無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇路由協(xié)議分析*

［韓昊哲 孫澤華］

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無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇路由協(xié)議分析*

［韓昊哲 孫澤華］

摘要

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了一種新型的網(wǎng)絡(luò)模式——無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由已無(wú)法適用于這種新型的網(wǎng)絡(luò)，必須結(jié)合兩者特性重新設(shè)計(jì)適用于無(wú)線認(rèn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。分簇型路由協(xié)議具有拓?fù)涔芾矸奖悖芰坷寐矢咔矣欣跀?shù)據(jù)的融合與傳輸處理，因此無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議采用分簇的方法成了國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。文章對(duì)無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)以及近幾年無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇路由協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并進(jìn)一步提出了無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 認(rèn)知無(wú)線電 無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò) 分簇路由協(xié)議

韓昊哲

男，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議 。

孫澤華

男，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61379159，61201205），重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ130513），重慶市基礎(chǔ)和前沿項(xiàng)目（CSTC2013jcyjA40020），重慶市研究生研究創(chuàng)新項(xiàng)目（CYS14149）

引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor networks,WSN)是由大量分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的具有信息監(jiān)測(cè)、采集和處理的傳感器節(jié)點(diǎn)形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)通常都部署在人跡罕至的地方，因此對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的自組織能力和使用壽命是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

目前WSN工作在無(wú)需授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)ISM(Industrial Scientific Medical,ISM)頻段，這是由很多其他成功的無(wú)線通信技術(shù)如WLAN、藍(lán)牙等共享的。研究表明，由于廣泛部署、大功率發(fā)射、大范圍覆蓋面的IEEE802.11設(shè)備以及其他專有設(shè)備都在重疊的ISM頻段工作時(shí)導(dǎo)致了各種無(wú)線設(shè)備之間產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，顯著降低WSN的性能。美國(guó)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forrester 預(yù)測(cè)，到2020 年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)跟人與人通信業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30:1。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2035 年前后，我國(guó)的WSN終端將達(dá)到數(shù)千億個(gè)；到2050 年，傳感器將在生活中無(wú)處不在。由此，可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，不久的將來(lái)，不同應(yīng)用目的(工廠監(jiān)控、智能家居、保健醫(yī)療、遠(yuǎn)程治療、災(zāi)區(qū)恢復(fù)、森林防火、污染區(qū)監(jiān)控等)的無(wú)線傳感器遍布全球，進(jìn)而由他們組成的WSN 幾乎無(wú)處不在，并且不同應(yīng)用目的的WSN 相互重疊，特別是商場(chǎng)、街道、室內(nèi)等地方。這使得WSN 的工作頻段愈發(fā)緊張，僅靠無(wú)需授權(quán)的ISM 頻段顯然無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)和WSN 的頻譜需求。

此外，傳統(tǒng)的WSN所用的頻譜在使用之前是固定分配，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的報(bào)告[2]指出，基于現(xiàn)有頻譜管理政策，絕大部分已經(jīng)分配的頻譜無(wú)論是在時(shí)間上還是空間上都利用不足，僅在15％至85％之間。因此，如何充分利用空閑的頻譜資源，提高頻譜利用率成為了人們的關(guān)注熱點(diǎn)。

由于頻譜資源的匱乏，Joseph Mimla[3]博士提出的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)（Cognitive Radio,CR），其旨在頻譜資源的再利用，使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)空閑頻譜并合理利用的能力，同時(shí)不對(duì)其他設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的研究的方向。如果將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)與無(wú)線傳感器集成在一起，它可以克服許多當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的挑戰(zhàn)。

鑒于認(rèn)知無(wú)線電能夠通過(guò)利用動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)極大地提高頻譜利用率，一些研究人員在WSN 中引入CR技術(shù)[4-7]，即在每個(gè)傳感器上都裝載一個(gè)具有認(rèn)知功能的設(shè)備，伺機(jī)利用暫未使用的頻譜段，解決WSN中的由于網(wǎng)絡(luò)資源緊缺而產(chǎn)生的問(wèn)題。表1列出了具有認(rèn)知功能的WSN絡(luò)所具有的功能。

