认知无线传感器网络分簇路由协议综述.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.15M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第 39 卷第 11 期 2018 年 11 月通信学报 Journal on Communications Vol.39 No.11 November 2018 认知无线传感器网络分簇路由协议综述（1. 东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012；2. 吉林大学通信工程学院，吉林长春 130012）王继红 1，石文孝 2 摘要：路由协议能实现认知无线传感器网络（CRSN, cognitive radio sensor network）内部感知数据的有效汇聚传输，尤其是分簇路由协议能进一步降低路由选择的复杂度、提升网络可扩展性，对整体网络性能至关重要。因此，针对 CRSN 分簇路由协议进行综述研究。首先，在简要介绍 CRSN 分簇概念和优势的基础上，阐述 CRSN 分簇算法设计考虑的主要因素。其次，探讨 CRSN 分簇路由协议设计面临的挑战及应遵循的基本设计原则。再次，系统的分析和总结 CRSN 分簇路由协议的研究现状。最后，指出 CRSN 分簇路由协议研究中亟待解决的问题及未来的研究方向。关键词：认知无线传感器网络；分簇；路由协议；信道分配；跨层中图分类号：TP393 文献标识码：A doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2018244 Survey on cluster-based routing protocols for cognitive radio sensor networks WANG Jihong1, SHI Wenxiao2 1. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China 2. College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China Abstract: Routing protocols could achieve efficient convergecast transmission of sensed data in cognitive radio sensor network (CRSN), and it is of vital importance for the whole network performance. In particular, cluster-based routing protocols could further lower routing selection complexity and improve scalability. Therefore, an overview of clus- ter-based routing protocols for CRSN was provided. Firstly, after a brief introduction to the concept and advantages of clustering in CRSN, the major factors concerning clustering algorithm design were pointed out. Secondly, the challenges faced by routing protocol design in CRSN and basic design principles were explored. Thirdly, the previous work of clus- ter-based routing protocols for CRSN was systematically analyzed and