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)

在IOT 在系统架构中，WSN 在 IOT 在感知层网络中发挥着极其重要的作用，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。

(1) 节能 由于网络中节点电池供电的特点，路由协议应重点研究节能问题，以更少的能耗完成更多的任务，从而延长网络生存周期。 (2) 时延

延迟是指节点发送信息和获取网络反馈所花费的时间。一些应用程序需要网络实时响应，但路由协议是导致网络延迟的重要因素，因此延迟问题应集中在设计 (3) 可扩展性 网络动态拓扑的特点要求网络中的路由协议具有适应变化和扩展的能力，使路由协议在网络变化时能够正常工作。 (4) 高可靠性 无线传感器网络中的节点通常分布在人迹罕至的地方。一旦节点出现故障，就很难维护。因此，路由协议也应从网络可靠性开始，以确保网络的高强度。 (5) 安全性 由于无线传感器网络的动态拓扑和无线通道的不确定性，其路由协议很容易受到外部恶意攻击，因此需要为特定应用程序设计安全路由，以确保信息数据的安全。

• 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。

  收集数据后，源传感器节点将数据包发送到中间节点，直到数据包到达与互联网相连的基站。

  缺点：当网络规模增加时，数据在传输过程中的丢包率会增加，节点的功耗也会增加（因为除了作为源节点外，还需要作为中间节点向其他源节点传输数据），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。WSN它将被分成几个簇，每个簇都有一个簇头，即高端节点和几个簇内成员，即低端节点（相当于一个家庭）。

  低端传感器节点用于收集数据，但不能与其他传感器节点通信。它可以通过单跳将收集到的数据包直接发送到相邻的簇或基站。

  因此，这种分层方会比较Ad-Hoc WSN在能耗、网络延迟等方面更好。

本项目主要研究分层无线传感器网络，不考虑传统网络Ad-Hoc无线传感器网络

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.

本协议的操作按轮进行，即一轮进行。每轮可分为两个阶段：簇建立阶段和数据稳定传输阶段。

在簇建立阶段，首先生成每个节点的随机数，并与预先计算的阈值进行比较，然后选择满足阈值范围的节点设置为簇头。

初步理解：每一轮都会有簇建立阶段，这样做的好处之一就是每个节点都有机会成为簇头，因为CH是需要相比CM能耗增加，有利于均匀分配 能量负载，而不仅仅是让某个节点永远存在CH巨大的能耗难以承受。

(这一轮你当族长消耗更多精力，下一轮我当族长消耗更多精力，负荷均衡)

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

初步理解：CH先通知每一个CM数据传输时间段的分配。CM不在时间段，可以休眠以节约能耗。到了这个时间段，你可以给簇头发 收集到的数据包。

不足: 由于静态簇头比例和簇半径设置，以及随机选举簇头的不确定性，LEACH 该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差。

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.

该算法将所有节点分成一条链，然后选择一个簇首节点。

链形成：所有节点通过广播功率信号知道最近的节点，使用贪婪算法，最远的节点作为链的开始，然后找到最近的节点作为下一个节点，链节点不能重复选择，等等，直到链包含网络中的所有节点。然后选择簇的第一个节点。

稳定传输阶段：链中的普通节点将收集到的信息传输到下一个跳跃节点，然后下一个跳跃节点将数据与自己的数据集成到下一个跳跃节点，等等，最后将所有数据集成到基站，直到节点死亡，然后进入下一个链形成阶段。

相比LEACH协议:对于某个节点，只与最近的邻居节点进行通信，每个周期只有一个簇首节点，降低了能耗，延长了网络的生存时间。

不足：

• 在大规模网络中使用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；
• 拓扑结构变化很大，不易管理，会带来更多的能源开支。

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LEACH建立协议中的簇阶段 选择节点作为簇头的算法

它通过设置两个主参数和次参数来选择簇首节点。主参数根据节点的剩余能量确定初始簇首节点的集合，将节点能量分为几个等级。节点的剩余能量越大，等级越高，就越容易成为簇首节点；次参数根据簇内的通信费用为每个簇首节点分配簇成员节点，并试图达到簇首节点负载平衡的目的，

HEED 算法减少了簇首节点选择的迭代次数，加快了簇的速度，减少了网络成本，实现了簇首节点均匀分布的目的

缺点：在选择簇成员的过程中，很容易选择成员作为簇首节点，广播节点的频繁开支很容易增加系统能耗。

(这两个是别人自己提出的，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].2020年武汉科技大学.DOI:10.27380/d.cnki.gwkju.2020.000588.

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

一种动态节点的能量优化的路由协议

改进：

• 设置了临界簇首数目来避免数据丢失
• 加入了移动因子来继续改进簇头选举阈值公式
• 计算了通信代价值来让节点选择合适的簇头加入。

MERP 协议不仅在数据消息延迟和数据丢失方面，而且在降低能耗和网络生存周期方面，都取得了有效的改善。