基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

【摘要】路由選擇對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間會產(chǎn)生直接的影響，因此需要重視新型路由算法的研究和分析，并且從能量均衡的無線傳感器原理出發(fā)。本文主要提出一種新型的WSN路由算法，通過將前向區(qū)域劃分為幾個子區(qū)域的方式，然后選擇能量方差最小的區(qū)域作為路由算法選擇的區(qū)域，后續(xù)再依據(jù)概率機(jī)制選擇下一跳的節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際的研究和實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，這種新型的WSN路由算法的運(yùn)用，能夠有效地均衡網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的能源消耗情況，從外部角度上來看，這一算法的應(yīng)用能夠有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，具有較高的性價比。

【關(guān)鍵詞】能量均衡;無線傳感器;網(wǎng)絡(luò)路由;路由算法;研究分析

中圖分類號：TN92 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.23.033

眾所周知，國內(nèi)現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科學(xué)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展，其重要表現(xiàn)之一就是創(chuàng)安淇、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等方面實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展，同時在大量感知信息和數(shù)據(jù)的處理方面具有較高的需求，此時無線傳感器的出現(xiàn)能夠在很大程度上滿足需求，已經(jīng)成為了現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的重要技術(shù)手段，但是無線傳感器具有計算能力稍弱、存儲空間有限等等不足，導(dǎo)致在各種能力上具有一定的限制，因此需要重視基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究工作，以此來有效地使用能源和拓展無線網(wǎng)絡(luò)的生命，這對于國內(nèi)無線傳感器領(lǐng)域和路由算法領(lǐng)域的發(fā)展都具有重要意義和作用。所以，在接下來的文章中就將針對基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行詳盡闡述，除此之外還會提出一定的具有針對性和建設(shè)性的意見。

1. 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

所謂的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由數(shù)量眾多的傳感器所組成的，其中每一個無線傳感器節(jié)點(diǎn)都是由四個部分組成的，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和能量供給模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)之間具有比較大的區(qū)別，由于這些區(qū)別的存在，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)也發(fā)生了一定的變化，主要體現(xiàn)在能量、路由、層次設(shè)計和安全等等問題之上;

能量問題：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，而每一個傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要來自于節(jié)點(diǎn)中自帶的電池，簡單來說，節(jié)點(diǎn)的能量自身具有較大的限制，自然生存實(shí)踐也會受限。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作、運(yùn)營過程中如何科學(xué)合理地提升網(wǎng)絡(luò)能量的運(yùn)用是一個非常重要的問題;

路由問題：網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息都需要實(shí)時進(jìn)行傳輸和處理，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)比較多，分布也比較廣泛，在這種情況下，傳統(tǒng)的路由協(xié)議就出現(xiàn)了較大的局限性，這也是后續(xù)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計所需要考慮的重點(diǎn)問題;

安全問題：同傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性也是非常重要的，經(jīng)過實(shí)際的研究和觀察可以發(fā)現(xiàn)，無線傳輸信道中存在的問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也是比較常見的，并且由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較好的發(fā)展前景，在未來的網(wǎng)絡(luò)中會扮演更加重要的角色，因此安全問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

而且經(jīng)過相關(guān)的研究和調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是十分廣泛的，首先可以在生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、預(yù)報中進(jìn)行運(yùn)用，可以使用數(shù)種傳感器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測，包含降雨量、河水水位和土壤水分等等;其次，現(xiàn)代交通管理中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也具有一定的運(yùn)用，可以針對路面的塵土情況、積水情況、噪音等等進(jìn)行全面的實(shí)時監(jiān)測工作，進(jìn)而達(dá)到道路保護(hù)、環(huán)境保護(hù)和行人健康保護(hù)的目的，因此在后續(xù)的發(fā)展過程中需要重視基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的選擇，實(shí)現(xiàn)其“能量均衡”，提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體效果，從中也不難看出，在現(xiàn)代社會發(fā)展進(jìn)程中，基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要應(yīng)用價值，尤其是物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，加速了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)施，并逐漸將現(xiàn)代生活引向智能化和便捷化。

