(yōu)化，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，來修改節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的梯度關(guān)系。以此類推，直到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，這樣就形成了一條從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)路徑。

1.2 基于分層路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法

LEACH路由協(xié)議是典型的基于分層路由協(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法，是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?。LEACH協(xié)議按輪周期性運(yùn)行，每輪分為兩個(gè)階段：簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。

在簇的建立階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)先設(shè)定一個(gè)閾值T（n），傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)（0～1之間），并且與T（n）做比較，如果小于T（n），則該節(jié)點(diǎn)即為簇首節(jié)點(diǎn)。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)被選以后，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播ADV消息，通知剩余節(jié)點(diǎn)自己當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。而剩余節(jié)點(diǎn)依據(jù)接收到的簇頭信號(hào)的強(qiáng)度來確定加入哪個(gè)簇，并發(fā)送加入消息給簇頭節(jié)點(diǎn)。這樣簇的建立就完成了。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇成員節(jié)點(diǎn)將采集的信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，然后簇頭節(jié)點(diǎn)將這些信息進(jìn)行融合操作，直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.3 基于鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議的數(shù)據(jù)融合算法

PEGASIS是一種傳感器信息系統(tǒng)中的高效能采集協(xié)議，它是結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)的鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議中的典型代表，是在LEACH基礎(chǔ)上建立的路由協(xié)議。PEGASIS協(xié)議的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)看成是一個(gè)簇，利用貪心算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)匯聚成一條鏈，再在這條鏈上隨機(jī)地挑選一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)，來收集數(shù)據(jù)，鏈中的節(jié)點(diǎn)接收上個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其與自身的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，經(jīng)過融合后變成一條數(shù)據(jù)信息發(fā)送給單鏈結(jié)構(gòu)中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此類推，最后首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)將收到網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)，把融合后的數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)。此協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能和Sink節(jié)點(diǎn)直接通信，各節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)當(dāng)首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，可以均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

定向路由協(xié)議主要是通過擴(kuò)散的方式將興趣發(fā)送給監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量的能耗，而且在梯度建立階段，報(bào)文信息根據(jù)興趣擴(kuò)散傳播而建立的反向梯度，所消耗的能量和時(shí)間也很大。而LEACH協(xié)議通過隨機(jī)選取簇頭節(jié)點(diǎn)，來避免簇頭節(jié)點(diǎn)過分消耗能量，從而提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，但是該協(xié)議的擴(kuò)展性差，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。與LEACH協(xié)議相比，PEGASIS路由協(xié)議減少了重新構(gòu)建簇所用的開銷，但是也使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延明顯延長(zhǎng)了許多。

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