无线传感器网络中能量高效路由协议设计

无线传感器网络中的路由协议

随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor

Network，WSN）已经逐渐成为了一种被广泛研究和应用的技术。无线传感器网络拥有广泛的应用领域，如军事、环境监测、智能家居、健康管理等。在这些应用中，无线传感器网络的安全、可靠性和生命稳定性是至关重要的。为了保证上述三个要素，需要一个高效、稳定且可扩展的路由协议来管理无线传感器网络中的数据传输和路由决策。

无线传感器网络与传统的局域网和广域网不同，它不具有结构上的中心，而是由大量分散的节点构成，这些节点协同工作来达到目标。由于节点之间的距离很近，数据包在此类网络中往往是通过多跳传输。一个好的路由协议应当考虑网络中所有节点的负载以及能源消耗，尽可能地减少数据包的延迟和数据包的丢失。这是无线传感器网络中的路由协议需要考虑的主要问题。

在无线传感器网络中，有三种主要的路由协议：平面机制、分层机制和混合机制。

1. 平面机制

平面机制是指所有节点都属于同一层次，没有层次结构。节点之间通过广播协议（如Flooding protocol）相互传递数据。节点只需知道自己的邻居节点，数据包的传输是由遍布整个网络的节点负责的。这种方法简单且易于实现，但会导致网络不稳定，易出现死循环和数据洪泛问题。因此，在实际应用中很少使用。

2. 分层机制

分层机制是指将节点按照其功能和自己所处的位置划分为不同的层次。分层机制将一个大的无线传感器网络划分为多个小的子网络，每个子网络都有一个负责节点。子网络之间通过中继节点进行通信，可以减少数据的传播距离和提高传输速率。分层机制通常由三层组成：传感器层、联络层和命令层。传感器层负责数据的采集与传输，联络层负责中继和路由，命令层负责网络控制和管理。

分层机制的优点是可以有效降低网络负载和节点的能源消耗，提高网络的生存率和稳定性。常见的分层机制路由协议有链路状态广告协议(LSP protocol)、电子飞秋协议(EFQ protocol)等。

５０４　２０１０，３１（３）　计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＤｅｓｉｇｎ　

・网络与通信技术・　

能量自适应的无线传感器网络分簇路由协议　

李树华，　刘振宇，　李迎秋　

（大连东软信息学院计算机科学与技术系，辽宁大连１１６０２３）　

摘要：为有效解决无线传感器网络中的“热区”问题，提出了一种能量自适应的非均匀分簇路由协议。协议采取非均匀的　分簇结构，使靠近基站的簇范围减小到合理的范围，即在靠近基站的区域内，每个簇由较少的无线传感器节点构成，这些节　

点的主要Ｓ－－作是负责转发其它簇的信息，从而有效减少其能量消耗速率。同时，协议在通信路由的过程中还综合考虑了簇　头与中转节点的距离以及中转节点的能量消耗率。实验结果表明，该协议有效解决了“热区”问题，并且延长了无线传感器　

网络的生命周期。　

关键词：无线传感器网络；能量自适应　非均匀分簇路由协议；通信路由；“热区”问题　中图法分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—７０２４（２０１０）０３—０５０４—０４　

Ｅｎｅｒｇｙ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＬＩ　Ｓｈｕ—ｈｕａ，ＬＩＵ　Ｚｈｅｎ—ｙｕ，ＬＩ　Ｙｉｎｇ—ｑｉｕ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　Ｎｅｕｓｏｆｆ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２３，ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｕｎｅｖｅｎ　ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｕｎｅｖｅｎ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｔｈｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ａ　ｐｒｏｐｅｒ　ｓｃｏｐｅ．Ｃｌｕｓｔｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｎｅａｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ｕｐ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｅｓｓ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ　ｎｏｄｅｓ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ　ｍｅｓｓａｇｅｓ　ｆｒｏｍ　ｏｔｈｅｒ　ｃｌｕｓｔｅｒｓ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｎｏｄｅｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｒａｎｓｍｉｔｉｎｇ　ｎｏｄｅｓ’ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅ・　ｒａｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｏｆｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　

