一種不規(guī)則無線傳感器網(wǎng)絡能量有效路由算法研究

摘要：由于無線傳感器網(wǎng)絡具有能量有限的特點，如何高效地使用能源已成為人們研究的熱點。本文提出了一種不規(guī)則無線傳感器網(wǎng)線能量有效的路由算法。在該算法中，內(nèi)環(huán)節(jié)點直接與基站進行通信；外環(huán)節(jié)點按照上述有向環(huán)形理論模型形成一個有序的區(qū)域梯隊，把鄰節(jié)點等級值、鄰節(jié)點的當前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點之間的距離作為選擇下一接收節(jié)點的共同參考值，使數(shù)據(jù)能夠按照一條最佳的路徑朝基站這一固定的方向進行傳輸，減小不必要的開銷，達到節(jié)約能量、提高能源效率的目標，最終延長網(wǎng)絡的生命周期。

關鍵詞：不規(guī)則；分層；有向環(huán)形；能量有效

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0260-02

無線傳感器網(wǎng)絡是信息感知和采集的一場革命，在新一代網(wǎng)絡中的作用非常關鍵，已成為國際競爭的制高點。傳感器節(jié)點體積微小，主要通過自身攜帶的電池供電，因此它的電源能量、通信能力、計算能力及存儲能力都是非常有限的。在無線傳感器網(wǎng)絡各項技術中，最為核心的技術挑戰(zhàn)是如何降低能耗、延長網(wǎng)絡使用壽命，因為能源是傳感器節(jié)點稀缺而寶貴的資源。為了提高網(wǎng)絡的能量有效性，廣大的研究工作者在節(jié)點的硬件設計、MAC協(xié)議及路由協(xié)議設計方面做了廣泛的工作，尤其以路由協(xié)議為重。路由協(xié)議的目的是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立可靠的路由，保證數(shù)據(jù)的傳輸[1]。根據(jù)算法所采用的理論模型，無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議主要有兩類： 平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議[2]。

為了提高網(wǎng)絡的能量有效性，廣大的研究工作者在基于分簇的思想上提出了許多改進的算。文獻[3]提出了DDCH算，利用“能量核”選擇一條自源節(jié)點到目的節(jié)點的局部最短路徑來進行數(shù)據(jù)的傳輸。該算法具有較低的時間復雜度和較好的可擴展性。文獻[4]提出了DEEC算法，算法中引入了休眠機制，簇頭之間通過建立路由樹以多跳方式將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)根節(jié)點發(fā)送到sink節(jié)點。該算法各節(jié)點的角色劃分非常細致，需要增加許多額外的能量消耗，使算法變得復雜。文獻[5]對最小ID分簇算法進行了改進，但難于找到一個最佳的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)，且各節(jié)點的發(fā)射功率不同，導致節(jié)點的能量消耗也不相同，進一步加劇網(wǎng)絡的不規(guī)則性。文獻[6]提出了一種節(jié)能的分簇路由算法，采用虛擬的矩形分層模型，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠邢蛐浴Ｎ墨I[7]提出了一種非均勻的節(jié)點部署算法，采用圓環(huán)形理論模型，采用節(jié)點部署方法來改善網(wǎng)絡的不規(guī)則性。文獻[8]提出的PAB算法是一個功率可調(diào)節(jié)的算法，由于是在動態(tài)調(diào)整功率的網(wǎng)絡中使用剪裁算法，需要發(fā)送節(jié)點在數(shù)據(jù)包頭中添加發(fā)送節(jié)點的功率，具有一定的通信開銷。文獻[9]提出的EFB算法是一個基于傳輸范圍覆蓋的算法，在密度較大網(wǎng)絡中具有較好的性能，而在較稀疏的網(wǎng)絡中，由于只使用了部分鄰居節(jié)點信息，減少的冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點并不顯著。

本文綜合了以上算法的優(yōu)點，以無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點分布不均勻?qū)е戮W(wǎng)絡中的能量消耗不均衡、網(wǎng)絡生命周期縮短等特點為研究背景，利用節(jié)點的定位、有向搜索路徑、分簇并在簇內(nèi)及簇間進行數(shù)據(jù)融合等技術，提出了一種不規(guī)則無線傳感器網(wǎng)線能量有效的路由算法。其基本思想是通過相對地理位置建立分層有向環(huán)形模型，采用單跳通信和多跳通信相結合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，從而更好地提高能量的使用效率，使網(wǎng)絡的能量消耗趨于均衡，最終達到延長網(wǎng)絡生命周期的目標。

