无线传感网络能量高效的协议综述

徐 震，杨 蕾，周 龙

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430023)

无线传感网络能量高效的协议综述

徐 震，杨 蕾，周 龙

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430023)

无线传感器节点能够实时监测和采集监测区域内目标的信息，并将数据上报给汇聚节点。然而节点一般由电池供电，能量受限，如何降低能量消耗、提高网络寿命成为无线传感网络的关键技术。本文从MAC协议、数据融合协议和路由协议三个方面论述了目前国内外有关能量高效使用的研究成果，并分析了目前国内外具有代表性的基于能量的协议及算法。

无线传感网络；能量；数据融合；路由

1 引言

随着MEMS、无线通信以及数字电子技术的发展，进而推动无线传感网络的出现。组成无线传感网络的传感器节点成本低，功耗低，体积小并具有多种功能，它们相互协助完成对物理环境的监测和对感知数据的采集。在军事部署、环境监测、医疗健康、仓库管理、智能家居、煤矿监测等领域无线传感网络都具有广泛的应用[1]。

无线传感网络来源于Ad hoc网络，因此不需要基础设施，具有自组织功能。然而无线传感网络具有很强的应用相关性，不同的应用环境需要相应的无线传感网络布局及其协议设计。在设计无线传感网络时需要考虑网络拓扑、容错性、网络寿命、数据融合以及路由等几个关键因素[2],其中最关键的因素就是网络寿命。无线传感器节点通常由电池供电，部署无线传感网络的目的是取代有线网络，通常这些区域地理环境复杂，更换节点的电池非常困难。如果传感器节点的能量一旦处于能量阈值以下，将被视为死亡节点，失去与网络中其它节点的连接。为解决这个关键问题，需要降低节点的能量消耗，获得更长的网络生命周期，因此，在无线传感网络中降低传感器节点能量消耗、最大限度地增加网络的寿命是无线传感网络协议研究中最首要的问题[3]。

针对能耗问题，目前国内外研究人员和学者提出了许多关于节能的算法。本文对现有的无线传感器网络节能算法从MAC协议、数据融合协议和路由协议三个方面进行分类分析。

2 MAC协议

在无线传感网络中MAC 协议位于无线传感网络协议栈的下层, MAC层协议控制着无线通信资源的使用，许多节点间的通信都需要MAC协作完成。在MAC层造成网络能量浪费的主要原因是碰撞重传和空闲侦听。前者是因为多个节点同时传输数据时，数据会产生碰撞与冲突，发生碰撞后就要求再次传输数据，从而耗费了更多的能量。后者是因为不需要传输数据时，节点也不会立即停止侦听，节点所消耗的能量会随着侦听时间的增加而不断增多，而大部分的侦听时间是无必要的，因此造成了巨大的能量浪费。

2.1 基于竞争的MAC协议

节点如果有数据需要发送，则对信道进行侦听。当信道已经被占用时，为了避免产生冲突，会等待一段时间；当信道空闲时，便选择立即发送数据。该类协议中具有代表性的是S-MAC[4]。S-MAC协议将时间划分为多个周期，一个周期分为活跃和睡眠阶段。在活跃状态下，多个节点同时发送数据时，就开始“抢夺”信道，“抢道”成功后，才能开始发送数据；当节点不需要传输数据后，可以不再继续侦听信道的使用情况，进入睡眠状态；节点处于睡眠时无法传输数据。

2.2 固定分配类的MAC协议

固定分配类是将一个物理信道分成许多个子信道，然后将这些子信道分配给不同的节点用于数据通信，避免了通信节点间的相互干扰，进而减少了因信息碰撞造成的能量消耗。该类协议中具有代表性的是TRAMA[5]。协议将时间划分为相等的时间片，在没有数据分组需要收发的情况下，进入休眠状态。有数据发送时，以网络负载为依据来调整节点处于活跃状态的时间长度，有效减少了能量浪费。

3 数据融合协议

监测区域内，随机分布的传感器节点一定范围内感知数据存在大量的冗余信息。节点的无线通信距离较小, 因此节点一般通过多跳的方式将数据传输到基站，由基站把收集到的数据通过互联网发送给网络管理者，这可能要经过很多中继节点的转发。对于冗余信息的直接转发无疑增加了网络中的通信量。将来自不同节点的数据进行数据融合，去掉冗余和无效的数据，降低了传输到基站的数据数量，从而减少网络能量消耗。

