無線傳感器匯聚節點研究現狀

摘 要：現在大部分傳感器節點依然用電池來提供能量，并且節點往往都是布置在一些難以到達的地方，單匯聚節點往往因為擔負更多的任務，而使能量很早就耗盡，致使無線傳感器網絡的整體壽命結束。因此，本文通過對單匯聚節點分析，幾種多匯聚節點算法分析研究，表明了多匯聚節點部署能大大改善能量消耗，延長網絡的整體使用時間。

關鍵詞：無線傳感器;匯聚節點;能量消耗

隨著社會的飛速發展，無線傳感器網絡許多地方都扮演著重要的角色。無線傳感器網絡是一個復雜的網絡系統。在軍事國防、交通運輸、環境監測、能源設施等方面都有很好的應用。無線傳感網絡由很多節點組成，節點隨機或者確定的分布到要監測的環境中，部署在里面的普通節點通過相互合作，把感知到的信息進行采集，處理，融合然后再傳給匯聚節點，匯聚節點再通過基站傳到因特網上供用戶查看，處理，完成目標的監測。

一、匯聚節點簡介

在無線傳感網絡中，匯聚節點也是sink節點，又叫做網關節點。[1]普通節點會把感知到的周圍環境情況例如溫度，水分等的信息發送給匯聚節點，匯聚節點則會用無線或有線的方式再把采集到的信息傳送給外網，起著兩者之間的橋梁作用。

二、單匯聚節點分析

在過去的無線傳感器網絡中，人們往往采用單匯聚節點來進行無線傳感器網絡與外網的聯系，單匯聚節點在傳感器網絡中發揮著重要的作用，但單匯聚節點依然存在一些弊端：

（1）因為匯聚節點往往部署在環境惡劣的地方，往往會受到這些環境的影響，進而受到損壞，這時候普通節點的信息就不能傳給匯聚節點，無法繼續進行下去，造成通信中斷;

（2）在傳感器網絡中，普通節點都會把收集到數據通過單跳或者多跳的方式向匯聚節點處發送，匯聚節點附近的節點勢必就會消耗更多的能量，造成“能量空洞”，影響整個網絡;

（3）普通節點能采集到不同的環境因素，不同的用戶有著不同的因素選擇，所以在網絡中設立單個匯聚節點往往不能很好的引導數據流方向，滿足不同用戶的需求;

（4）單匯聚節點的很多路由協議，要求簇頭節點直接和匯聚節點通信，由于在無線傳感網中，節點發送數據消耗的能量和節點間的距離成正比，所以那些距離單匯聚節點很遠的傳感器節點為了和匯聚節點通信，就會消耗很多的能量，長距離傳輸還會產生信號干擾的問題。

三、多匯聚節點研究現狀

（一）基于蟻群算法的多向多sink節點路由算法

無線傳感器網絡常常因為單匯聚節點在數據傳輸方面壓力大，而引進多匯聚節點，并且想辦法提升匯聚節點周圍的普通節點的壽命，來進一步加長整個網絡的壽命。文獻[2]中針對網絡中數據傳輸方向不一樣，提出了多向多匯聚節點網絡，就是普通節點收到不同的信息，根據種類傳給對應的匯聚節點，匯聚節點再把這些信息傳給對應的數據中心，對這些數據進行處理。這種網絡中，普通節點需要找到不同的匯聚節點來傳達信息，就類似與螞蟻找食物的的過程。網絡中把節點設定為“食物”和“蟻巢”;路由查詢數據包為“螞蟻”，螞蟻分為精英螞蟻和普通螞蟻，路由表為信息素。精英螞蟻由匯聚節點出發，來建立網絡中的路由樹，因為它身體內帶有很多的信息素，網絡中很多普通節點通過和該類螞蟻的相遇建立路由表;普通螞蟻有傳感器普通節點出發，當到達精英螞蟻建立的路由樹時，就相當于一次查詢，普通螞蟻走過的路徑就相當于子樹，子樹和精英螞蟻走過的路由樹是相互連通的，所以這樣一來，就相當于每個普通節點都能通過匯聚節點形成的樹把信息傳給匯聚節點，形成相連的路由。通過建立精英螞蟻狀態轉移規則;精英螞蟻信息素更新規則;普通螞蟻狀態轉移規則;普通螞蟻信息素更新規則以及一系列的算法和仿真，再與 GBR 算法進行了對比，文章證實了可以利用蟻群算法建立多向多匯聚節點網絡的路由，這種主動傳輸是可行的，并且比GBR更加的高效，節約了更多的時間，對網絡壽命的延長起到了很大作用。

（二）多sink網絡中基于蟻群優化的QOS保障多徑路由算法

文獻[3]中這種算法是對于多匯聚節點網絡和網絡服務質量（QOS）保障要求，利用網絡的實時性，帶寬，以及延遲等，以路徑的延遲、最低剩余能量、帶寬等當做評價因素，通過對匯聚節點的負載能力綜合的評估，選擇更為適合的數據傳輸路徑來進行傳輸，并且以Matlab 為仿真平臺，對所提出的算法進行了仿真分析。結果表明，這種算法能很好的平衡網絡負載能耗，延長網絡生命。

（三）多sink網絡中提出一種能耗均衡的動態分簇算法

在文獻[4]中，對于多匯聚節點的網絡，研究了與能耗緊密相關的網絡劃分和路由協議。同樣為了解決能量消耗問題，提出了均衡網絡能耗與流量的網絡劃分，先利用最近 K鄰居集合劃分了多匯聚節點的網絡范圍，接著再根據節點個數做出相應的調整，然后在多匯聚節點網絡中提出能耗均衡分簇劃分。還要根據節點到簇質心的距離，簇內節點剩余能量，節點與匯聚節點的距離，選出最適合的節點擔當簇頭，簇頭輪換機制把簇頭所需要消耗的能量合理的分給了適合的節點，還能恰當的調整簇的相對位置，均衡各種簇的能量消耗。節點以單跳方式在簇內傳播，減少了能量消耗。簇頭會根據拓撲結構的需要，在簇間的數據傳達過程中選擇合適的候選路徑，根據網絡流量均衡，選出最合適的轉發節點和路徑。最后，用仿真軟件證實了該算法能很好的均衡節點能量，增加網絡壽命。

四、結語

在當前數據對人們越來越重要的年代，環境數據的測量日益重要，但由于有的環境很復雜，單匯聚節點雖然依舊很重要，但已不適合特殊的需要，而多匯聚節點會在未來很好的彌補單匯聚節點的不足，與其相輔相成，能夠更好地服務于社會。

參考文獻：

[1]周淑俐.基于增強學習的多sink無線傳感網路由機制研究[D].南京郵電大學，2012.

[2]李琳，雷康，李小三.網絡多向多sink節點WSN路由算法[J].西北大學學報（自然科學版），2013，43（02）：214-218.

[3]張軍強，王汝傳.多SINK的無線多媒體傳感器網絡路由算法[J].計算機技術與展，2017，27（07）：20-24.

[4]程遠.多sink點WSN中均衡能耗與流量的網絡劃分和路由算法研究[D].中南大學，2012.

作者簡介：何亞光（1994-），河南舞鋼人，貴州大學電氣工程學院碩士，主要從事無線傳感器網絡方面的研究。