无线传感器网络中的多路径传输优化算法

第６卷第２０期２００６年１０月　

１６７１—１８１５　ｆ　２ＯＯ６）２０—３２９　—０８　科学技术与工程　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．６　Ｎｏ．２０　Ｏｃｔ．２００６　

⑥　２００６　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　

基于数据聚合的无线传感器网络多径　

路由算法研究　

李　羿　李军义ｐ黄铎　

（湖南大学软件学院，计算机与通信学院　，长沙４１００８２；创智信息技术有限公司ｚ，深圳５１８０５７）　

摘要　由于传感器网络具有严格的资源限制、低速数据传输率及多对一的通信模式等独特的特征，传统用于无线移动自主　网Ａｄ—ｈｏｃ的路由协议通常不能直接应用于该类网络；尤其是针对节点数目庞大的传感网，要处理的传感数据量大，在设计路由　算法时必须保证其能效较高、能耗及负载均衡，以最大限度地延长整个网络的生命周期。结合数据中心及多路径路由特征，提出　了一种基于数据聚合的多径路由算法。新算法不仅能在路由过程中实现能耗及负载均衡，而且能有效地消除数据冗余。理论分　析和实验表明，该算法在节省能耗等方面具有一定的优势。　关键词无线传感器网络　数据聚合　能量有效　多径路由　中图法分类号ＴＰ３９３．０３；　文献标识码Ａ　

低成本的集信息传感、数据处理、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　

Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）定位及网络通信功能于一体的传　

感器在环境与军事监控，地震与气候预测，地下、深　

水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛应用　

前景［１－３］。而外界环境的不确定性经常导致需要布　

置成百上千个传感器协同工作；因此对由大规模传　

感器节点构成的传感器网络（Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）的研　

究正引起研究人员的广泛关注，并被认为是本世纪　

一项挑战性的研究课题…。　

作为一种新型无线网络，与传统无线网络相　

比，传感器网络具有以下特性：（１）节点分布稠密，　

数量成百上千；（２）节点一般无人照管，能量有限且　

信噪比与无线传感器网络的关联

一、信噪比的基本概念与重要性

信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）是衡量信号质量的一个重要指标，它描述了信号强度与背景噪声强度之间的比例。在无线通信领域，信噪比对于保证通信质量、提高数据传输速率和降低错误率具有至关重要的作用。信噪比的高低直接影响到无线信号的接收效果，高信噪比意味着信号中的有用信息可以更清晰地被接收器识别，而低信噪比则可能导致信号失真，影响通信的可靠性。

1.1 信噪比的定义与计算

信噪比通常用分贝（dB）来表示，计算公式为：

\[ \text{SNR (dB)} = 10 \times \log_{10}

\left(\frac{P_{\text{signal}}}{P_{\text{noise}}}\right) \]

其中，\(P_{\text{signal}}\) 是信号功率，\(P_{\text{noise}}\) 是噪声功率。信噪比的数值越大，表示信号与噪声的区分度越高，通信质量越好。

1.2 信噪比在无线通信中的应用

在无线传感器网络中，信噪比对于网络的性能有着显著的影响。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）由大量的传感器节点组成，这些节点通过无线方式进行通信，收集和传输数据。由于传感器网络通常部署在环境复杂、干扰多的场景中，因此信噪比对于保证网络的稳定运行和数据的准确传输尤为关键。

二、信噪比对无线传感器网络性能的影响

2.1 信噪比与数据传输速率

数据传输速率是衡量无线传感器网络性能的一个重要指标。高信噪比可以提高数据的传输速率，因为在高信噪比的条件下，接收器能够更快地识别和解码信号，从而提高数据的传输效率。相反，如果信噪比较低，信号容易受到噪声的干扰，导致数据传输速率下降。

2.2 信噪比与错误率

错误率是衡量无线通信质量的另一个重要指标。信噪比与错误率之间存在负相关关系，即信噪比越高，错误率越低。在无线传感器网络中，错误率的降低可以减少重传数据的需求，从而节省网络资源，提高网络的吞吐量。

第２１卷第１２期　２００８年１２月　传感　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　技术学报　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２００８　

Ｅｎｅｒｇｙ－Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＣＨＥＮ　Ｊｉｅ，ＹＩ　Ｂｅｎ－ｓｈｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＥＥＯＲ）ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—　

ｃｏｍｉｎｇｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐａｔｈ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｍａｘｉｍｕｍ　ｍｕｌｔｉｐａｔｈｓ　ａｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｂｙ　ｍｅｓｓａｇｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｎｅｉｇｈｂｏｒｓ　ａｎｄ　ａ　

ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｉｎｇｌｅｓｓ　ｐａｔｈｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｕｌ—　ｔｉｐａｔｈ　ｆｉｎｄｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｅｎｄ—ｔｏ—ｅｎｄ　ｄｅｌａｙ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｋｅｅｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｂａｌａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈａｔ　ｏｕｒ　ｓｃｈｅｍｅ　ｈａｓ　ｌｏｎｇｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ，ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，　

ＣＮ４３—１２５８／ＴＰ　ＩＳＳＮ　１００７—１　３ＯＸ　计算机工程与科学　

ＣＯＭＰＵＴＥＲ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＳＣＩＥＮＣＥ　２００８年第３Ｏ卷第６期　

Ｖｏｌ。３０，Ｎｏ。６，２００８　

文章编号：１００７—１３ｏＸ（２ｏｏ８）ｏ６—０１０１—０５　

无线传感器网络多路径簇头链分簇式路由算法　

Ａ　Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　Ｃｌｕｓｔｅｒ——Ｈｅａｄ——Ｃｈａｉｎ　Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　

Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

吴迪，胡钢，倪刚，张卓，李威　

ＷＵ　Ｄｉ，ＨＩＩ　Ｇａｎｇ，ＮＩ　Ｇａｎｇ，ＺＩｔＡＮＧ　Ｚｈｕｏ，ＬＩ　Ｗｅｉ　

（河海大学计算机及信息工程学院，江苏常州２１３０２２）　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ＣｏｍｐｕＷｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　２１３０２２，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：本文分析了无线传感器网络路由协议的研究现状，重点研究了分簇式路由算法，并提出一种改进的算法——　

基于能量和距离的多路径簇头链（ＭＣＢＥＤ）算法。该算法不仅改进了簇头节点的选取方法，而且根据需要产生替补簇头节　

点，形成多路径簇头链。理论分析和仿真实验表明，改进后的算法分簇更加合理，提高了网络健壮性，节省能量，均衡节点　

能量消耗，显著延长了网络生存时间。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｃａｌ　

ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｌｌｅｄ　ｔｈｅ　Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　Ｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄ－ｃｈａｉｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