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无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议
无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议
摘要摘要摘要
摘要
：提出一种以数据为中心的路由协议算法THRL，在OMNeT++上进行仿真验证，并将其与
传统路由协议进行比较。通过比较得出，在相同条件下，THRL比LEACH和Directed Diffusion
在能耗方面都有较大的改善。
关键词关键词关键词
关键词
：无线传感器网络; 混合式路由协议；OMNeT++仿真平台；分簇；门限
中图分类号：中图分类号：中图分类号：
中图分类号：
文献标识码文献标识码文献标识码
文献标识码
：AAA
A
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．引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）集成了传感器技术，嵌入式技术，信息处
理技术和无线通信技术，是由大量密集部署在监控区域的智能节点构成的一种网络。广泛应
用于环境监控，工业应用，交通控制等。
由于在无线传感器网络中，所有的节点要共享有限的带宽进行通信，因此针对这种网络
的路由协议的设计必须要着重考虑到本地的协作以减少对带宽的要求。另外，由于传感器节
点靠电池供电，在使用过程中不可能进行能源补给，因此能量的有效利用及节能成为传感器
网络设计不同于传统网络的一个重要特点。
根据应用和要求的不同，国内外已经提出了很多种专门用于传感器网络的路由协议，其
中包括：Flooding, Gossiping, PEGASIS, LEACH, TEEN, SPIN, Directed Diffusion等。在本文
中，我们提出了一种基于簇结构的先验混合式路由协议，以实现数据采集及传输下能耗的有
效性。
文章的组织结构如下：文章首先对无线传感器网络研究中关于路由协议的进展做一回
顾，特别是LEACH协议和Directed Diffusion协议。然后描述了经典的传感器网络模型及本文
中所使用的通信模块模型。接下来的一部分将重点介绍本文所提出的一种路由协议THRL。
接着将给出针对THRL的仿真和比较分析。最后我们给出了总结。
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．相关进展
下面将简要介绍几种无线传感器网络中具有代表性的路由协议！
LEACH ( Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议。其后的很多层次式路由
协议都是在它基础上提出来的。因此这里我们着重介绍 LEACH协议[1]。
它是一种基于分簇的路由协议，由于网络中节点轮流作簇头因此均衡了网络中能量的消
耗。LEACH 的实现是以轮(round)为单位进行的，每一轮又分为簇建立阶段和数据传输阶段
（平衡阶段）。并且，平衡阶段的持续时间要远远大于成簇所耗的时间。
在簇建立阶段，每个节点都检查它自己在过去的 1/p-1 (其中 p 为簇头数目与网络节点总
数目的比例)轮是否成为过节点。如果没有，节点将产生一个介于 0到 1之间的随机数，如
果该随机数小于一个预定义的门限值 T ( n )，那么该节点在本轮中将成为簇头，T ( n )的定义如
下：
（1）
1 *( mod1/ )
0( ) {
p
p r p
T n
n G
其他
节点一旦选为簇头，将广播一个 ADV信息给邻居节点。收到 ADV信息的非簇头节点将根
据接收信号强度比较选出一个自己能以最小能量到达的簇头，加入该簇，并回复 REQ信息
给簇头。之后，簇头根据本簇中节点的数目安排 TDMA时隙，并把这一信息广播给簇成员。
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在数据传输阶段，簇成员在属于自己的时隙中发送数据给簇头，簇头把所有数据进行融
合，然后发送给 Sink。
TEEN(Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)
TEEN是对 LEACH的改进。TEEN中，在节点往上一级发送数据处增加了一个硬门限
（Hard threshold）和软门限(Soft threshold)，以减少不必要的数据传输。节点只有在监测对
象变化值大于硬门限或者其相对变化值大于软门限时才会发送数据，这样就可以大大减少了
网络中数据传输的数量，延长了网络寿命[4]。
Directed Diffusion
Directed Diffusion是一种典型的平面路由协议。在Directed Diffusion中，Sink周期地广
播一个“兴趣”（interest）消息，“兴趣”中包含了任务，监测持续时间，目的节点（或目的
区域）。每个节点都维护有一个“兴趣缓存”（interest buffer），据此判断是否收到过同一个
“兴趣”，更新与否等，并对“兴趣”进行转发，直至目的节点。目的节点在收到“兴趣”
后，根据梯度信息，把数据按逆向传送给 Sink[5]。
梯度最大的路径也就是功耗最低的路径。也就是说Directed Diffusion每次都在寻找功耗
最低的路径来传输数据。
333