認(rèn)知功能的加入不僅解決了現(xiàn)有WSN中存在的問(wèn)題，而且在其他性能上也有諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Sensor Network，CRSN)應(yīng)運(yùn)而生。

1　CRSN概述及其應(yīng)用

1.1CRSN網(wǎng)絡(luò)概述

CRSN是一個(gè)由數(shù)百個(gè)具有認(rèn)知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠探測(cè)事件信號(hào)，并以一種多跳的方式動(dòng)態(tài)的選擇可用頻譜段、協(xié)作地發(fā)送所收集到的信息，以滿足各種特殊的應(yīng)用需求。CRSN不但能夠緩解ISM公用頻段（如2.4GHz頻段）的擁擠狀況，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)空閑頻譜的利用率。由于節(jié)點(diǎn)選擇頻譜中的空閑信道，減少了節(jié)點(diǎn)之間因?yàn)樾诺栏?jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的沖突，因此提高的了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低了通信時(shí)延。同時(shí)，CRSN工作的授權(quán)的頻段一般都低于ISM的公用頻段，因此降低了CRSN的工作頻率，節(jié)點(diǎn)的單跳通信覆蓋范圍有所增大，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。

表1　具有認(rèn)知功能的WSN的潛在能力

CRSN的典型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1[5]，它通常由基站、主用戶、無(wú)線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。主用戶在授權(quán)頻段與基站建立連接，無(wú)線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)則以機(jī)會(huì)方式實(shí)現(xiàn)頻譜接入。根據(jù)頻譜可用情況，傳感器節(jié)點(diǎn)以機(jī)會(huì)方式將信息傳送到下一跳，最終傳輸?shù)骄哂姓J(rèn)知無(wú)線電能力的匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖1　無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.2CRSN應(yīng)用

在WSN中引入CR技術(shù)，因此CRSN在應(yīng)用領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)備管理，設(shè)備監(jiān)控和預(yù)防性維護(hù)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥衛(wèi)生，物流，目標(biāo)跟蹤，遙感勘測(cè)，智能路邊，安全，啟動(dòng)和維護(hù)復(fù)雜的系統(tǒng)，監(jiān)控室內(nèi)和室外環(huán)境等方面有很好的應(yīng)用，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（1）軍事和公共安全應(yīng)用

傳統(tǒng)WSN被用在許多軍事和公共安全中，如：①生物化學(xué)放射性和核攻擊檢測(cè)；②指揮控制；③收集戰(zhàn)斗損傷評(píng)估的信息；④戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視；⑤定位等。在戰(zhàn)場(chǎng)上或在有爭(zhēng)議的地區(qū)，對(duì)手可能會(huì)發(fā)送干擾信號(hào)干擾無(wú)線通信信道。在這種情況下，因?yàn)镃RSN擁有較大的帶寬，可以在帶寬內(nèi)切換的頻率，使用不同的頻帶，從而避免了頻帶的干擾信號(hào)。此外，某些軍事應(yīng)用需求大的帶寬，最小信道接入和通信延遲。對(duì)于這樣的應(yīng)用場(chǎng)景，CRSN可以是一個(gè)更好的選擇。

（2）醫(yī)療保健

在醫(yī)療系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程醫(yī)療，可穿戴人體感應(yīng)設(shè)備正在越來(lái)越多地使用。醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)通過(guò)在病人身上放置眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)收集病人的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)延遲和誤差很敏感，這些醫(yī)療數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)WSN擁擠的頻段上進(jìn)行傳輸時(shí)存在很大的延時(shí)和誤差，對(duì)醫(yī)療服務(wù)造成很大的困擾。使用具有認(rèn)知功能的可穿戴無(wú)線傳感器可以解決帶寬，干擾等問(wèn)題，即使在頻譜資源緊張和用頻設(shè)備擁擠的環(huán)境中，CRSN通過(guò)利用動(dòng)態(tài)頻譜管理的潛在優(yōu)勢(shì)，在空閑的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得關(guān)鍵信息的輸出更加及時(shí)可靠。

