基于分层的无线传感器网络研究

贺道德

（贵州工程应用技术学院信息工程学院，贵州 毕节 551700）

基于分层的无线传感器网络研究

贺道德

（贵州工程应用技术学院信息工程学院，贵州 毕节 551700）

无线传感器网络因其为物联网的底层网络技术而得到了广泛关注，分层无线传感器网络结构因具有通信量少、网络能耗低等优点而成为无线传感网络的主流结构。为研究分层的无线传感器网络结构，首先分析目前几种流行的无线传感器网络，并指出了它们的不足，最后提出了相关改进方案，为后期设计其拓扑结构、搭建网络、实现算法并付诸于应用等提供理论基础。

物联网技术；分层结构；无线传感器网络；网络负载

1 引言

物联网技术是以互联网为基础，将物物相连的技术。[1-2]在无线网络飞速发展的今天，无线传感器首要成为物联网技术的底层通信设备，人们使用无线传感器来获得与其相连的设备或环境中的相关信息，然后将这些传感器组织成无线传感器网络，再由无线传感网接入互联网，最终实现物物相连。因此，无线传感器网络是物联网技术的底层网络，其网络性能指标决定着整个物联网的质量。目前，无线传感器网络技术应用非常广泛，例如其在智能家具、安全生产监控、敌情探测等都有着广泛应用。[3]由于无线传感器所处的环境不容许其随意更换，大部分情况下都采用一次性电池供电从而使其能耗量成为衡量网络生存周期的一项重要指标。分层无线传感器网络采用多级路由的方式使得网络通信量少，网络能耗低。[4-5]但在分层网络中，网络层级越高的节点，处理数据的负载越重，高层级网络节点失效可能会造成整个网络的瘫痪，因此分层网络节点的负载问题是决定网络整体性能的关键问题。本文以目前流行的两种分层网络LEACH[6]和PEGASIS[7]为基础，研究其网络结构，分析其网络性能，并针对其不足，提出一些解决方案。

2 LEACH网络

2.1 LEACH网络结构

LEACH网络是一种具有低能耗特性且具有自适应功能的分层无线传感器网络，是分层WSNs（Wireless SensorNetworks）的基础架构网络之一。该网络的组成机制由簇首节点的选举、簇的建立以及数据传递三部分组成。为延长网络的生存周期，使网络中各传感器节点都有机会成为簇首，并且让这些节点的能耗得以均衡，簇首的产生采用周期循环并随机轮换选举的方式产生。

依据HeinzelmanW等人的描述，簇首节点的选举过程是每个传感器节点产生一个[0,1]之间的随机数，若该数小于T(n)，则该节点被选举为簇首。[6]T（n）的计算如式（1）所示。

在式（1）中，p为网络中簇首节点数与总传感器节点数的百分比，也就是节点当选为簇首的概率；r是当前选举轮换的轮数；G为最近1/p轮没有被选为簇首的节点集合。

当簇首被选好后，成为簇首的节点则在整个网络中宣告自己为簇首节点以便其它普通传感器节点加入而构建簇，而普通传感器节点则选择信号最强的簇首并加入其构成的簇。

在数据传输时，普通节点使用一跳通信将数据传给簇首节点，簇首节点再通过一跳通信将数据传递给Sink（汇聚）节点。LEACH网络的拓扑结构图如图1所示。

图1 LEACH网络的拓扑图

2.2 LEACH网络的不足

结合崔勇等人对LEACH网络的分析，[8]本文发现，尽管LEACH因采用分层路由技术而具有节能、扩展性好等优点，但从其分层结构、簇首选择方式以及路由采用簇首转发机制来看，在该网络中还存在一些严重制约网络性能的不足之处，具体如下：