第ｌ５卷，第２期　中国传媒大学学报自然科学版　２００８年６月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ｃｏＭＭｕＮＩｃＡ　ｎ０Ｎ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ（ＳＣＩ望　垒　旦　Ｖ０ｌ＿１５．Ｎｏ．２　Ｊｕｎｅ，２００８　

一种新型的高能效无线传感器网络路由协议　

王远　，陈远知　，杨仕勇　

（１．中国传媒大学广播电视数字化工程中心，北京１０００２４；　２．北京比特威尔科技有限公司，北京１０００８５）　

摘要：ＬＥＡＣＨ（Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）是比较流行的的无线传感器网络协议协议之一，因其能量　有效性高而且网络延迟低。本文在ＬＥＡＣＨ协议的基础上进行改进并提出了一种高能效无线传感器网络协议——　ＬＥＡＣＨ—Ｓ。仿真结果表明，和ＬＥＡＣＨ相比，ＬＥＡＣＨ—Ｓ协议具有更好的能量有效性，并且提高了无线传感器网络　的寿命。　’　关键词：无线传感器网络；ＬＥＡＣＨ；ＬＥＡＣＨ—Ｓ　中图分类号：ＴＮ９１５．０４文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—４７９３（２００８）０２－００３５一ｏ４　

Ａ　Ｎｅｗ　Ｔｙｐｅ　Ｅｎｅｒｇｙ———ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　

Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＷＡＮＧ　Ｙｕａｎ　，ＣＨＥＮ　Ｙｕａｎ．ｚｈｉ　，ＹＡＮＧ　Ｓｈｉ．ｙｏｎｇ２　

（１．Ｅｎｇａｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｕｄｉｏ＆Ｖｉｄｅｏ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂ￣ｉｎｇ　ＢｉｔＷａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｈａｖｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｐｅｄ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔ－　ｗｏｒｋ）ｉｎ　ａｌｌ　ｗｏｄｄ．Ａｍｏｎｇ　ｔｈｏｓｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ＬＥＡＣＨ（Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）ｉｓ　ｐｏｐｕ－　ｌａｒ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｈｉ【ｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｌａｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｆｉ－　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　

能量有效的无线传感器网络层次型路由协议　

张倩王，邓成国，陈庆春　

ＺＨＡＮＧ　Ｑｉａｎ—ｗａｎｇ，ＤＥＮＧ　Ｃｈｅｎｇ—ｇｕｏ，ＣＨＥＮ　Ｑｉｎｇ—ｃｈｕｎ　

西南交通大学信息科学与技术学院，成都６１００３１　

Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３　１，Ｃｈｉｎａ　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｑｗ０２０７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　

ＺＨＡＮＧ　Ｑｉａｎ－ｗａｎｇ，ＤＥＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｇｕｏ，ＣＨＥＮ　Ｑｉｎｇ－ｃｈｕｎ．Ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎ－　ｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，４６（６）：９２－９５．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｍｅｌｉｏｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｓｏｍｅ　ｎｏｄｅｓ　ｄｉｅ　ｔｏｏ　ｅａｒｌｙ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｎｅｖｅｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ＬＥＡＣＨ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒ－　ｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＥＥＨＲＰ）ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄｅｌａｙ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　

ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ．Ｔｈｅ　ｎｏｄｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｒｅ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｔｏ　ｄｅｃｌａｒｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　１ｏｗｅｒ　ｏｎｅｓ　ａｒｏｕｎｄ．Ｇａｔｅｗａｙ　ｎｏｄｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ　ｔｕｒｎ　ａｗａｙ　ｏｖｅｒｆｕｌｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｅｖｅｎ　ｉｎ　ＥＥＨＲＰ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏ—