数能一体化物联网感知层路由协议研究

名词解释

物联网：Internet of Things (IOT) 无线传感网络：Wireless Sensor Network (WSN)

簇：Cluster 簇头：ClusterHead (CH) 簇内成员：ClusterMember (CM)

IOT与WSN

在IOT 体系架构中，WSN 在 IOT 的感知层网络中扮演着极其重要的地位，IOT 通过 WSN 等进行底层数据的采集和处理，并将该信息经上层网关汇聚至网络融合体系，最后再由上层网络传输至用户终端，进而实现万物互联的功能。

典型的IOT系统一般分为三层：应用层、网络层和感知层。感知层由多种同构和异构感应元件组成。

WSN通常由传感器节点、基站和管理节点组成。传感器节点通常使用自组织、多跳的方式相互通信，来自传感器节点的数据遍历一个或多个节点以到达目的地。这样，数据可以到达传感器自身无线传输范围之外的目的地。

针对IOT中的WSN ，路由协议的设计目标

(1) 节能
因网络中节点电池供电的特性，路由协议在设计时应重点围绕节能问题展开研究，以更少的能量消耗来完成更多的任务，从而延长网络生存周期。
(2) 时延

时延是指节点发送出信息和得到网络回馈所花费的时间。有些应用需要网络做出实时的反应，然而路由协议是造成网络延迟的一个重要因素，故设计时应重点考虑时延问题。
(3) 可扩展性
网络动态拓扑的特点要求网络中路由协议应具有适应变化的能力和可扩展的能力，进而使路由协议可以在网络发生变化时也能正常工作。
(4) 高可靠性
无线传感器网络中的节点常分布于人迹罕至的地点，一旦节点发生故障则很难得到维护，因此路由协议在设计时还应从网络可靠性入手，从而保证网络较高的健壮性。
(5) 安全性
由于无线传感器网络动态拓扑和无线信道等不确定特性，其路由协议极易受到外界的恶意攻击，因此需针对特定的应用设计安全路由，以保证信息数据的安全性。

WSN目前有两种流行的体系结构

传统的Ad-Hoc无线传感器网络

单层的平面结构，每个传感器节点之间都可以相互通信，都可以充当路由器，都可以使用存储转发和多跳到基站。

源传感器节点收集到数据后，会将数据包发送到中间节点，在发送到另一个中间节点，直到数据包到达与互联网相连接的基站。

缺点：当网络规模增大后，数据在传输过程中的丢包率会增大，节点的功耗也会变大（因为除了自己作为源节点还需要充当中间节点给其他源节点传送数据嘛），同时网络延迟也会增加。
分层无线传感器网络

分为两层，一层低端节点层，一层高端节点层。在这个架构中，WSN会分成若干个簇，每个簇有一个簇头即高端节点和若干个簇内成员即低端节点（相当于一个家族）。

低端传感器节点用来收集数据，但不能与其他传感器节点通信。它可以将收集到的数据包通过单跳直接发到所属的簇头，簇头再将其发送到相邻的簇头或者基站。

所以这种分层的方式会比Ad-Hoc WSN在能耗、网络延迟等方面更加良好。

主要的路由协议

我们项目主要研究分层无线传感器网络，暂不考虑传统的Ad-Hoc无线传感器网络

目前主要的几个路由协议

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

W. Neji, S. B. Othman and H. Sakli, “T-LEACH: Threshold sensitive Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy for Wireless Sensor Networks,” 2020 20th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA), 2020, pp. 336-342, doi: 10.1109/STA50679.2020.9329354.

这个协议的操作是按轮为单位进行，也就是一轮轮进行。每轮可以分为两个阶段：簇建立阶段和数据稳定传输阶段。

簇建立阶段时，首先每个节点生成一个随机数，并与事先计算的一个阈值进行比较，然后就会选择满足阈值范围里的节点设置为所在簇的簇头。

? 初步理解：每轮都会有簇建立阶段，这有个好处就是每个节点都有机会成为簇头，因为CH是需要相比CM花费更多的能耗，这样可以有利于均匀分配能量负载，而不是只让某一个节点一直当CH而被消耗难以承担的巨大能耗。

