基于数据融合的无线传感器网络路由协议

摘 要：在无线传感器网络中，各个协议层的数据融合技术都有各自的算法，而网络层的数据融合技术则主要是与路由协议相结合。本文根据数据融合和路由协议的基本原理，分析了几种结合路由协议的数据融合算法，并对这几种算法进行分析和比较。

关键词：无线传感器网络；路由协议；数据融合

中图分类号：TP393 文献标识码：A

引言

无线传感器网络是由一些具有特定功能的、部署在目标区域内的传感器节点构成，这些节点通过无线通信方式组成自组织网络，采集区域内的特定信息，并将信息传输到汇聚节点或基站。无线传感器网络作为一个新兴的研究领域，具有很多挑战性的研究课题，而路由协议和数据融合技术就是其重要的研究课题。传统无线网络的路由协议提高整个网络的利用率，主要是通过寻找源节点与目的节点之间的最佳路径。而无线传感器网络不同于传统的无线网络，所以研究适合于当前无线传感器网络的通信协议已成为目前重要课题之一。数据融合技术是将网络中接收到的多个数据源信息进行综合分析和处理，去除冗余的和无效的数据，最终得出单个更加全面的、更可靠的、更符合用户需求的信息。它主要负责处理来自多个传感器在一定的空间和时间上获得的冗余信息，根据具体的应用需要进行数据融合，来实现各传感器间数据的信息互补，从而获得监测事件的一致性的信息描述。

1 数据融合路由算法

在无线传感器网络中，数据融合技术与路由协议之间具有密切的关系，将路由协议和数据融合相结合将会是未来研究和发展的必然趋势。目前，国内外的许多研究人员对此进行了多年的深入研究，并提出了一些有效地结合路由协议的数据融合算法。

1.1 基于查询路由协议的数据融合算法

基于查询路由协议的数据融合算法主要有：定向扩散协议。该算法的路由方法主要采用洪泛的传播方式，主要包括三个阶段：兴趣扩散、梯度建立以及路径加强。

在兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向监测区域内的其他节点发送载有查询任务的兴趣消息（任务类型、监测区域、发送数据的速率、时间戳等）；在梯度建立阶段，根据记录的兴趣信息列表，建立每一个节点与汇聚节点之间的梯度关系；在路径加强阶段，通过路径加强机制，该算法使得源节点与汇聚节点之间的路径更加优化，并依据网络拓扑结构的变化，来修改节点与节点之间的梯度关系。以此类推，直到数据源节点，这样就形成了一条从源节点到汇聚节点的加强路径。

1.2 基于分层路由协议的数据融合算法

LEACH路由协议是典型的基于分层路由协议的数据融合算法，是一种自适应分簇拓扑算法。LEACH协议按轮周期性运行，每轮分为两个阶段：簇的建立阶段和数据传输阶段。

在簇的建立阶段，传感器网络先设定一个阈值T（n），传感器节点随机生成一个数（0～1之间），并且与T（n）做比较，如果小于T（n），则该节点即为簇首节点。当簇首节点被选以后，向整个网络广播ADV消息，通知剩余节点自己当选为簇头节点。而剩余节点依据接收到的簇头信号的强度来确定加入哪个簇，并发送加入消息给簇头节点。这样簇的建立就完成了。在数据传输阶段，簇成员节点将采集的信息发送给簇头节点，然后簇头节点将这些信息进行融合操作，直接发送给汇聚节点。

1.3 基于链式路由协议的数据融合算法

PEGASIS是一种传感器信息系统中的高效能采集协议，它是结合数据融合技术的链式路由协议中的典型代表，是在LEACH基础上建立的路由协议。PEGASIS协议的基本思想是将网络中的所有传感器节点看成是一个簇，利用贪心算法将网络中的节点汇聚成一条链，再在这条链上随机地挑选一个节点作为首领节点，来收集数据，链中的节点接收上个节点的数据，并将其与自身的数据进行融合，经过融合后变成一条数据信息发送给单链结构中的下一个节点，以此类推，最后首领节点将收到网络中的所有数据，把融合后的数据传输给Sink节点。此协议要求网络中每一个节点都能和Sink节点直接通信，各节点轮流担当首领节点向Sink节点传输数据，可以均衡网络能量消耗。

定向路由协议主要是通过扩散的方式将兴趣发送给监测区域内的所有节点，从而使得整个网络产生大量的能耗，而且在梯度建立阶段，报文信息根据兴趣扩散传播而建立的反向梯度，所消耗的能量和时间也很大。而LEACH协议通过随机选取簇头节点，来避免簇头节点过分消耗能量，从而提高了整个网络的生存周期，但是该协议的扩展性差，不适合大规模网络。与LEACH协议相比，PEGASIS路由协议减少了重新构建簇所用的开销，但是也使得数据传输的平均时延明显延长了许多。

参考文献

[1]陈孟涛.无线传感器网络路由算法的研究[D].江南大学，2012.

[2]Kenmal Akkaya，Murat Demirbas，R.S.Aygun.The impact of data aggregation on the performance of wireless sensor networks[J]. Wireless Communications &Mobile Computing，2008，8（02）：171-193.