（3）家電和室內(nèi)應(yīng)用

許多潛在的和新興的室內(nèi)應(yīng)用如智能樓宇，家庭監(jiān)控系統(tǒng)，工廠自動(dòng)化，個(gè)人娛樂(lè)等都需要在一個(gè)密集的WSN環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較高的QoS。然而，在室內(nèi)區(qū)域的ISM頻段非常擁擠[10]，要實(shí)現(xiàn)可靠的通信，傳統(tǒng)WSN面臨顯著的挑戰(zhàn)。應(yīng)用CRSN不但可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，實(shí)現(xiàn)較高的QoS，使新興的室內(nèi)應(yīng)該更好的服務(wù)質(zhì)量，CRSN緩解了傳統(tǒng)的室內(nèi)WSN應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

（4）寬帶密集型應(yīng)用

多媒體應(yīng)用，如點(diǎn)播、視頻直播、音頻和靜態(tài)圖像；其他WSN的應(yīng)用，如在醫(yī)院環(huán)境中，車輛，跟蹤，監(jiān)控等，傳感器都部署在節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)密集的區(qū)域。這些應(yīng)用程序?qū)捄脱訒r(shí)的要求都很高。由于WSN資源有限，各傳感器設(shè)備對(duì)公用信道的競(jìng)爭(zhēng)，寬帶密集型應(yīng)用數(shù)據(jù)的可靠性和及時(shí)性受到一定限制。CRSN為傳感器節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)的頻譜接入，它能夠根據(jù)周圍環(huán)境條件動(dòng)態(tài)地改變接人信道，更加適用于這些帶寬密集型應(yīng)用。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用

實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用，如交通監(jiān)控、生物多樣性檢測(cè)、棲息地監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、車輛跟蹤、庫(kù)存跟蹤、災(zāi)難救援行動(dòng)，橋梁或隧道監(jiān)控等，這些實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用是高度延遲敏感并需要較高的可靠性。在多跳WSN中，當(dāng)信道狀態(tài)不佳時(shí)連接會(huì)失敗，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化并引起時(shí)延。而在CRSN中當(dāng)無(wú)線傳感器發(fā)現(xiàn)另一條空閑信道較可靠時(shí)就會(huì)跳到該信道以減少通信鏈路故障、控制信道狀態(tài)惡化所產(chǎn)生的時(shí)延。另一方面在CRSN中可以同時(shí)使用信道聚合與多信道技術(shù)來(lái)增加帶寬。此外，在CRSN中提出了許多新型的針對(duì)時(shí)延敏感的路由算法，這將進(jìn)一步對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

（6）交通和車輛網(wǎng)絡(luò)

車載WSN成為收集城市環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)模式。IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)提出了多信道運(yùn)營(yíng)的無(wú)線接入行車的環(huán)境（WAVE）。該WAVE系統(tǒng)運(yùn)行在5.9 GHz頻段上，有一個(gè)控制通道和六個(gè)服務(wù)通道。所有車輛用戶以競(jìng)爭(zhēng)的方式接入信道，并在5.9 GHz頻段上傳輸信息。但是，它仍然遭受頻譜資源不足的問(wèn)題。CRSN能夠解決該網(wǎng)絡(luò)中頻譜稀缺的問(wèn)題[11]，使用無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些公路安全協(xié)議已經(jīng)提出，但這些協(xié)議仍然有待檢驗(yàn)。

（7）無(wú)線應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)是CRSN的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，如自然災(zāi)害可能會(huì)對(duì)原有的通信基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，這時(shí)候通常需要在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)部署多個(gè)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致了各種通信設(shè)備之間的頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重影響了災(zāi)難救援的效率。CRSN由于認(rèn)知功能的加入，節(jié)點(diǎn)具有自我感知和自我協(xié)調(diào)能力，能夠在緊急情況下，動(dòng)態(tài)的進(jìn)行頻譜接入，使得頻譜資源得到充分利用，保障了應(yīng)急通信需求。