根据网络结构的不同，本文将分析平面型网络结构和层次型网络结构下的数据融合协议，如图1所示。

图1 无线传感网络数据融合协议分类

3.1 平面型网络结构下的数据融合协议

在平面型网络结构中，信息流量均匀地分布在网络中。网络的路由以数据为中心，汇聚节点定期广播查询消息，源节点在把采集到的数据发送到汇聚节点的过程中，中间节点可以对来自多个源节点的数据进行融合，以降低信息冗余。

3.1.1 SPIN[6]

SPIN协议是基于协商并具有自适应功能的路由协议。在SPIN协议中，传感节点在发送数据之前使用元数据(metadata，描述感知数据属性的数据)而非感知数据进行协商。SPIN协议有三种类型的消息：ADV、REQ和DATA。一个传感节点在发送数据之前，首先向邻居节点广播包含元数据的ADV消息。如果邻居节点对这个数据感兴趣，他将向发送节点回复REQ消息。然后节点向该邻居节点发送DATA数据包。另外，为了解决资源盲目使用问题，每个节点都使用资源管理器来跟踪能量变化情况。在SPIN协议中，节点在数据传输之前首先检查自身的能量，如果处于低能量水平，停止数据转发。SPIN协议主要适用于对网络生存期要求较高对实时性要求不高的应用。

3.1.2 定向扩散协议[7]

定向扩散协议是一种基于查询的路由机制。 汇聚节点采用洪泛方式广播兴趣消息到全网内的所有传感器节点。 兴趣消息包含查询的任务，反映了网络用户对监测区域内感兴趣的信息，如监测区域内的温度和湿度等信息。 在兴趣消息的转发过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从事件的源节点到汇聚节点的梯度。传感器节点将采集到的数据沿着梯度方向传送回汇聚节点。因为网络内每个节点都可以进行数据融合处理，减少了数据通信量，降低了能量消耗。定向扩散协议不能应用于需要连续传输感知数据的应用中。

3.1.3 多代理数据融合[8]

多代理数据融合(Multi-agent data aggregation：MADA)是一种基于事件驱动的路由协议。当某个感知节点探测到重要信息后向邻居节点发出数据融合请求，邻居节点根据信息的重要性、自身的剩余能量等参数决定是否参与数据融合，从而形成一个以该感知节点为代理聚合节点的临时组。代理汇聚节点把聚合后的数据发送到汇聚节点。任务完成后，临时组解散。因为监测区域内的感知节点在发送前先对数据进行了融合，从而降低数据传输数量。由于是事件探测节点邀请一跳邻居节点参与数据融合，因此协议不适合网络节点密度较低的应用。

3.1.4 DAA+RW[9]

Fan K W，等提出了一种基于事件的数据融合上报机制。传感节点一旦检测到异常情况，使用任意播( anycast) 发送一个RTS消息，感知到相同事件的节点回送CTS消息，这样降低了总的传输数据量。另外，节点在启动数据发送前需要随机等待一段时间，用于提高数据融合效率。MAC层DAA(data aware anycast)协议与源节点应用层RW(randomized waiting) 机制结合起来可以有效地提高数据数据融合，降低无线传感器网络的能耗。但是靠近汇聚节点的节点随机等待时间不能太短，否则会降低数据融合效率。

3.2 层次型网络结构下的数据融合协议

为了获得高效的数据融合，网络中的节点被组织成分层的结构，数据融合通过基于分层的路由完成。

3.2.1 基于簇的数据融合

在大规模无线传感网络里，如果传感节点直接传输数据到基站，靠近基站的节点很快将耗尽其能量。为此将整个网络组织成不同的簇，再由簇头将簇内传感节点采集的数据进行融合，然后直接或间接通过其他簇头以多跳方式与基站通信。最有代表性的协议LEACH[10]由两个阶段构成：簇的建立阶段和数据传输阶段。在第一阶段网络被组织成很多簇，每个簇以循环的方式随机选出自己的簇头。在第二阶段簇内成员把采集的数据发送给簇头，簇头再对采集的数据进行数据融合，然后直接或通过簇头间的融合树与基站通信。