2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量問題概述

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)是由自身內(nèi)置的電池進(jìn)行供電，而電池的容量是十分有限的，這導(dǎo)致傳感器的生存周期會受到比較大的限制，而且無線傳感器布置在惡劣和危險環(huán)境的情況下，工作人員無法接近，個別節(jié)點(diǎn)會因此而失效，不能繼續(xù)進(jìn)行信息傳輸，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信終端，對于現(xiàn)代社會大眾的日常工作和生活都會產(chǎn)生比較大的負(fù)面影響。因此，對于當(dāng)代的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，如何提高能量的利用效率是一個重點(diǎn)，目前的相關(guān)研究主要從兩個方面來進(jìn)行：

首先是盡可能地減少功能：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的針對性，簡單來說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和運(yùn)用經(jīng)常是專門進(jìn)行設(shè)計的，因此可以減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不必要功能，以此來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量的節(jié)省，從而延長網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的生存時間，其專用性方面也會得到比較大的提升。

其次就是重視路由協(xié)議的設(shè)計和相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，這一點(diǎn)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水平的提升是比較重要的。例如，物理層就可以依據(jù)實(shí)際情況采取超寬帶無線通信技術(shù)，依據(jù)實(shí)踐來看是否能夠取得很好的效果和作用。

另外，在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量問題過程中，還需要考慮到能量與路由之間的關(guān)系，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由是以數(shù)據(jù)為中心的，因此路由協(xié)議不僅需要考慮到傳輸質(zhì)量，同時還需要考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，目前來看無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量與路由之間存在“雙邊關(guān)系”：

首先能量會對路由產(chǎn)生制約，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的能量主要來源于能量模塊，當(dāng)能量模塊中的能量消耗殆盡，傳感器節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于死亡節(jié)點(diǎn)。如果死亡節(jié)點(diǎn)在死亡時沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息傳輸?shù)那闆r下，對于此時的路由并不會產(chǎn)生影響，但是如果給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了傳輸任務(wù)，那么對于網(wǎng)絡(luò)的影響比較大，并且這種情況在路由過程中是不被允許的。

其次路由對于能量的消耗具有巨大的影響，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的過程中，所選取的最優(yōu)路徑不僅需要數(shù)據(jù)的傳輸時間比較少，同時還需要確保消耗的能量比較低，這對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行是極為重要的。

3. 無線路由算法研究概述

3.1 無狀態(tài)貪婪周邊轉(zhuǎn)發(fā)路由GPSR協(xié)議

在貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議GPSR中，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)起數(shù)據(jù)包發(fā)送的時候，在數(shù)據(jù)包上標(biāo)識了目的節(jié)點(diǎn)的位置。在節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而需要選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的時候，作出局部最優(yōu)的貪婪選擇。無狀態(tài)貪婪周邊轉(zhuǎn)發(fā)路由GPSR協(xié)議的運(yùn)用，主要利用的是局部優(yōu)化的貪婪思想，這種傳感器節(jié)點(diǎn)并不需要對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行相對應(yīng)的維護(hù)工作，簡單來說，無狀態(tài)貪婪周邊轉(zhuǎn)發(fā)旅游GPSR協(xié)議具有比較小的路由開銷，具體的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)過程如下圖所示：

但是這種局部最優(yōu)算法在實(shí)際的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)過快消耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某一個節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)能量，由此系統(tǒng)會出現(xiàn)過快失效的情況。簡單來說，無狀態(tài)貪婪周邊轉(zhuǎn)發(fā)路由GPSR協(xié)議的時間復(fù)雜性比較低，但是未能考慮到周邊鄰居的能量狀態(tài)變化情況，容易出現(xiàn)過早失效的情況，這種情況也被稱為是路由空洞（存在一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，向目的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的過程中，需要選擇距離目的節(jié)點(diǎn)非最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由。）難以滿足網(wǎng)絡(luò)需求，這也是這一算法后續(xù)需要進(jìn)行優(yōu)化和完善的重要內(nèi)容。

3.2 DEER算法

所謂的DEER算法，其實(shí)是一種提前預(yù)測算法，能夠針對系統(tǒng)鏈路中最佳總跳數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸效率節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前鏈接的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，后續(xù)在逐步選擇下一跳的節(jié)點(diǎn)，由此逐漸形成整條的傳輸鏈路。