summarized. Finally, issues that require urgent solutions and future research directions were suggested. Key words: cognitive radio sensor network, clustering, routing protocol, channel assignment, cross-layer 1 引言无线传感器网络（WSN, wireless sensor net- work）是由随机部署在监控区域内的大量传感器节点组成。这些节点计算和存储能力受限，且通常由电池供电[1]。WSN 与蓝牙、Wi-Fi、Zigbee 等通信技术共享非授权频段。研究表明这种共享方式会产生频谱资源短缺等问题，严重影响 WSN 收稿日期：2018−02−01；修回日期：2018−06−22 的性能[2]。认知无线电（CR, cognitive radio）技术允许节点感知主用户（PU, primary user）在某个特定的时间或位置处未使用的频谱部分（即频谱空洞），并在不干扰 PU 通信的情况下，以机会的方式利用频谱空洞提升频谱利用率和通信性能[3-4]。因此，对 CR 技术与 WSN 进行智能联合，克服日益凸显的频谱资源短缺问题，传统 WSN 正逐步向认知无线传感器网络（CRSN, cognitive radio 2018244-1

第 11 期王继红等：认知无线传感器网络分簇路由协议综述 ·157· sensor network）演进。 CRSN 是由认知无线传感器节点构成的分布式网络。这些节点感知事件信号，在可用频带内以多跳通信方式动态、协作地向汇聚节点（sink）传递感知数据，满足特定应用的服务质量（QoS, quality of service）要求[5-6]。感知数据的汇聚传输需要路由协议为其选取稳定的、资源丰富的路径，因此路由协议设计对 CRSN 整体性能至关重要。 WSN 与 CR 技术的智能联合对 CRSN 网络协议的设计，尤其是路由协议设计，提出了严峻的挑战。针对传统 WSN 或 CR 网络（ CRN, cognitive radio network）提出的路由协议都无法直接应用于 CRSN。传统 WSN 路由协议通常以最小化网络能耗、延长网络寿命为目标，但是没有考虑 CR 的功能与挑战；传统 CRN 路由协议聚焦于提升动态频谱环境下的网络连通性和频谱利用率，但是没有考虑节点的资源限制。另外有研究表明，与平面路由协议相比，分簇路由协议在降低路由选择复杂度、提升网络可扩展性等方面的性能更优越[7]。因此，CRSN 分簇路由协议设计成为近年来的研究热点。CRSN 分簇路由协议设计涉及分簇算法设计、簇内簇间通信的信道选择和调度及路由协议设计 3 个方面。本文探讨 CRSN 分簇路由协议设计的相关问题，具体贡献如下。 1) 分析 CRSN 分簇路由协议设计面临的挑战，包括从传统的 WSN 和 CRN 继承来的挑战及 CRSN 所特有的挑战；提出 CRSN 分簇路由协议设计应遵循的基本原则。 2) 对现有 CRSN 分簇路由协议进行详细的综述，并从分簇算法设计考虑的因素、考虑频谱可用性变化、保护 PU、跨层设计、数据通信等方面对其进行全面比较，分析总结各方面的优缺点。 3) 探讨 CRSN 分簇路由协议设计的开放性问题，以期吸引科研人员探索这一极具价值的研究方向，加速 CRSN 的实际应用。 2 CRSN 分簇相关概念及分簇算法设计考虑的因素 2.1 CRSN 分簇的基本概念分簇是一种结构化的网络拓扑管理方法，它通过对邻近的相似节点进行逻辑分组和联合来实现最小化网络能耗等特定的目标[8]。CRSN 分簇结构包括簇头（CH, cluster head）、簇成员（CM, cluster member）及网关 3 类节点，如图 1 所示，其中虚线圆圈表示簇的覆盖范围。图 1 CRSN 分簇结构传统分簇结构中，CH 是簇的领导者，负责数据聚合、信息传输及网络管理；CM 是普通的簇节点，负责感知事件、从周围环境中收集信息；网关节点是相邻簇的边缘节点，负责簇间数据中继[9]。 