2　CRSN分簇路由協(xié)議

在CRSN中，路由協(xié)議用于發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由。CRSN的路由協(xié)議具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)镃RSN所固有的特性用于區(qū)分其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network,CRN）和WSN。CRSN中的路由協(xié)議由于主用戶的出現(xiàn)、消失、變化等因素，應(yīng)不斷地調(diào)整動(dòng)態(tài)地適應(yīng)變化。CRSN繼承了WSN中能源有限以及硬件限制的挑戰(zhàn)，因此現(xiàn)有的CRN路由協(xié)議不適用于CRSN。而傳統(tǒng)的WSN中路由協(xié)議的設(shè)計(jì)以最小化能量消耗為主要目標(biāo)，沒(méi)有考慮加入認(rèn)知帶來(lái)的動(dòng)態(tài)頻譜接入等功能，所以也不適用于CRSN。因此需要結(jié)合WSN以及CRN兩者的特性重新設(shè)計(jì)一種新的，適用于CRSN的路由協(xié)議[12]，使其能夠同時(shí)解決能源與頻譜限制的問(wèn)題。

在無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于分簇的路由方法在提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性方面特別有效[13]。在以分簇方式組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的角色分為簇首和簇成員兩種。簇首作為簇的中心負(fù)責(zé)簇結(jié)構(gòu)的建立，收集簇成員的數(shù)據(jù)，經(jīng)融合處理后發(fā)送給匯聚點(diǎn)。通常需要為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)公共控制信道，用于傳輸各種控制數(shù)據(jù)(如頻譜感知結(jié)果、頻譜分配數(shù)據(jù)、鄰居發(fā)現(xiàn)和維護(hù)信息)。在整個(gè)無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)公共控制信道是不現(xiàn)實(shí)的，但在某個(gè)特定區(qū)域卻是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，要實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)態(tài)的頻譜管理和公共控制信道分配，分簇式無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好的解決這一問(wèn)題，如圖2[5]。

圖2　分簇式CRSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1TAR[14]

TAR（Throughput Aware Routing Protocol）提出的一種工業(yè)CRSN中的分簇路由協(xié)議。每個(gè)簇有一個(gè)固定的簇頭，且該簇頭配備有額外的能量供應(yīng)，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能量還是有限的。簇頭的作用是感知可用信道并且和簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通信，其中簇頭還需要配置一個(gè)信道檢測(cè)器，這需要增加成本。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)超級(jí)幀分為三個(gè)部分，準(zhǔn)備部分 PP（Preparing Part），時(shí)間片 TS1（Time Slice 1），時(shí)間片 TS2（Time Slice 2）。在 PP 階段，簇頭通知簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)和其他簇頭節(jié)點(diǎn)關(guān)于接收通信信道；TS1 階段用于簇與簇之間的通信；TS2 階段用于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信。一個(gè)簇內(nèi)采用同一個(gè)信道進(jìn)行通信，相鄰的簇內(nèi)采取不同的信道通信，簇頭在傳輸數(shù)據(jù)到sink 節(jié)點(diǎn)過(guò)程中，下一跳簇頭的選取是基于最大吞吐量的概念來(lái)選取的。該分簇路由協(xié)議增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并且減少了端到端的時(shí)延。該算法的局限在于需要配置特殊的簇首，即簇首具有額外的能量供應(yīng)，增加了設(shè)備成本，這也導(dǎo)致了該算法只能用于特殊的場(chǎng)景中。

2.2SCR[15]

SCR(Spectrum-aware Cluster-based Routing)一種在CRSN中的頻譜感知的分簇路由協(xié)議。本文提出一種利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻譜能量等級(jí)來(lái)選擇簇首。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身剩余能量，可用信道數(shù)，可用信道時(shí)間來(lái)計(jì)算自身的頻譜能量等級(jí)和周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的頻譜能量等級(jí)。選擇自身和鄰居節(jié)點(diǎn)中頻譜能量等級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)成為簇首，控制頻譜接入和數(shù)據(jù)路由。其他節(jié)點(diǎn)選擇相鄰簇首中頻譜能量等級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)加入，成為其簇成員節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)路由采用混合TDMA和CSMA媒介，分別進(jìn)行簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸和簇間數(shù)據(jù)的傳輸。采用這種方式，允許簇內(nèi)和簇間數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，利用頻譜的多樣性以減少時(shí)延。

2.3SCEEM[16]

