區域分級的糧庫無線傳感器網絡路由算法

摘 要 糧庫WSN路由算法是WSN檢測糧庫糧食數量技術的難點之一。由于糧庫中傳感器節點分布的復雜性，所以其路由算法比較特殊。根據糧庫WSN的分布，提出一種RCCMA路由算法，先將大量分布不均的傳感器節點進行簇區域劃分和級別設定，然后利用最小夾角原則實現二級簇區域內節點間路由和一級簇區域與二級區域內目標節點間的路由。由于一級簇區域傳感器節點能耗較大，因此采用輪轉調度機制，將能耗平衡化，降低了單個傳感器節點的能耗。對比幾種典型的路由算法，實驗顯示，該算法具有明顯的優勢。
關鍵詞 路由算法 簇區域 無線傳感器網絡

引 言
利用無線傳感器網絡檢測糧庫的糧食數量是一項新技術。由于糧堆的復雜性，可在糧庫底部散布大量分布不均的壓力傳感器節點。將糧庫內大量分布不均的傳感器節點進行組網，構建一種路由算法，這是糧庫WSN(Wire-less Sensor Network)的關鍵技術之一。
高效的路由算法需滿足以下幾點：能量高效(協議簡單和節省能量和均衡消耗)、可擴展性(網絡范圍和節點密度)、魯棒性(節點變化和拓撲變化)、快速收斂性。本文通過研究目前主要的幾種典型WSN路由算法，提出一種針對糧庫WSN的路由算法。實驗證明，該算法滿足能量高效性、可擴展性、魯棒性和快速收斂性要求。單個對比文中提到的幾種典型路由算法，該算法整體性能比它們都優越。

1 典型的WSN路由算法
傳統無線通信網絡研究的重點放在無線通信的服務質量(QoS)上，而無線傳感器節點是隨機分布、電池供電的，因此無線傳感器網絡路由算法的研究重點放在如何提高能量效率上。目前典型的無線傳感器網絡路由算法主要有以下幾種。
1．1 泛洪算法
泛洪(Flooding)算法是一種傳統的無線通信路由算法。該算法規定，每個節點接收來自其他節點的信息，并以廣播的形式發送給其他鄰居節點。如此繼續下去，最后將信息數據發送給目的節點。但這個算法容易引起信息的“內爆”(implosion)和“重疊”(overlap)，造成資源的浪費。因此在泛洪算法的基礎上，提出了閑聊(Gossiping)算法。
1．2 Gossiping算法
Gossiping算法是在泛洪算法的基礎上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是，隨機地選擇一個鄰居節點，獲得信息的鄰居節點再以同樣的方式隨機地選擇下一個節點，進行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然Gossiping算法在一定程度上解決了信息的內爆問題，但是仍然存在信息的重疊現象。
1．3 SPIN算法
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotia-tion)算法是一種以數據為中心的自適應路由算法。其目的是通過節點之間的協商，解決Flooding算法和Gossi-ping算法的內爆和重疊問題。SPIN算法有3種類型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于數據的廣播，當某一個節點有數據可以共享時，可以用其進行數據信息廣播。REQ用于請求發送數據，當某一個節點希望接收DATA數據包時，發送REQ數據包。DATA為傳感器采集的數據包。在發送一個DATA數據包之前，一個傳感器節點首先對外廣播ADV數據包。如果某一個節點希望接收要傳來的數據信息，則向發送ADV數據包的節點回復REQ數據包，因此，便建立起發送節點和接收節點的聯系，發送節點便向接收節點發送DATA數據包。SPIN協議的工作流程如圖1所示。

1．4 定向擴散算法
定向擴散(Direeted Diffusion)算法是一種基于查詢的路由機制。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強3個階段。在興趣擴散階段，匯聚節點向傳感器節點發送其想要獲取的信息種類或內容。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。每個傳感器節點在收到該信息后，將其保存在Cache 中。當整個信息要求傳遍整個傳感器網絡后，便在傳感器節點和匯聚節點之間建立起一個梯度場，梯度場的建立是根據成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節點收集到匯聚節點感興趣的數據，就會根據建立的梯度場尋求最快路徑進行數據傳遞。梯度場建立的過程如圖2所示。