CRSN 中，CH 需要执行协调频谱感知、对感知结果进行融合决策及控制数据通信过程中对空闲信道的接入等额外的任务。CM 也要执行频谱感知和感知结果的汇报及检测 PU 的到达等额外的任务。网关节点仍负责相邻簇间的数据中继，但是 CRSN 网关中继操作更为复杂。需要有效的网关节点协调机制，因为相邻簇的网关节点可能工作在不同信道上。 2.2 CRSN 分簇的优势分簇将网络任务分散到各个簇并在本地范围内加以解决，为 CRSN 带来全方位性能提升。现将 CRSN 分簇的主要优势列出如下。 1) 提升网络的可扩展性和连通性。 2) 通过数据汇聚与融合减少网络业务，降低时延和开销，实现有效节能及负载均衡。 3) 降低 CRSN 节点与 PU 的同时接入相同频谱的概率，保证 PU 接入频谱的优先权。 4) 提升顽健性和容错能力，使网络能够对频谱 2018244-2

·158· 通信学报第 39 卷可用性变化、PU 到达、不可预测的节点失效等做出及时响应，方便网络拓扑管理[10]。 2.3 CRSN 分簇算法设计考虑的主要因素 1) 最优簇数簇数太多会导致建立的路由路径长，引入较高端到端时延；簇数太少会导致簇内通信距离大，高能耗的簇内通信会迅速耗尽 CH 能量，且节点间的频谱共享效率较差。因此，最优簇数是与分簇算法效率及频谱效率相关的重要参数[11]。可以以最小化网络能耗、最小化与 PU 冲突等为目标来确定 CRSN 最优簇数。 2) 分簇构建机制分簇构建机制包括：集中式/分布式分簇构建、均匀分簇/非均匀分簇构建、单跳簇/多跳簇构建及同构簇/异构簇构建等。其中，非均匀分簇指每个簇覆盖的 CM 数目不同，离 sink 越近的簇覆盖的 CM 数越少。由于分簇采用多对一的通信类型，离 sink 近的 CH 通常要执行更多的簇间分组转发，能量消耗更快，因此非均匀分簇可以有效地均衡 CH 间的能耗[12]。 3) CH 选取可以使用概率方法或权重计算与比较等方法来选取 CH。 4) 分簇算法的复杂度 CRSN 节点资源受限，要求低复杂度的分簇算法。分簇算法的复杂度最好保持恒定或随节点数呈线性变化[13]。 3 CRSN 分簇路由协议设计面临的挑战及应遵循的设计原则如前所述，针对传统的 WSN 或 CRNs 提出的分簇路由协议均无法直接应用于 CRSN[14]。本节分析阐述 CRSN 分簇路由协议设计面临的挑战及其影响，提出 CRSN 分簇路由协议设计应遵循的基本原则，具体如图 2 所示。 1) 从 WSN 继承的路由协议设计挑战 ① 节点电池能量受限。CRSN 通常使用容量受限、很难进行再充电或替换的电池为节点供电。节点电池耗尽就会停止工作，这会影响 CRSN 的正常运行甚至导致网络瘫痪。因此，要求 CRSN 路由协议设计将节能作为一个目标，在路由建立、运行、维护和重路由的过程中最小化节点能耗，延长节点及网络的寿命。 ② 节点计算能力、通信能力和存储能力受限。 CRSN 节点有限的处理器和内存容量制约了节点的计算和存储能力，加之能量受限，节点的通信距离通常为几十米至百米[15]。节点与 sink 之间的通信需要其他节点的中继辅助才能完成。节点配置只能进行半双工通信的单收发信机，在某特定时刻，节点只能选择数据发送、接收和频谱感知中的一种操作。因此，要求 CRSN 路由协议设计考虑节点的单收发信机约束，尽量简化计算与信息交换，实现轻量级的多跳路由建立、运行与维护。 ③ 节点之间存在干扰。通常将大量 CRSN 节图 2 CRSN 分簇路由协议设计面临的挑战与应遵循的设计原则 2018244-3