3
．网络和通信模块模型
网络模型
本文中我们所采用的网络模型基于以下假设：
网络中所有的节点随机分布在一个 1000×1000的正方形区域中，并且Sink 距离正方形
区域较远。如下图所示：
用户
InternetInternetInternet
Internet
SinkSinkSink
Sink
图 1 传感器网络结构
所有的节点都可以一跳到达 Sink，并且每个节点初始时的能量都相同。
网络中只有一个 Sink节点用来最终接收数据和发送“兴趣”消息。
网络中节点在每一轮期间不移动或者移动很缓慢。
通信模块（Radio）模型
我们使用中所讨论的 Radio模型，这也是目前使用最为广泛的 Radio 模型[1]。在此模型
中，Radio 在发射器或接收器的能耗为：
。( ) 50 /E e l e c J b i t
发射端放大器的能耗为：
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。2100 / /
a m p
p J b i t m
Radio 在没有数据发送或接收时可以关掉。我们还假设信道传输过程中的能量损失与 成正2r
比（其中 r为天线发射半径）。因此，Radio 将 k-bit信息传输距离 d 处的能耗为：
2
( , ) ( ) ( , )
( , ) * * *
T x T x e l e c T x a m p
T x e l e c a m p
E k d E k E k d
E k d E k k d
接收这一信息的能耗为：
( ) ( )
( ) *
R x R x e l e c
R x e l e c
E k E k
E k E k
从上式可以看出，接收所消耗的能量也是不小的开销，因此我们在计算整个网络能耗时
应该把接收能耗计算在内。
444
4
．THRL
由于在 LEACH中所有簇头节点要与 Sink直接通信，因此，距离 Sink较远的簇头会
很快耗尽它们的能量。同时，簇建立完成后，簇成员要定期在属于自己的时隙中发送数据给
簇头，而不管节点本身是不是有数据要发送，这会造成不必要的浪费，同时，大量数据定期
的发送会造成能量的浪费，而有些数据并不一定是用户所关心和需要的！
对于 TEEN，尽管增加了硬门限和软门限，较好的减少了网络中数据传送的数量，但同
时又产生了另外一个问题：即有节点在失效后并不被网络中其他节点知道。
而 Directed Diffusion是在用户需要时，通过 Sink发出一个“兴趣”消息。这种路由协
议参与路由的节点数目多，且在广播“兴趣”时，需要全网参与，反而耗费了额外的能量。
另外，数据的发送取决于 Sink发送“兴趣”的频度。对于时间要求比较严格的应用，Directed
Diffusion并不适合！
在综合 LEACH和Directed Diffusion两种协议的优缺点并吸收 TEEN的优点，我们提
出了一种基于簇的先验混合式路由协议：THRL。它主要分为三个阶段：
◆成簇阶段
◆ “兴趣”广播阶段
◆数据发送阶段
下面将详细介绍。
■成簇阶段
在成簇阶段，首先运行传统的 LEACH协议：节点检查自身在过去的 1/p-1轮是否成为
过簇头，没有的话产生随机数并与 T(n)比较，参见等式（1）。簇头选举完成后，簇头广播
ADV信息给邻居节点，邻居节点以 REQ信息回复簇头并加入该簇。同时，每个非簇头节点
维护一个定时器，超时后，如果仍没有收到 ADV信息，将选举自己为簇头。
成簇完成后，将进入“兴趣”广播阶段。
■ “兴趣”广播阶段
网络成簇阶段完成后，Sink节点广播一个 interest-ADV信息，此信息仅在簇头间传递。
网络中的每个簇头都会维护一个“兴趣缓存”（interest buffer），在接收到一个 interest-ADV
信息时，首先检查是否曾经收到同一信息，是的话丢弃，否则转发这一消息，并更新“兴趣
缓存”。簇头间的洪泛完成后，每个簇头都有至少一条到达 Sink的路径。
每个簇头从自己保存的梯度信息中选择梯度最大的一条，回复一个 interest-REQ 信息给
Sink，Sink在接收到网络中各个簇头发送回来的 interest-REQ 信息后，就掌握了当前轮
（round）中全网的信息。由于 interest-ADV和 interest-REQ信息都很短，且参与传输发送的
节点仅限于簇头，而簇头数目与网络中节点总数比起来要小得多，因此，这一过程消耗的能
量很少。
■ 数据发送阶段
路径建立完成后，网络进入数据发送阶段。这时，Sink节点可以定期或者不定期（根
据用户需要而定）的发送 interest-DATA[5]查询信息。这一消息含有目标任务，任务持续时间 ，
目的区域等信息。如下图所示：
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type = temperature
instance = >100℉
location = [125,200]
timestamp = 01:06:10
由于此前 Sink掌握全网信息，因此，这一消息可以单播出去，而非像 Directed Diffusion
中那样每次查询都要广播。目的区域的簇头在接收到 interest-DATA消息后，将本簇中产生
的数据融合，并发送给 Sink。这样，由于查询信息的发送频度与用户需求有关，可以大大
减少网络中不必要数据的传送。减少了能量的消耗。
