物联网之无线传感器网络自组织算法

NGN (Next Generation Network) 即下一代通信网络, 它具有开放式的体系架构和标准的接口, 业务与呼叫分离、呼叫与媒体分离, 网络可以分为业务层、控制层、网络层和接入层, 以软交换 (Softswitch) 为核心的控制层完成业务的管理和控制, 网络层采用IP协议实现业务融合以及接入层采用多样化的宽带无缝接入[1]。可以说NGN的有线网络将实现全光网, 使光纤到户;无线网络则采用第四代无线通信系统 (4G) , 实现电信网、计算机网和广播电视网的三网合一, 进而与无线个人区域网 (WPAN) 连接, 实现所谓的物联网。

物联网即物物相连的互联网, 它主要通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 把任何物品与互联网连接起来, 进行信息的交换和通讯, 以实现智能化识别、定位、跟踪、控制和管理的一种网络。所以, 从结构上, 物联网可以简单理解为互联网与传感器网络 (Sensor Network) 或者个人区域网 (Personal Area Network) 的互联与融合。

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 作为一种全新的信息获取和处理模式, 集成了传感技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理和无线通信技术, 可广泛应用于国防军事、科学研究、工农业生产、医疗护理等领域, 已成为国内外研究热点。作为其核心技术之一, 无线传感器网络路由协议更是目前研究的热点。

由于传感器往往需要放置在一些环境复杂、布线难度大以及移动的区域, 所以研究无线传感器网络的能耗问题是目前传感器网络研究的核心问题之一。射频模块是节点中最大的耗能部件, 而MAC (Media Access Control) 协议直接控制射频模块, 它是优化的主要目标。早期提出的MAC协议, 如Pico Radio, SMACS等, 大多采用多信道。多信道模式增加了节点复杂性、成本和功耗。目前常用的节点, 例如Xbow公司的Mica系列只有一个射频模块, 并且只用一个频率工作, 因此, 提出的MAC协议都采用单一信道。比较有代表性的几个协议有MAC、T-MAC、wise MAC、B-MAC、BMA、D-MAC和IEEE802.15.4等[2]。

分簇算法是指在网络规划初期通过完全分布式算法将网络划分成为簇首节点与成员节点。无线传感器网络中分簇的概念最早是在分组无线网中提出的, 当时主要用于层次型路由。随着研究的不断深入, 迄今为止, 己经提出了大量的分簇算法来构造和维护分簇网络结构。基于分簇的无线传感器网络, 能完成路由功能, 减少路由算法的开销, 方便地管理移动节点, 控制信道接入, 对信息进行压缩和融合, 从而有效减少网络负荷, 提高网络资源的使用效率, 延长网络寿命[3~4]。

无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Ad hoe网络的分类方法, 根据不同角度可以进行不同的分类。根据网络管理的逻辑结构可分为平面路由和层次结构路由两类[5]。

1 平面结构路由

平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点, 各节点在网络中的地位平等, 并且网络流量均匀地分散在网络中, 路由算法也易于实现。缺点在于这种路由策略使得网络不具备可扩展性, 且缺乏对通信资源的优化管理, 在一定程度上限制了网络规模。

2 层次结构路由

分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议三个部分。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇, 它是分层路由协议的关键。簇维护协议解决在节点移动过程中的簇结构维护, 其中包括节点退簇和入簇, 簇的产生和消亡等功能。层次路由协议比较适合于无线传感器网络。

为了满足无线传感器网络数据传输及低能耗长寿命的独特需求, MIT的Heinzel man等人提出低功耗自适应分簇路由协议 (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, 简称LEACH) 路由协议。它是无线传感器网络最早提出的一种自组织自适应分簇路由协议。其主要出发点是考虑一簇内能量消耗的问题, 目的是为了延长节点的工作时间, 并且实现节点的能耗平衡。与一般的基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇结构的路由协议相比, LEACH可以将网络整体生存时间延长15%。

笔者曾在硕士研究阶段做过相应的研究, 提出过无线传感器网络分布式节能分簇算法 (Distributed Energy-efficient clustering, 简称DEEC) 正是基于LEACH算法。DEEC首先对网络的分簇结构进行了改进, 增加了聚集节点aggregator和发送节点sender, 使簇内成员分工进一步细化, 避免了数据融合和数据发送都集中在簇首head上, 降低了簇首的能耗, 均衡了整个网络的能耗;其次, 引入平均能量估算方法, 使网络在分簇过程中选择簇首的时候以平均能量为参考, 将节点的剩余能量与之作比较, 将节点剩余能量与簇首选举的概率联系起来, 这样就能使能量高的节点更容易成为簇首, 而剩余能量越小的节点越不容易成为本轮簇首, 平衡了网络能量, 进而可以达到延长网络寿命目的;最后, 在稳定运行阶段, 可采用多跳路由传送数据达到节省节点剩余能量的目的, 该算法同时考虑了链路的通信开销和中间节点的能量, 是对网络整体能耗和节点负载均衡的一种折衷方法。

总结以上内容, 可以得到DEEC算法主要分为三步: (1) 根据节点剩余能量确定成员节点当选为簇首节点的概率。 (2) 根据成员节点距离簇首节点最近的原则进行分簇。 (3) 确定簇内汇聚节点aggregator进行数据融合处理, 确定信息发送节点sender, 通过多跳路由方式给Sink传输数据。

通过用MATLAB软件对三种路由协议算法的仿真, 从网络节点生存寿命和数据通信能力两个方面对仿真结果进行对比、分析, 结果表明, 与LEACH及LEACH-C相比, 改进的DEEC算法有效地降低了无线传感器网路系统的整体能耗, 网络寿命明显延长, 数据通信能力极大增强, 并具有更好的网络规模扩展性。

随着各种通信技术的深入研究和发展, 目前4G技术LTE已经在国内部分城市大规模试验, 人类社会将进入一个新的信息化时代, 将实现智能家居和工业智能化, 相信物联网在各种传感器网络技术的发展下将在不久的将来得以实现。

摘要：随着各种通信技术的发展, 物联网将在下一代通信网络得到长足的发展和大规模的应用, 其中无线传感器网络是组成物联网的一个重要部分, 对无线传感器网络的研究, 特别是对无线传感器网络能耗方面的研究是目前的一项研究热点。本文提出的一种面向能耗控制的自组织算法DEEC就是解决无线传感器网络能耗问题, 提高网络寿命的一种算法。

关键词：物联网,无线传感器网络,自组织算法,DEEC

参考文献

[1] 王承恕.通信网新技术[M].北京:人民邮电出版社, 2006 (1) .

[2] 孙天.无线传感器网络LEACH协议的探讨及改进[J].传感器世界, 2005, 11 (1) .

[3] 邓鳌.无线传感器网络路由协议研究与仿真[D].武汉:武汉理工大学, 2007.

[4] 朱洪雷.无线传感器网络LEACH分簇路由算法研究[D].广州:广东工业大学, 2009.

[5] 刘兆伟.面向能量优化的无线传感器网络分簇路由协议研究[D].济南:济南大学, 2009.