（1）由于簇首节点选择是采用随机轮换机制来执行，这并没有考虑簇首节点剩余能量的问题，即并不是将能量最多的节点选举为簇首。

（2）由于簇首节点是随机产生的，这不能保证簇首节点均匀分布在网络的各个区域，即簇首节点可能会集中在网络的某个区域，在图1中的簇首则集中在靠近Sink节点的区域。

（3）由于普通传感器节点传递数据给Sink节点是通过簇首节点转发，且簇首节点可能与该节点的实际距离较远，这就需要传感器节点有较大的射频功率会导致大量的能耗。

（4）由于簇首节点的周期性选举会带来大量通信数据传输而耗费大量能量，从而势必会使能量有限的无线传感器网络的生命周期被缩短。

2.3 针对LEACH网络缺陷而提出的解决方案

针对之前提出的LEACH网络的不足，从提高簇首性能、减轻网络负载的角度出发，提出如下解决方案：

（1）在轮换簇首时，不仅要从公平角度来考虑轮换的随机性，也要从簇首本身性能的机制考虑，综合这两点而形成基于簇首性能优先的随机轮换机制。

（2）为确保簇首的均匀分布，在簇首选择过程中亦考虑节点的地域性，从而提出基于地域性的簇首选择机制。

（3）为降低传感器节点的发射功率，可采用降低网络规模，即将一个大的传感器网络分解为多个小的传感器网络，再采用级联方式从而实现网络的能耗降低。

（4）针对因簇首选举而带来大量通信量的问题，本文提出基于地域性的簇首选择机制；因该机制将簇首的选举局限在本地进行，从而能大幅度的降低网络能耗。

3 PEGASIS网络

目前流行的分层网络除LEACH这种二层的网络外，最为著名的网络为Lindsey S等人所提出的PEGASIS这种链式分层网络。[7]该网络将各传感器节点形成多级的网络簇，然后由最高级的簇首节点与汇聚节点进行通信而使得网络的层次分明，且网络通信量少，网络生存时间长。依据PEGASIS的网络构成原理，其网络拓扑图如图2所示。

图2 PEGASIS网络的拓扑图

从图2可知，在PEGASIS网络中，首先由簇首节点形成簇，然后由远及近的将各簇首与Sink节点串连起来。在数据传输时，各节点将数据传递给其簇首，而下层级簇首再通过上层簇首逐级将数据传递给Sink节点，这种方式能很好的降低网络通信量而使网络生存周期得以提高，但因多级分层原理的自身原因，本文结合崔勇等人的分析总结了该网络的不足之处：

（1）PEGASIS采用单条簇链技术来构建网络，即网络中的所有节点和汇聚节点一起由一条簇链相连。因此，这种簇链技术没有考虑节点层级的物理位置公平性，即有些节点若从与Sink的距离来衡量，它的层级可能要比实际的层级高很多。

（2）多级分层的单条簇链技术是通过各级簇首节点间传递数据最后传至Sink节点的方式来进行通信，这使得簇首节点的地位非常重要，而且离Sink越近的节点，其重要性越强，如若某簇首节点失效，可能引发网络瘫痪这种灾难性的后果。

（3）在PEGASIS网络中，簇首节点是通信的桥梁，除需负责处理本节点的数据外，还需处理其他节点传来的数据，并且层级越高的节点，其负载量也会越大。基于此，PEGASIS网络具有严重的负载不均衡缺点。

针对PEGASIS网络的上述不足，从负载均衡、离Sink物理位置公平性等问题出发，提出了如下三点解决方案：

（1）针对PEGASIS网络因单条簇链技术而没有考虑节点层级在物理位置上的公平性，提出在构建网络簇链时，首选考虑节点离Sink的物理距离。在确定节点的簇层级时，将节点离Sink的距离作为一项重要的性能指标。而离Sink节点距离相近的节点都有可能成为最高级簇首，即在执行此机制后，网络中势必会形成多条簇链结构。

