很多人都認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機(jī)系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學(xué)和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；?a target="_blank">MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 低功耗路由協(xié)議

　　1.1 LEACH協(xié)議

　　LEACH全稱是"低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議" （Low Energy Adaptive CluSTering Hierarchy）。該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。仿真表明，與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%.LEACH在運(yùn)行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個簇重構(gòu)過程可以用回合的概念來描述。每個回合可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時間要大于建立階段的持續(xù)時間。簇的建立過程可分成4個階段：簇頭節(jié)點的選擇、簇頭節(jié)點的廣播、簇頭節(jié)點的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。

　　初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段，每個傳感器節(jié)點都要決定自己是否充當(dāng)簇頭節(jié)點。這個決定主要取決于網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭節(jié)點數(shù)（在初始化的時候設(shè)置）和迄今為止該節(jié)點已成為簇頭節(jié)點的次數(shù)。簇頭節(jié)點必須從那些沒有當(dāng)過簇頭節(jié)點的節(jié)點中選擇，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都當(dāng)過簇頭節(jié)點，然后再進(jìn)行重新選舉，所有節(jié)點獲得再次成為簇頭的機(jī)會。簇頭節(jié)點的選擇辦法是：每個傳感器節(jié)點隨機(jī)選擇O~1之間的一個值，如果選定的值小于某一個閾值T（n），那么這個節(jié)點成為簇頭節(jié)點。T（n）值的計算方法如下：

???

?

　　其中，p是網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點所占節(jié)點數(shù)目的百分比，r為當(dāng)前的輪數(shù)，G是一個集合，集合中的節(jié)點是前1/p輪中沒有充當(dāng)過簇頭節(jié)點的節(jié)點。使用這個門限，每個節(jié)點會在1/p輪操作內(nèi)充當(dāng)一次簇頭節(jié)點，符號mod是求模運(yùn)算符號。

　　在第O輪的時候（r=0），每個節(jié)點充當(dāng)簇頭節(jié)點的概率為p,在第O輪充當(dāng)簇頭節(jié)點的節(jié)點在后面1/p輪中不能再次充當(dāng)簇頭節(jié)點。這樣，剩下的節(jié)點的數(shù)目變少了，所以能夠充當(dāng)簇頭節(jié)點的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個數(shù)保持均衡。在經(jīng)過1/p一1輪以后，T=1,此時對于任何一個在過去的1/p中還沒有做過簇頭節(jié)點的節(jié)點，都可以成為簇頭節(jié)點，因為所有節(jié)點的標(biāo)志值都在0~1之問。經(jīng)過1/p輪之后，所有節(jié)點又可以重新充當(dāng)簇頭節(jié)點了。

　　一旦簇頭節(jié)點被選定，它們就使用相同的能量向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點廣播一個廣告包。在這個過程中，其他非簇頭節(jié)點的接收機(jī)一直處于工作狀態(tài)，以便接收來自不同簇頭的廣告包，它們根據(jù)最小通信能量原則，選取信號最強(qiáng)的廣告包的發(fā)送源節(jié)點作為自己的簇頭節(jié)點，并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點，告訴簇頭節(jié)點自己已經(jīng)加入該簇。

　　當(dāng)簇頭節(jié)點收到了來自成員節(jié)點的"報道"消息后，根據(jù)成員節(jié)點的數(shù)目，產(chǎn)生一個TDMA的時隙表，告訴成員在什么時刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個表會通過廣播到達(dá)成員節(jié)點，由于形成了簇的結(jié)構(gòu)，成員節(jié)點只與自己的簇頭節(jié)點通信，如果收到來自其他節(jié)點的消息，會自動屏蔽掉。因此不用擔(dān)心簇頭節(jié)點的時隙表被其他簇的成員錯誤接收。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的簇已經(jīng)形成，而且TD-MA時隙表也確定下來，就開始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點只能在TDMA時隙表為其分配的時隙內(nèi)與簇頭節(jié)點進(jìn)行通信。假設(shè)傳感器節(jié)點總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在屬于自己的時隙里，成員節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點。在發(fā)送階段，在自己的時隙沒有到來的時候成員節(jié)點可以關(guān)閉自己的收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點必須一直使自己的接收機(jī)處于開啟狀態(tài)，用于接收來自不同成員節(jié)點的數(shù)據(jù)。當(dāng)一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，簇頭節(jié)點會進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，將多個數(shù)據(jù)融合成一個數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時間以后，網(wǎng)絡(luò)開始進(jìn)入下一輪的工作周期。

　　LEACH協(xié)議運(yùn)用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和分層動態(tài)路由技術(shù)，通過本地的聯(lián)合工作來提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和魯棒性，通過數(shù)據(jù)融合來減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，通過隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)載均衡的目的，進(jìn)而大大節(jié)約了能量。