SCEEM （Spectrum-aware Clustering for Efficient Multimedia Routing）是一種適用于多媒體網(wǎng)路的一種路由協(xié)議。由于多媒體應(yīng)網(wǎng)絡(luò)具有延遲敏感和高寬帶流量資源且要求滿足QoS的特點(diǎn)。在SCEEM中，根據(jù)給定的場(chǎng)景來(lái)確定簇的最優(yōu)數(shù)目，傳輸功率用來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)簇?cái)?shù)的形成，以盡量減少在多媒體傳輸中由于數(shù)據(jù)包丟失和延時(shí)造成的質(zhì)量失真。在簇首數(shù)目確定的前提下，其簇首的選擇根據(jù)頻譜能量燈具來(lái)確定，數(shù)據(jù)的傳輸采用混個(gè)的TDMA和CSMA分布進(jìn)行簇內(nèi)和簇間數(shù)據(jù)傳輸。該算法具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：第一，分離了時(shí)間和多變的頻譜使得多媒體數(shù)據(jù)的正常傳輸。第二，降低了傳輸數(shù)據(jù)的失真，保證的傳輸?shù)馁|(zhì)量。第三，在保證傳輸質(zhì)量的前提下，有效提高了能量使用率。

2.4CogLEACH[17]

CogLEACH（Cognitive LEACH）提出了用半馬爾可夫開(kāi)關(guān)過(guò)程來(lái)模擬主用戶使用信道的過(guò)程。主用戶在某一信道中存在忙和閑兩種狀態(tài)，且滿足幾何分布。而在m個(gè)信道中，有n個(gè)信道可用則屬于二項(xiàng)分布，假設(shè)信道空閑的概率為pf。本文根據(jù)不同情境給出了三種模型。（1）空間和頻譜相似模型：所有的節(jié)點(diǎn)都覆蓋在主用戶區(qū)域，且主用戶占用每個(gè)信道的概率都相同，不同的主用戶都有相同的pf（2）頻譜相似模型：只有部分節(jié)點(diǎn)在主用戶的覆蓋范圍內(nèi)，主用戶占用每個(gè)信道的概率相同，不同主用戶的pf不同 （3）任意模型：只有部分節(jié)點(diǎn)在主用戶的覆蓋范圍內(nèi)，主用戶占用每個(gè)信道的概率不相同，不同主用戶的pf不同。CogLEACH其簇首的選擇是以LEACH算法簇首選擇為基礎(chǔ)，加入了頻譜認(rèn)知功能，以認(rèn)知節(jié)點(diǎn)所感知到的信道數(shù)作為權(quán)重，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率計(jì)算公式，根據(jù)提出的三種不同的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了一定的修改，得出適合該模型的簇首選擇概率公式，它是LEACH協(xié)議的頻譜感知延伸。數(shù)據(jù)傳輸階段采用幀的傳輸形式，簇內(nèi)成員使用相同的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簇間則采用DSSS進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。

2.5AdaLEACH[12]

AdaLEACH（Adaptation of LEACH）采用物理層信息以及LEACH隨機(jī)簇頭選擇的特性，提出一種簇個(gè)數(shù)最優(yōu)，簇頭位置最佳的分簇路由算法。為了保證簇形成的隨機(jī)性，同時(shí)也要保證簇首分布在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?，根?jù)兩個(gè)相鄰簇首之間的距離等，得出了一個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度閾值RSST。如果接收到鄰簇首的能量大于RSST，則該節(jié)點(diǎn)將會(huì)從候選簇首中刪除。雖然該算法的提出可以增加網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是以網(wǎng)絡(luò)前期的不穩(wěn)定性為代價(jià)的。通過(guò)考慮簇首選擇算法的能量水平可以克服網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問(wèn)題，這又導(dǎo)致了簇首分布的不佳的問(wèn)題。所以本文存在的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和簇首分布之間的矛盾是以后研究的方向。

2.6CSAC[18]&DSAC[19]