同时，为了保证网络在监测区域有突发性事件发生时，能够及时的将这一信息反馈给远
端的用户，我们在每一个节点的传感模块增加了两个门限值：硬门限（HT）和软门限（ST）
[4]。如果监测对象感知值变化大于硬门限或者其相对变化值大于软门限，节点就会被触发。
开始向上一级发送数据，直至 Sink，这样又保证了数据的及时性。另外，由于簇头处拥有
到达 Sink的一条梯度最大的路径，因此避免了新一轮的广播，有助于节能。
555
5
．网络仿真和分析
网络仿真基于 OMNeT++平台，它是一个面向对象的模块化离散事件网络仿真工具 [7]。
OMNeT++仿真环境主要有 C++和NED两种分工不同的开发语言，C++语言实现简单模块的
功能，NED语言则用来定义网络模型的结构。
仿真场景设置如图 1所示：假设网络中有 100个节点，随机的部署在一个 1000×1000
的场景中，Sink 节点位于场景外，距场景的距离为100。所有节点初始时能量相同。
仿真启动后，开始执行选举簇头及成簇过程，结果如下图所示：
图 2 网络成簇情形
成簇完成后，开始进入数据发送阶段。在此，对于我们的仿真，我们假设监测对象为不同区
域中环境温度的随机变化 [4]，温度被设计为在 0℉到 200℉间随机变化。并且，硬门限(HT)
取变化区域的中间值，即100℉。而软门限 (ST)则设为 2℉。Sink周期性地发送 interest_DATA
查询消息(实际应用时并不一定如此，在此这样设置只是为了更好地与 LEACH 和 Directed
Diffusion在相同条件下比较)。
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最后的输出文件通过 Matlab画图进行分析，如下图所示：
图 3 THRL与 LEACH和Directed Diffusion协议在不同时间网络中节点生存数量情况比较
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．结束语
本文首先分析了无线传感器网络路由协议的研究现状，进而提出了一种基于分簇结构的
混合式路由协议，并通过仿真验证了它较之传统的路由协议所带来的能耗有效性的改善。
THRL是一种可以对网络应用变化迅速做出反应同时又能根据用户需求而减少网络中数据
的传递的协议。同时，可以根据网络拓扑在节点密度较高时周期性关掉部分节点以延长网络
寿命。
但是 THRL对于节点移动较频繁的网络并不适应，在节点频繁移动情况下，网络拓扑
会随时改变，因此，如何在网络拓扑频繁变化情况下实现较高的能耗有效性成为下一步的研
究课题。
参考文献参考文献参考文献
参考文献
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aaa
a
TranscendentTranscendentTranscendent
Transcendent
HybridHybridHybrid
Hybrid
RoutingRoutingRouting
Routing
protocolprotocolprotocol
protocol
ininin
in
WirelessWirelessWireless
Wireless
SensorSensorSensor
Sensor
NetworksNetworksNetworks
Networks
Xie Liqiang1，Zhang Yu2，Wu Muqing3
1 School of Telecommunication Engineering，Beijing University of Posts and
Telecommunications, Beijing, PRC, (100876)
2 France Telecom research & development –Beijing, (100080)
3 Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing, PRC, (100876)
AbstractAbstractAbstract
Abstract
In this paper, a data-centric routing protocol model is built, then the model is verified and analyzed on
the OMNeT++ simulat ion platform, and the performence of our new model is compared with the
traditional routing protocols such as LEACH and Directed Diffusion. It can be shown that the new
routing protocol can save energy and prolong the lifetime of large-scaled, when meetting the time
request of user。
Keywords:Keywords:Keywords:
Keywords:
Wireless sensor network（WSN）；hybrid routing protocol ; OMNeT++；cluster；threshold
作者简介：谢利强, 男，1982年生，硕士生，研究领域为宽带接入与宽带交换技术。