? （这一轮你当族长消耗更多的精力，下一轮我来当族长消耗更多的精力，负载均衡）

数据稳定传输阶段：CH使用时分多址机制( TDMA) 接收CM发送的数据包。

? 初步理解：CH会先告知每个CM其分配的数据传输时间段。当CM不在其时间段时，可进行休眠状态来节省能耗。到了这个时间段，就可以给簇头发送收集到的数据包。

不足: 由于静态的簇头比率和簇半径设置，以及随机选举簇头的不确定机制，LEACH 协议缺乏对节点位置和剩余能量的考虑，导致网络稳定性和生存周期较差。

PEGASIS（Power-efficient gathering in sensor information systems）

S. Lindsey and C. S. Raghavendra, “PEGASIS: Power-efficient gathering in sensor information systems,” Proceedings, IEEE Aerospace Conference, 2002, pp. 3-3, doi: 10.1109/AERO.2002.1035242.

这个算法是将所有的节点划分到一条链上再选出一个簇首节点。

链的形成：所有节点靠广播功率信号来获知距离自己最近的节点，采用贪婪算法，将距离基站最远的节点看做链的起始段，再去寻找距离该节点最近的节点作为下一个节点，且已经入链的节点不能被重复选用，依次类推，直到该链包含网络中全部的节点。然后再选取出簇首节点。

稳定传输阶段：链内普通节点将收集到的信息传输给自己的下一跳节点，之后下一跳节点把数据与自己的数据进行融合处理后发送给自己的下一跳节点，依次类推，最后由簇首节点将所有数据融合处理后发送到基站，直到有节点死亡，那就进入下一轮链的形成阶段。

相比LEACH协议：对于某一个节点来说，只与最近的邻居节点进行通信，而且每一个周期都只有唯一一个簇首节点，因此它降低了能耗，延长了网络的存活时间。

不足：

应用于大规模网络中容易导致节点过早死亡；
在节点数量较多的情况下，容易引入不必要的延迟；
拓扑结构变化较大，不易于管理，且会带来更多的能量开销。

HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering）

O. Younis and S. Fahmy, “HEED: a hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for ad hoc sensor networks,” in IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 3, no. 4, pp. 366-379, Oct.-Dec. 2004, doi: 10.1109/TMC.2004.41.

主要是改进了LEACH协议中的簇建立阶段节点被选取为簇头的算法

其通过设置两个主、次参数来选取出簇首节点。主参数根据节点的剩余能量来确定初始簇首节点集合，将节点能量分为若干个等级，节点剩余能量越大，等级越高，越容易成为簇首节点；次参数根据簇内通信开销来为每个簇首节点分配簇成员节点，并设法达到簇首节点负载均衡的目的，

HEED 算法减少了簇首节点选取的迭代次数，加快了分簇的速度，网络开销少，且对簇首节点也实现了均匀化分布的目的

不足：在簇成员选取过程中易出现成员选取成员作为簇首节点的情况，且经常广播节点开销的方式容易增加系统能耗。

基于LEACH协议改进的算法

（这两个是人家自己提出的，可以考虑作为我们的）

[1]胡子健. 基于能量优化的物联网感知层路由协议的改进[D].武汉科技大学,2020.DOI:10.27380/d.cnki.gwkju.2020.000588.

SERP (Stationary-node Energy-based Routing Protocol)

一种静态节点的能量优化的路由协议

设置动态的簇半径和最优簇头比率，并改进了簇头选举阈值公式

将静态的簇头比率 p 转变为基于最低能耗计算的动态的簇头比率 p ，可以使网络簇头数目更加合理。
使用节点剩余能量和邻居节点密度等多种因子改进簇头选举阈值，令网络拓扑的稳定性得以保持。
- 选取动态的簇半径进行分簇，能够满足分簇时网络的实际需求

SERP 协议具有能量消耗较低，网络生存周期长，数据传输稳定、吞吐量大的特点。

当用作动态节点的路由协议时的不足：

由于节点产生了运动性，节点移动的物联网感知层网络中还要额外考虑数据丢失等情况的发生。
在簇头选举阶段，除了节点的位置和能量还会继续影响簇头的选举，节点相对其它节点的运动剧烈程度也成为一个重要的影响因子。
在节点移动的物联网感知层网络中，节点的移动性会造成网络拓扑结构在时刻发生着变化，因此节点静止的物联网感知层网络中的路由协议中部分算法会失去其有效性。例如簇半径的选择机制等