在實(shí)際的基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中DEER算法的運(yùn)用能夠取得很好的效果和作用，可以使得網(wǎng)絡(luò)中的端到端之間服務(wù)質(zhì)量比較高，同時也比較可靠，但是DEER算法的運(yùn)用也會帶來較多的資源能量消耗，因此在運(yùn)用這一算法的過程中更加需要重視設(shè)計，避免出現(xiàn)能量消耗過快的情況。

3.3 HREEMR算法

HREEMR算法可以形成多條源節(jié)點(diǎn)道SINK節(jié)點(diǎn)的路由路徑，并且選擇其中的一條路徑作為數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)的主要路徑進(jìn)行使用，同時如果選擇的主要路徑出現(xiàn)失效的情況下，可以選擇備用的路徑形成主路徑的替代品，從中不難看出，HREEMR算法的應(yīng)用上適用性比較強(qiáng)，但是在維護(hù)多條路由路徑方面會形成比較大的開銷，難以實(shí)現(xiàn)高性價比的特點(diǎn)，同時，在能量上的消耗上也比較大，因此需要更加重視能源均衡設(shè)計工作。

3.4 非均勻分布路由算法

在前文已經(jīng)進(jìn)行了一定的提及，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的運(yùn)行過程中非常容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡的情況，嚴(yán)重情況下還會出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)的情況，在這種情況下非均勻分布的路由算法應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)非均勻分布路由算法的運(yùn)用，可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中建立最小的跳數(shù)場，選擇最低的能量消耗路徑，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度上的能量均衡，有利于數(shù)據(jù)信息傳輸過程中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的能量消耗路徑。依據(jù)實(shí)踐效果上來看，非均勻分布路由算法的運(yùn)用，可以使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命和能量均衡方面實(shí)現(xiàn)較大的提升，但是在能量消耗方面本質(zhì)上未能得到對應(yīng)的改善，一般情況下不能滿足能源消耗的三角不等式。

3.5 基于模糊梯度能量均衡路由協(xié)議

基于模糊梯度能量均衡路由協(xié)議的特點(diǎn)在于平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗設(shè)計，為了使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的平衡，基于模糊梯度能量均衡路由協(xié)議首先在各個節(jié)點(diǎn)之間建立對應(yīng)的梯度值，并且使用具有等級選擇策略功能、質(zhì)量評價功能等函數(shù)繼模糊分類，進(jìn)而選擇下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，簡單來說，基于模糊梯度能量均衡路由協(xié)議的運(yùn)用使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使用低能量節(jié)點(diǎn)的能量分流，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的能量均衡。但是基于模糊梯度能量均衡路由協(xié)議也具有一定的缺點(diǎn)，那就是路由協(xié)議自身的維護(hù)和計算節(jié)點(diǎn)過程變得更加復(fù)雜，對于相關(guān)工作人員也提出了嶄新且更高的要求。

3.6 MCP算法

目前來看，在不同的算法當(dāng)中，MCP算法最主要的特點(diǎn)就是能夠均衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗情況，在一開始就可以選擇一條節(jié)點(diǎn)能量消耗最大的路徑。但是MCP算法在實(shí)際的應(yīng)用過程中，其路徑跳數(shù)也會增加，對數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)难訒r造成了一定的影響，并且也沒有有效地解決存在的SINK附近能量消耗比較快的這一問題，這是MCP算法在基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用過程中需要重點(diǎn)考慮的一個問題。

4. 基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

4.1 GPSR—2算法前向區(qū)域劃分

GPSR—2算法前向區(qū)域劃分的過程中，考量到節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況，從而對其進(jìn)行利用，有效均衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗情況，后續(xù)整個網(wǎng)絡(luò)的使用時間得到提升。

但是，在GPSR—2算法前向區(qū)域劃分階段，其轉(zhuǎn)發(fā)以及單鄰區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)落在子前向區(qū)域的計算概率并不一樣，導(dǎo)致其在實(shí)際的應(yīng)用過程中存在比較大的難度，并且對于理想的能量均衡也會產(chǎn)生一定的影響。