3.2.2 基于链的数据融合

在簇型无线结构网络中，如果簇头与簇内成员距离较远，数据传输将消耗大量的能量。针对这个问题，基于链的数据融合主张传感节点只发送数据到与自己最近的簇头。最有代表性的协议是PEGASIS[11]。在数据收集之前，先采用贪心算法生成一条节点链连接所有的节点。再选择一个节点作为链首，链首的选择是随机的。数据则从链的两端沿链的方向传输到链首，中间节点进行简单的数据融合，链首对收到的信息进行一定的数据融合，然后把融合后的数据发送到基站。

3.2.3 基于树的数据融合

在树形网络中，将传感节点组织成一颗以汇聚节点为根、源节点为叶节点的树，非叶节点在数据转发的过程中进行数据融合。EADAT[12]是典型的基于树的数据融合技术。EADAT协议需要在网络中构建数据聚合树。汇聚节点首先洪泛控制消息，消息包括5个部分：ID、父节点、自身的剩余能量、状态(是否叶节点)和跳数(距离汇聚节点的跳数)。收到消息的节点将选择跳数少且剩余能量高的节点作为自己的父节点。这个过程持续下去，最后生成一个以聚合节点为根节点的数据融合树。

3.2.4 基于网格的数据融合

Vaidhyanathan K，等[13]提出了一种基于网格的数据融合方案。在这种方案里，根据节点的位置信息和通信半径，无线传感网络被分割成许多网格，每个网格都指派一个节点作为数据融合节点。如果一个节点有数据需要发送，可以直接把数据发送到本网格内的数据融合节点。该方案比较适合天气预测等动态变化的环境。

4 路由协议

无线传感网络中节点的能量有限，且无法补充。因此，无线传感网路由协议的设计要尽可能地实现能量高效利用，并延长网络中节点生存时间。无线传感网络是一种多跳网络，网络内的每个节点既是发送节点也是中继节点。如果一些节点由于能量耗尽，将导致网络拓扑发生变化，网络需要重新路由和配置，进而导致网络拓扑的不稳定和网络覆盖范围的缩小。为改善网络的能量消耗，国内外学者提出了不少先进的路由协议。根据采用的划分标准的不同，这些路由协议存在着不同的分类方法，如图2所示。

4.1 基于路径的路由协议

根据源节点获取到达目的节点的方法，无线传感网络的路由协议分为主动式路由、被动式路由和混合式路由。主动式路由协议定期在全网内广播路由表来维护，即一个包含到达其它传感节点最新路由信息的路由表。节点一旦需要发送数据，可以立即获得到达目的节点的路由。然而用于维护路由表的开销比较大，如DSDV算法[14]；被动式路由协议是只有需要发送数据时节点通过在网络内洪泛路由请求包去寻找到达目的节点的路由技术。路由协议的开销较少，但是路由寻找产生较高的时延，如AODV算法[15]；混合式路由协议是综合主动式和被动式路由优点的折衷方案。部分节点采用主动式路由协议，部分节点采用被动式路由协议，如ZRP算法[16]。混合式协议的效率取决于其他被激活的传感节点数目，但对于流量需求的反应取决流量数目的多少。

4.2 基于网络的路由协议

根据网络的拓扑结构无线传感网络的路由协议分为三种：平面路由协议，分簇路由协议和位置路由协议。基于平面的路由要求每个节点的功能和地位相同，协议采用以数据为中心的路由方案。在这种方案里汇聚节点向选定区域的传感节点发送查询命令，等待该节点反馈信息，如DD算法[7]；在分簇路由协议中，能量高的节点被选为簇头，簇头将收到的数据融合后发送到汇聚节点。能量低的节点用于感知对象，并发送感知数据到簇头，如HPAR算法[17]和TEEN算法[18]；在位置路由协议中，节点的定位一般通过全球定位系统(GPS)实现。节点之间的距离根据节点间的信号强度进行估算。节点通过交换邻居节点间的信息确定未知节点的位置，从而协议可以利用节点的位置信息，把数据转发给需要的区域而不是整个网络，降低了数据的传送范围进而减少能耗，如GAF算法[19]。