第 11 期王继红等：认知无线传感器网络分簇路由协议综述 ·159· 点部署在有限的监控区域内进行信息感知与收集。这些节点需要竞争信道接入机会传递感知数据，这会引起节点间的冲突与分组丢失，导致通信可靠性下降。因此，要求 CRSN 路由协议设计充分考虑节点间的干扰，利用 CR 的频谱共享功能实现有效感知数据路由。 2) 从 CRN 继承的路由协议设计挑战 ① 变化的频谱可用性及 PU 行为预测。PU 行为决定了特定时间、地点的频谱可用性，制约 CRSN 节点的可用频谱列表。PU 行为的变化会引起频谱可用性在时间与空间维度的变化，这导致 CRSN 节点转换信道甚至发起重路由。信道转换会引入时延和能量开销，重路由会加剧网络资源消耗导致网络性能下降。因此，要求 CRSN 路由协议设计考虑 PU 行为预测、智能地处理频谱可用性变化及信道转换代价，保障 PU 优先接入信道的特权，保证路由的稳定性。 ② 多信道通信问题。多信道通信中，发送节点和接收节点可能调整到不同信道上。这种情况会引发多信道隐藏终端问题和多信道“聋”问题[16]；为了充分利用频谱资源，节点的收发信机需要在不同信道之间进行转换，但是信道转换的代价是不能忽略的；在多信道网络中支持广播通信是很有挑战性的，因为一个节点的邻居可能调整到不同信道上。因此，要求 CRSN 路由协议设计能支持有效的广播通信和节点间信道协调，尽量克服多信道通信引发的相关问题。 ③ 各网络协议层之间相互关联与影响。物理层的原始网络拓扑给出节点间的物理邻接关系。节点邻接关系是数据链路层的资源分配与调度、网络层路由的基础，它决定多跳路由协议的效率。数据链路层的网络资源分配及调度决定链路带宽、传输干扰及节点间的连通关系（即逻辑网络拓扑）。链路带宽和传输干扰是网络层路由决策经常使用的度量指标。路由又决定每条链路上的负载分布，影响资源分配结果[17]。由此可见，各网络协议层之间是相互关联、相互影响的，跨层设计将是一种必然，而不是一种选择。因此，要求 CRSN 路由协议设计将独立的分层协议联合形成跨层框架，通过各协议层之间的信息交互与协作实现最优的网络性能。 3) CRSN 特有的路由协议设计挑战 ① 受限的节点资源制约 CR 功能的实现。一是单收发信机配置使得 CRSN 节点不能同时感知多条信道，降低频谱感知效率；且节点不能同时执行频谱感知和数据传输。二是能量受限使节点要控制频谱切换次数，减少信道转换带来的能耗代价。三是计算能力和存储能力受限使得节点不能支持高复杂度运算，制约频谱决策和频谱共享的优化。因此，要求 CRSN 路由协议设计综合考虑节点特性与认知循环操作，实现两者的平衡统一。 ② 满足不同应用的 QoS 要求。CRSN 的潜在应用包括室内感知应用、多媒体应用、实时监控应用及多级异构感知应用等，这些应用有不同的 QoS 要求。因此，要求 CRSN 路由协议设计具备业务区分能力，针对不同应用类型及其 QoS 要求，提供保障应用性能的路由服务。 ③ 安全性。由于 CRSN 节点与 PU 之间通常不存在协作，自私节点或恶意节点很容易在物理层、媒体接入控制（MAC, medium access control）层、网络层上发动攻击，甚至形成拒绝服务攻击。恶意节点可以通过伪造频谱感知数据或通过向信道发送大功率信号使其他 CRSN 节点感知信道为忙碌状态，从而阻止频谱的有效利用；自私节点或恶意节点可能会长时间占用授权信道不释放，从而对 PU 传输造成干扰；恶意节点可能会通过向 sink 重复发送大量数据分组，导致周围节点迅速耗尽电池能量；恶意节点也可能在网络层上伪造、篡改路由分组或数据分组，导致感知数据无法正常向 sink 汇聚或导致 sink 汇聚虚假数据。因此，要求 CRSN 路由协议利用 CRSN 节点之间的有效协作，尽量检测和规避自私节点和恶意节点，保证感知数据在 sink 处的正确有效的汇聚。 4 CRSN 分簇路由协议文献综述与分析 CRSN 中存在时间触发和事件驱动两种数据汇报模型。时间触发数据汇报中，CRSN 节点周期性地向 sink 传输感知数据；事件驱动数据汇报中，当满足关键条件或发生特定事件时，CRSN 节点向 sink 发出警示信息[18]。根据数据汇报模型，本文将 CRSN 分簇路由协议分为时间触发和事件驱动两大类分簇路由协议。根据协议的具体研究内容，每大类又细分成路由已知分簇算法、分簇已知路由协议及跨层路由协议 3 个子类。现有各 CRSN 时间触发分簇路由协议的比较总结如表 1 和表 2 所示。按照上述分类方法对 CRSN 分簇路由协议研究现状进行归类总结，得到的分类树如图 3 所示。 2018244-4