①CSAC（centralized spectrum-aware clustering）：在傳統(tǒng)K-均值聚類算法中引入集群約束（GWC）。GWC要求集群內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有共同的空閑信道，并且在物理上各個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰。該協(xié)議初始設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為單位簇，基站根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所感知到的可用信道，按照GWC建立相似矩陣進(jìn)行迭代，直到簇的數(shù)目達(dá)到一個(gè)理論分析得到的最優(yōu)值。在簇形成之后，簇首根據(jù)剩余能量最大原則在簇內(nèi)選擇。雖然該算法適用于CRSN，但是存在兩個(gè)缺陷：一方面，CH收集網(wǎng)絡(luò)范圍的節(jié)點(diǎn)的信息和BS之間進(jìn)行大規(guī)模信號(hào)交換。在實(shí)踐中，很難找到一個(gè)無(wú)線信道的CH和BS之間的直接連接中，由于這樣的連接，需要高得多的發(fā)送功率，并會(huì)對(duì)附近的主用戶產(chǎn)生干擾。另一方面，該算法具有較高的復(fù)雜度使得該算法很難施用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

②DSAC（distributed spectrum-aware clustering）：為了解決CSAC存在的缺點(diǎn)，提出了分布式的頻譜感知分簇路由算法。其基本思想與CSAC基本相同，主要不同體現(xiàn)在CSAC需要比較所有簇之間的距離尋找全局最小距離的簇進(jìn)行合并；而DSAC只需要通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)信息交互，選擇周圍最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并。具體分為三個(gè)階段：信道感知，每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知可用信道并與之間的感知結(jié)果比較；信標(biāo)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)感知的信道的結(jié)果標(biāo)注節(jié)點(diǎn)信息，如果主用戶改變，該節(jié)點(diǎn)宣布成為一個(gè)新的簇，重新分配一個(gè)ID；協(xié)調(diào)：每個(gè)簇首向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送合并請(qǐng)求，如果都兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都收到雙方的合并請(qǐng)求，則兩個(gè)簇合并為一個(gè)簇。否則，在該簇內(nèi)選擇一個(gè)新的簇首，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。

2.7ESAC[20]

大部分的分簇路由協(xié)議都是基于時(shí)間觸發(fā)型的，在文獻(xiàn)[20]中提出一種CRSN中基于事件驅(qū)動(dòng)的分簇協(xié)議ESAC（event-driven spectrum-aware clustering）。在檢測(cè)到事件發(fā)生時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)到事件發(fā)生點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)被激活成為合格節(jié)點(diǎn)。簇首根據(jù)節(jié)點(diǎn)度，可用信道，和距離sink節(jié)點(diǎn)的距離在合格節(jié)點(diǎn)中選擇。簇頭通過(guò)選擇單跳成員來(lái)最大化兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量以增加簇間連通性，兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)可由單跳鄰居在簇信道接入。簇的形成在事件發(fā)生點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)之間，簇在事件結(jié)束之后就解散。這樣減少不必要的簇的形成和維護(hù)的開(kāi)銷，大大減小了能量消耗。

3　總結(jié)與展望

近幾年，CRSN的研究受到各個(gè)國(guó)家的高度重視，對(duì)CRSN基礎(chǔ)協(xié)議的研究成了各個(gè)國(guó)家研究的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，而路由協(xié)議則是CRSN其它協(xié)議研究的前提條件，也是其核心技術(shù)之一。采用分簇型的路由是目前CRSN路由協(xié)議研究的重點(diǎn)。本文對(duì)CRSN進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹以及近幾年關(guān)于CRSN中的分簇路由協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。越來(lái)越多的研究者投入到CRSN的研究中，但其仍然處于研究的初期階段，存在很多理論和工程方面需要解決的問(wèn)題。相信隨著研究的不斷深入，CRSN在我們的生活中將會(huì)得到更廣泛地應(yīng)用。

在今后的研究中，還應(yīng)該加強(qiáng)協(xié)議的實(shí)用性。大多數(shù)路由算法在模擬環(huán)境中性能表現(xiàn)很好,但是運(yùn)用到實(shí)際環(huán)境中性能就差強(qiáng)人意。在以后的研究中，我們應(yīng)該注重理論性與實(shí)踐性的相結(jié)合，使得在模擬環(huán)境中表現(xiàn)良好的協(xié)議可以更多的運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中。此外，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能也可以考慮將網(wǎng)絡(luò)層與MAC層相結(jié)合，用跨層技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)能耗的最優(yōu)化是將來(lái)研究的方向。

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收稿日期：（2015-12-24）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.008