4.3 基于工作方式的路由协议

无线传感网络具有高度的应用相关性，不同的应用环境，所采用的路由协议也不相同。根据网络的工作方式，路由协议可以分为基于多路径、基于查询、基于协商、基于QoS和相关/非相关数据处理等五种算法。在多路径路由协议中，源节点发送一个消息到目的节点去选择多条路径作为路由，从而降低了传输时延，提高了网络性能。然而由于需要定期发送消息保持路径的活跃状态，增加了通信开销，如MMSPEED算法[20]；基于查询的路由协议常用于数据查询，发起节点发起兴趣查询。具有兴趣消息的节点，如果匹配查询，就对发起查询的节点进行回复，如COUGAR算法[21]；基于协商的路由协议利用高级的数据描述符让每个节点根据自身的资源状况进行协商，确保数据传输的有效性，如SPIN[6]；在基于QoS的路由协议里，设计路由时需要考虑各种参数，如时延、可靠性、抖动和带宽，在能量消耗和数据质量之间取得平衡。路由选择取决于三个因素：可以使用的能量资源，链路质量和数据包的优先级，如SAR算法[22]；无线传感网络由于资源受限，在路由时常进行相关或非相关数据技术处理操作。在非相关数据路由时，附近区域的节点在发送数据到其他节点前先对原始数据进行处理，收到数据的聚合节点再进行进一步处理。在相关数据路由时，数据先进行简单的处理，如时间标签和冗余去除，如SWE和MWE算法[23]。

4.4 基于下一跳选择的路由协议

基于下一跳路由选择，无线传感网络路由协议被分为基于广播、基于定位、基于层级、基于内容和基于概率的路由协议。在基于广播的路由协议中，每个节点独立决定是否转发消息。决定转发的节点只是简单重新广播这个消息。如果拒绝转发，就会丢弃这个消息，如MCFA算法[24]；在基于位置的路由协议中，节点将根据邻居节点和目的节点的位置信息选择下一跳。协议能避免洪泛带来的通信开销，但邻居节点的位置计算带来额外的开销，如GEAR算法[25]；在基于层级的路由协议里，所有的节点转发数据到汇聚节点。汇聚节点对收到的数据进行聚合，从而降低通信负载节省能量，增加网络寿命。路由算法采用双层结构，一层用于选择簇头，另一层用于路由，如TSC算法[26]；基于内容的路由协议基于查询的内容选择路由的下一跳节点。基站只负责收集数据，不会考虑数据的来源，如GBR算法[27]；基于概率的路由协议假设所有节点都是同质的，随机分布的。使用这种路由协议，传感节点可以任意选择下一跳邻居节点转发消息。路径的维护和选择取决于每条路径能量消耗的概率，如EAR算法[28]。

5 结束语

对于能量受限的无线传感网络，能量能否高效地使用是无线传感网络最重要的问题之一。本文从MAC协议、数据融合协议和路由协议三个方面对节能问题进行综述，并对国内外基于节能的算法进行系统而全面的分类。在这些基于节能的算法中，基于MAC的节能算法强调在MAC层降低节点的活跃时间；基于数据融合的节能算法强调减少传输的数据量；基于路由的节能算法强调找到到达汇聚节点的能量优化的路径。如果能把三者有机地结合起来，将会极大地降低能量消耗、提高网络寿命。

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Review on energy-efficient protocols in low-duty-cycle wireless sensor networks

XUZhen，YANGLei,ZHOULong

(School of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023, China)

The sense nodes in wireless sensor networks are capable of monitoring the target in the monitor area all the time, and send the sensed data to the sink node. However, the nodes are generally charged by the battery, and have limited energy resource, Therefore, how to improve energy efficiency and extend the network life is a foremost concern for wireless sensor network. The paper reviews the current main design strategies in MAC layer, data aggregation and routing based on the energy saving, and presents a comprehensive overview of different approaches for MAC layer protocol, data aggregation protocol and routing protocol.

wireless sensor networks; energy; data aggregation; routing

2016-10-29

徐震(1974-)，副教授，博士，E-mail:xuzhen2046@qq.com.

杨蕾(1979-)，副教授，博士，E-mail:31477715@qq.com.

国家自然科学基金(61373091).

2095-7386(2017)01-0016-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.003

TP 393

A