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·162· 通信学报第 39 卷图 3 CRSN 分簇路由协议研究现状总结分类树 4.1 时间触发分簇路由协议自网络部署之时起，时间触发分簇路由协议在网络中构建分簇，通过周期性的计算与通信来维护分簇，直至网络死亡为止。时间触发分簇路由协议适用于需要持续收集感知数据及数据通信信道可用性稳定的 CRSN 应用。 4.1.1 路由已知分簇算法路由已知分簇算法通常规定簇内通信采用 TDMA(time division multiple access)调度，即每个 CM 在 CH 规定的时隙内向 CH 汇报感知数据，且通常显式给出或隐式表明 CH 与 sink 之间建立了直接通信。这类算法的缺陷在于确定型路由与 CRSN 的动态特性不兼容。 CogLEACH[19] 是传统 WSN 经典分簇算法 LEACH[20] 的分布式频谱感知扩展版本。 CogLEACH 中节点使用感知到的空闲可用信道数作为 CH 概率权重，并将其与[0,1]之间产生的随机数进行比较，从而独立确定自己是否能成为 CH。 CH 向外发出簇构建通告，接收到通告的其他节点根据接收信号强度决定加入最近的簇。成员节点把感知到的数据通过分配的 TDMA 时隙传递给对应 CH，CH 聚合数据后通过 CSMA（carrier sensing multiple access）MAC 协议将聚合数据直接传给 sink。为避免相邻簇同时使用相同信道进行簇内通信，为每个簇分配唯一的直接序列扩频码。 CogLEACH 协议每轮选取的 CH 数可能多于要求的最优簇数 K，导致能量浪费。为解决这个问题，文献[21]提出集中式的分簇算法 CogLEACH-C。基站根据节点感知到的空闲可用信道数、剩余能量及位置从所有节点中选取 K 个最优 CH，并广播 CH 列表通告。CH 使用 TDMA 调度簇内传输，其他与 CogLEACH 协议相同。 LEAUCH 协议[22]使用 CogLEACH 计算节点的 CH 概率权重，且规定权重大于 0.4 的节点成为候选 CH。竞争半径内剩余能量最大的候选 CH 成为最终 CH。竞争半径概念实际上引入了非均匀分簇的思想，即离 sink 越近的节点竞争半径越小。CH 向外广播簇构建通告，与 CH 有公共信道的节点加入簇。其他与 CogLEACH 协议相同。 Fuzzy C-means 算法[23]以最小化成员节点与簇中心之间距离的平方和为目标将网络划分成 M 个簇。在各簇中，CH 的选取考虑候选节点的剩余能量、与 sink 之间的汇报信道的信噪比、与簇内其他节点间的平均路径损耗及与 sink 之间的路径损耗 4 个指标。为避免相邻簇的通信彼此干扰，OTICORIC[24] 根据认知频谱感知能力及剩余能量构建 k 跳簇并为簇内成员分配信道。具体地，CH 为有一跳邻居在簇外的成员节点优先分配固定信道；在保证 CM 的传输需求得到满足的前提下，CH 以最小化所有 2018244-7

第 11 期王继红等：认知无线传感器网络分簇路由协议综述 ·163· CM 传输所需的时隙数为目标向 CM 分配（时隙，信道）对；向有一跳邻居在簇外的成员节点仅分配时隙。 DSAC[25]通过最小化网络通信能耗来求解最优簇数 K，如式(1)所示。 K = ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ N d 3 ρ max + 0.5 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ (1) 其中，N 为网络中的节点总数，dmax 为节点的最大传输范围，ρ 为网络节点密度， ⎢ ⎥⎣ ⎦i 表示向下取整。最优簇数 K 确定后，DSAC 将网络通信能耗最小化问题等同为最小化簇成员与簇中心之间距离的平方和问题，并在组约束下进行分布式的分簇构建。共享公共信道且距离最近的节点先合并成一个簇，然后根据可用信道信息及簇间距离不断合并最近的相邻簇，直至达到最优簇数 K。 