1 一種不規(guī)則無線傳感器網(wǎng)絡能量有效路由算法

（1） 分層環(huán)形模型的建立

首先，基站以一個較小的額定功率發(fā)射一段信號，接收到信號的節(jié)點為距離基站較近的節(jié)點，可采用單跳傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ街苯优c基站進行通信，其余的節(jié)點劃分為第二層次，采用分簇、多跳短距離傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ脚c基站進行通信。第二層次節(jié)點主動向基站發(fā)送自身的當前剩余能量及相對地理位置等信息，基站提取這些信息并依據(jù)最優(yōu)分簇數(shù)劃分對應的分簇，選擇最優(yōu)的簇頭節(jié)點并對其進行通告，然后將每個節(jié)點的區(qū)域標識發(fā)送給其余節(jié)點。這樣各節(jié)點只要在網(wǎng)絡的初始建立階段與基站進行一次通信就能夠?qū)⒎謱迎h(huán)形理論模型的層次劃分好，如圖1所示，簡化了初始階段的工作任務并節(jié)約了內(nèi)層環(huán)形節(jié)點的能量，減少了與基站通信的節(jié)點數(shù)量，從而減小了數(shù)據(jù)的延時，有效的節(jié)約能量，提高能源的利用效率。

（2） 分層有向環(huán)形模型的建立

對于傳輸距離大于節(jié)點通信半徑R0的第二層次節(jié)點，設定固定的變量d0，每相隔一個單位的d0節(jié)點的等級值自動增加1，如圖2所示，在環(huán)1和環(huán)2之間的節(jié)點其等級值為1，在環(huán)2和環(huán)3之間的節(jié)點等級值為2，依此類推……形成一個存在一定梯度關系的環(huán)。數(shù)據(jù)傳輸時總是傳向一個等級值比自己低的節(jié)點，這樣能夠使數(shù)據(jù)的傳輸沿一個固定的方向傳向基站，從而達到節(jié)約資源、延長網(wǎng)絡生命周期的目的。

（3） 數(shù)據(jù)通信

在該算法中，內(nèi)環(huán)節(jié)點直接與基站進行通信；外環(huán)節(jié)點按照上述有向環(huán)形理論模型形成一個有層次的環(huán)，環(huán)內(nèi)根據(jù)通信半徑進行分簇，在每個簇頭節(jié)點內(nèi)建立一張鄰居節(jié)點的路由信息表，如表1所示：

把鄰節(jié)點等級值、鄰節(jié)點的當前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點之間的距離作為選擇下一接收節(jié)點的共同參考值，使數(shù)據(jù)能夠按照一條最佳的路徑朝基站這一固定的方向進行傳輸，減小不必要的開銷，達到節(jié)約能量、提高能源效率的目標，最終延長網(wǎng)絡的生命周期。

2 仿真實驗及性能分析

由200個傳感器節(jié)點組成，節(jié)點隨機分布在被監(jiān)測區(qū)域面積大小為100m×100m的區(qū)域內(nèi)。節(jié)點初始能量1.5J，數(shù)據(jù)包長度500Bytes，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗為50nJ/bit。

圖3的實驗結果表明由于本文所提出的算法第一個節(jié)點的死亡時間比基于LEACH的固定聚類路由算法有明顯的延遲，節(jié)點全部死亡的時間也有明顯的延遲。

圖3的實驗結果表明由于本文所提出的算法的能量有效率相對于基于LEACH的固定聚類路由 算法來說有一定的提高。

因此，本文中所提出的算能更有效的延長網(wǎng)絡的生命周期，使能量的消耗更加均勻地分配到所有節(jié)點，達到節(jié)約能量、提高能源效率的目標，最終延長了網(wǎng)絡的生命周期。

3 結論

本文所提出的一種不規(guī)則無線傳感器網(wǎng)絡能量有效路由算法，主要考慮了無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點分布不均勻?qū)е戮W(wǎng)絡中的能量消耗不均衡、數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)無序性的特點，采用分層有向環(huán)形模型，數(shù)據(jù)傳輸引入鄰節(jié)點等級值、鄰節(jié)點的當前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點之間的距離作為參考依據(jù)。該算法有效地提高了能源的利用效率，達到了延長網(wǎng)絡生命周期的目標。

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