4.2 節(jié)點(diǎn)概率傳輸機(jī)制

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中存在多個冗余節(jié)點(diǎn)，如果采取堆積的方式向其內(nèi)部的冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的發(fā)送，很容易就會出現(xiàn)內(nèi)爆情況的發(fā)生，而為了避免這種情況的發(fā)生，筆者建議采取向前分區(qū)域內(nèi)部的方式，這樣就能夠在很大程度上避免出現(xiàn)內(nèi)爆的情況。但是很多路由算法是如何定義的值被選中的節(jié)點(diǎn)的概率，換而言之其迫切需要考慮到本地網(wǎng)絡(luò)所形成的影響，這樣才能真正意義上實(shí)現(xiàn)所謂的能量均衡。

譬如，在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的子區(qū)域不存在鄰居節(jié)點(diǎn)的情況下，其實(shí)就是在路由器的子區(qū)域上存在空洞，因此不能使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式，算法就會開始圍繞著需按照另一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，此時如果具有一個節(jié)點(diǎn)滿足貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式，就可以立刻轉(zhuǎn)換到相對應(yīng)的貪婪模式周期當(dāng)中，如果不能則會一直尋找下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，直至達(dá)到相對應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

4.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

在基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，一個路由算法的好壞與否，其重要的一個指標(biāo)就是時間復(fù)雜度這一情況，其中IGPSR-1與IGPSR-2的復(fù)雜程度并不是很高，因此在應(yīng)用過程中需要更加注意這一點(diǎn)。

4.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的結(jié)果分析

在本文進(jìn)行研究的過程中，所提及到的網(wǎng)絡(luò)壽命具體是指網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的第一個節(jié)點(diǎn)的能源消耗時間，而在在實(shí)際的測試和分析過程中，所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量其實(shí)也是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的一個間接指標(biāo)，因此在實(shí)際的研究和分析過程中同樣也需要考慮到這一點(diǎn)，因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的長短是一個重要的性能衡量因素。

伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍實(shí)現(xiàn)了比較大的提升，各種路由算法在一定程度上增加了能量的消耗，并且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，系統(tǒng)的能量消耗也變得更多，而在經(jīng)過實(shí)際的研究和分析之后，IGPSR-2的能量消耗比較小，這也間接驗(yàn)證這一算法可以更好地利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能力，同時使其具有更加充分的利用效率。同時還需要知曉的一點(diǎn)是，如果在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)能量消耗變得更加均衡，那么網(wǎng)絡(luò)整體上是比較穩(wěn)定的，不容易整個崩潰。

結(jié)論：綜上所述，就是筆者針對基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的相關(guān)研究和分析了，從文中闡述內(nèi)容中不難看出，現(xiàn)代社會發(fā)展過程中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍正在逐漸的提升，與此同時社會大眾和時代發(fā)展對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求也在逐漸提升。而在限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的因素當(dāng)中，能量受限是一個主要的因素，鑒于對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集、計算、存儲、能耗等方面的能力提出了更高的要求，在這種情況下，就需要重視路由算法的選擇，本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，IGPSR-1與IGPSR-2的差異性并不大，其中IGPSR-2路由算法的能源消耗比較小，因此適合在基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中進(jìn)行運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡。除此之外，相關(guān)的技術(shù)工作人員需要重視路由算法的創(chuàng)新優(yōu)化和開發(fā)工作，進(jìn)而確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，使得其價值和作用能夠完全發(fā)揮出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]付慶波.雙效用函數(shù)拓?fù)洳┺乃惴ㄔ跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].電子測試，2021（15）：57-59.

[2]武莎莎.能量均衡的環(huán)形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究[D].長春工業(yè)大學(xué)，2021.

[3]姜日凡.基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制研究[D].大連海事大學(xué)，2020.

[4]陳軼林.基于Mobile Sink的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡算法研究[D].南京郵電大學(xué)，2020.

[5]何翼.基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法[J].信息技術(shù)與信息化，2020（06）：158-159.

作者簡介：姓名：羅遠(yuǎn)軍，出生年月：1971.9，籍貫：廣西橫縣，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：講師，研究方向：移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，單位：廣西大學(xué)計算機(jī)與電子信息學(xué)院.