EESA-RLC[26]通过最小化网络能耗来求解最优簇数 K，这里网络能耗包括空闲频谱感知能耗、事件感知能耗、数据处理能耗及网络通信能耗。求解出的最优簇数 K 如式(2)所示。 K = 3( E ss + E log NE S 4 am E + + cs 2 E ec + E th ) (2) 其中，N 为网络中的节点总数，S 为网络面积，Eam、 Ess、Elog、Ecs、Eec、Eth 分别为簇内通信时功率放大器每比特能耗、事件感知每比特能耗、数据记录每比特能耗、信道感知每比特能耗、电子电路每比特能耗及将数据分组传递给相邻 CH 或基站的能耗。但是，由于 Eth 没有确定值，无法直接根据上式计算最优簇数 K。 EESA-RLC 采用集中式方式由基站根据节点的归一化剩余能量比、感知到的归一化空闲信道数及要求的 CH 比例选取 CH。EESA-RLC 将每个普通节点的最优 CH 选取问题构建为马尔可夫决策过程，使用 Q 学习算法为节点选取最优 CH。CH 规定感知信道集合、控制 CM 对授权信道的接入及数据通信。CH 能量耗尽后，从 CM 中选取新的 CH，防止频繁的簇重构。 ABCC[27]将 CRSN 分簇构建视为最小化 CRSN 中所有节点的平均通信能耗及节点剩余能量的标准差问题。使用认知驱动的人工蜂群分簇算法求解最优簇数及簇头分配。CRSN 节点与最近的 CH 连接实现感知数据的汇报传输。现有 CRSN 路由已知分簇算法均是在传统 WSN 分簇算法基础上考虑 CR 特性的简单优化。 CogLEACH、CogLEACH-C 和 LEAUCH 均为概率分簇算法。概率分簇算法的性能取决于产生的随机数，通常无法达到良好的分簇效果。其中，LEAUCH 是目前唯一基于非均匀分簇思想的 CRSN 分簇路由协议，然而，体现其思想的关键参数 c 和 0 cR 需要根据具体的应用和网络条件进行配置[28]。这是很有挑战性的工作，需要进行更为深入的研究。Fuzzy C-means 是聚类分簇算法，从分簇构建角度来说， Fuzzy C-means 仍属于集中式。sink 需要收集网络中所有节点的相关信息，这制约了网络的可扩展性且容易引发单点失效等问题。OTICORIC 建立 k 跳簇并为簇内节点通信分配（时隙，信道）对。但是，跳数 k 与网络性能之间的关系及最优 k 值选取等问题仍需进一步探讨。DSAC、EESA-RLC 及 ABCC 都求解了最优簇数 K，区别在于目标函数不同。但是，这 3 种协议在簇间通信能耗建模时均假设所有 CH 都能一跳或最多需要一次中继就可接入 sink。实际的大规模 CRSN 通常采用多跳簇间通信场景，导致这些结果无法应用。另外，在求解最优簇数时，这 3 种协议继承传统 WSN 最优簇数求解的思路，没有考虑 CR 带来的频谱可用性约束及具体应用的 QoS 要求。 4.1.2 分簇已知路由协议分簇已知路由协议主要研究簇内信道分配问题，当然也有兼顾簇内和簇间通信的路由协议。 R-coefficient-based CA[29-30]和 FOA-based CA[31] 均是在假定分簇已经构建完成的条件下提出的簇内信道分配方案。R-coefficient-based CA 引入 R 因子用来表示节点的预测剩余能量，以最大化所有(节点，信道)对的 R 因子之和为目标来分配信道。 FOA-based CA 使用果蝇优化算法执行簇内信道分配以最大化所有节点的剩余能量。假设分簇已经构建完成，CR-CEA[32]根据节点与 sink 间的欧氏距离、到 sink 的跳数距离及剩余能量实现分布式的逐跳路由与信道选择，即不断选取下一跳 CH 及对应的发送信道。 R-coefficient-based CA 和 FOA-based CA 均是针对单个簇提出的 CH 集中式信道分配方案，不涉及具体的分簇机制。实际上，CH 通常采用 TDMA 在不同时隙调度 CM，因此应尽量为簇内所有节点分配相同信道，减少 CH 在不同信道间频繁转换引 2018244-8

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