　　盡管LEACH協(xié)議具備以上優(yōu)點，但也存在一些不足之處。

　?。?）由于LEACH算法假定所有節(jié)點能夠與匯聚節(jié)點直接通信，并且每個節(jié)點都具備支持不同MAC協(xié)議的計算能力，因此該協(xié)議不適合在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

　　（2）LEACH算法是讓網(wǎng)絡(luò)中自組織的形成簇，由于簇頭節(jié)點是隨機(jī)產(chǎn)生的，這樣無法保證簇頭節(jié)點的合理分布。因此，很有可能出現(xiàn)被選擇的簇頭節(jié)點集中在網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的現(xiàn)象，這樣就會使得一些節(jié)點的周圍沒有任何簇。

　?。?）LEACH算法忽略了被選簇頭在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分布狀態(tài)和節(jié)點間不同的通信距離而導(dǎo)致的節(jié)點能量損耗的不平衡。

　　1.2 PEGASIS協(xié)議

　　該協(xié)議是LEACH的改進(jìn)，思想是：為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，節(jié)點只需要和她們最近的鄰居之間進(jìn)行通信。節(jié)點與匯聚點間的通信過程是輪流進(jìn)行的，當(dāng)所有節(jié)點都與匯聚點通信后，節(jié)點間再進(jìn)行新一回合的輪流進(jìn)行的。由于這種輪流通信機(jī)制使得能量消耗能夠統(tǒng)一的分布到每個節(jié)點上，因此降低了整個傳輸所需要消耗的能量。不同于LEACH的多蔟結(jié)構(gòu)，PEGASIS（Power-Efficient GAthering in Sensor InformatiON Systems）協(xié)議在傳感器節(jié)點中采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行鏈接。運(yùn)行PEGASIS協(xié)議時每個節(jié)點首先利用信號的強(qiáng)度來衡量其所有鄰居節(jié)點距離的遠(yuǎn)近，在確定其最近鄰居的同時調(diào)整發(fā)送信號的強(qiáng)度以便只有這個鄰居能夠聽到。其次，鏈中每個節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送忽然接受數(shù)據(jù)，并且只選擇一個節(jié)點作為鏈?zhǔn)紫騾R聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)以點對點的方式傳遞、融合，并最終被送到匯聚節(jié)點

　　在PEGASIS算法中，"鏈"的形成過程是整個通信的關(guān)鍵。"鏈"的形成采用的方法是：節(jié)點發(fā)送能量遞減的測試信號通過監(jiān)測應(yīng)答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點。通過這種方式，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點能夠了解彼此的位置關(guān)系，找到自己的鄰居節(jié)點，每一輪通信中節(jié)點只需要與自己的鄰居節(jié)點進(jìn)行通信。為確保每個節(jié)點都有其相鄰節(jié)點，從離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點開始構(gòu)建，鏈中鄰居節(jié)點的距離會逐漸增大，因為已經(jīng)在鏈中的節(jié)點不能被再次訪問。依次下去，最終形成一條包含網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的鏈。

　　當(dāng)節(jié)點鏈形成并且選舉出領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點后，就開始了數(shù)據(jù)傳輸過程。PEGASIS中的數(shù)據(jù)傳輸使用Token（令牌）機(jī)制，如圖1所示。Token很小，故能耗較少。在一輪通信中，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點用Token控制數(shù)據(jù)從鏈尾開始傳輸。圖中，C2為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，將Token沿著鏈傳給C0,Co傳數(shù)據(jù)給C1,C1將C0數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后形成一個相同長度的數(shù)據(jù)包，再傳給C2.然后，C2將Token傳給C4,C2以相同的方式接收來自C3,C4的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在C2處進(jìn)行融合后，發(fā)給基站。

?

?
　　PEGASIS是在LEACH基礎(chǔ)上建立的路由協(xié)議，PEGASIS比LEACH節(jié)省能量主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）在本地數(shù)據(jù)聚合階段，PEGASIS算法中每個節(jié)點只與離自己最近的鄰居節(jié)點進(jìn)行通信，而不是像LEACH算法一樣需要與簇頭節(jié)點進(jìn)行通信，PEGAS-IS算法大大減小了每輪通信中每個節(jié)點的通信距離，從而降低了每個節(jié)點在每一輪通信中所消耗的能量。

　?。?）LEACH算法中，一個簇頭要接收多個簇成員節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，而PEGASIS算法中，一個領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點最多只需要接收2個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。

　?。?）在每一輪通信中，PEGASIS算法只有1個領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點與基站通信，而LEACH中則有多個簇頭節(jié)點與基站通信。PEGASIS也存在一些不足之處：節(jié)點維護(hù)位置信息（相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ┬枰~外的資源，在網(wǎng)絡(luò)全局信息比較難以獲得的情況下就不合適了，而且領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的惟一性使得其成為整個通信過程的瓶頸。