（2）由本文提出的多条簇链结构可以分散单条簇链结构因某簇首节点的失效而发生网络瘫痪的风险。另外，在簇首选举时，加大对簇首综合性能的评估，也可避免簇首失效的情况发生。

（3）为均衡簇首的负载，可采用能者优先的机制来进行簇首的选择，即将网络节点分为多个等级，将等级最高的节点选为最高级簇首，依此类推，使得性能越强的节点负责的任务也就越多，从而确保网络负载均衡，进而提高网络生存时间。

4 结论

本文分析了当前两种流行的分层无线传感器网络LEACH和PEGASIS，总结出分层网络主要以二层分层和多级分层为主流。二层分层的网络因只需二跳则可将数据传递给Sink使得网络稳定性较好，但因簇首的分散和频繁选举使得网络的能耗较高。多层级链式的分层无线传感网络因采用链式接力传输而能耗低，但因数据的传输过于依赖簇首，使得网络的负载不均衡且网络稳定性不好，并且这种方案不利于构建大型网络。基于此，本文提出的解决方案结合了上述两种网络的优点而摒弃了它们的缺点，从而使得网络负载均衡且网络能耗低，这对于分层无线传感器网络的改进具有一定的价值。下一步的工作是，在本文提出的分层无线传器网络改进方案的基础上，设计其拓扑结构并搭建其网络，最后实现其算法并将付诸于应用。

[1]朱洪波，杨龙祥，朱琦．物联网技术进展与应用[J]．南京邮电大学学报(自然科学版)，2011(1):1-9．

[2]张春红，裘晓峰，夏海，马涛．物联网技术与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2011：5-11．

[3]任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络[J]．软件学报，2003(7):1282-1291．

[4]邹瑜，彭舰，黎红友．一种基于分层无线传感器网络的路由算法[J]．计算机科学，2012(10):65-68．

[5]田莹，王莹，张淑芳．高效节能的链式分层无线传感器网络路由协议[J]．计算机工程与应用，2007 (35):22-26．

[6]HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H．Energy-Efficient Communication Protocol forW irelessM icrosensor Networks[C]//HICSS．Proc．of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Scineces．Maui:IEEEComputer Society，2000:3005-3014．

[7]LINDSEY S，RAGHAVENDRA C S．PEGASIS:Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems[J]．IEEEAerospace and Electronic SystemsSociety，2002（3）:1125-1130．

[8]崔勇，张鹏．无线移动互联网原理、技术与应用[M]．北京:机械工业出版社，2012：148-152．

Research on HierarchicalW ireless Sensor Networks

HEDao-de
(1.Schoolof Information Engineering,Guizhou University of Engineering Science,Bijie, Guizhou551700,China)

Wireless sensor networks have

extensive attention because of thatare the underlying network technology of IoT(the Internet of things).Hierarchicalwireless sensor network architecture has become themain structure ofwireless sensor networks because of itsadvantagesof less communication.In order to search the wireless sensor network based on hierarchical structure,this paper firstly analyzes the current several popularWSNs,pointout their deficiency,and then put forward the improvementscheme,finally gives summary that this research hasa certain value for the developmentofhierarchicalwirelesssensornetworks.

Internetof Things;Hierarchical Structure;Wireless SensorNetworks;Network Load

B84

A

2096-0239（2016）06-0145-04

（责编：任秀秀 责校：明茂修）

2016-07-01

贵州省科技厅、毕节市科技局、贵州工程应用技术学院联合基金资助项目“基于簇首负载均衡的WSN路由协议”，项目编号：黔科合LH字[2014]7530号；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“基于会话异构性的P2P网络拓扑模型及算法研究”，项目编号：XDJK2014C002；贵州省重点支持学科资助项目“计算机科学与技术学科建设”，项目编号：黔学位合字ZDXK[2014]26号。

贺道德（1979-），男，湖南津市人，贵州工程应用技术学院信息工程学院副教授。研究方向：云计算、对等计算以及无线传感器网络技术。