基于最小能耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法

摘要：通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的電路模型和能量消耗情況，結合LEACH算法，提出一種基于最小能耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法。網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)首先將其劃分為若干個(gè)子區域，再進(jìn)行簇首節點(diǎn)的選取，這樣取代了傳統LEACH算法對整片網(wǎng)絡(luò )隨機選取簇首節點(diǎn)的做法，使得簇首節點(diǎn)分布更加均勻。同時(shí)，在選取簇首節點(diǎn)之前對每個(gè)節點(diǎn)的刺余能量進(jìn)行判斷，低于闞值的采取休眠處理，這樣保證了簇首節點(diǎn)選取的有效性。以上兩點(diǎn)措施使區域內節點(diǎn)負載分配更加合理，有效地提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；能耗；簇首節點(diǎn)；閾值

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)擁有感知能力、無(wú)線(xiàn)通信能力以及計算能力。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有不依賴(lài)與任何預設網(wǎng)絡(luò )設施等特點(diǎn)，所以在軍事應用、大型設備監控和環(huán)境監測和預報等領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò )都有著(zhù)廣泛的應用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)分布數量眾多，且能量是由容量有限的電池供電，更換不易。傳感器節點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。隨著(zhù)集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊上。所以如何設計節能高效的路由策略是延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生存周期的重要手段。
近些年來(lái)，一些節能高效的路由算法相繼被提出。文獻通過(guò)引入長(cháng)期睡眠機制，防止網(wǎng)絡(luò )中的某些節點(diǎn)因為過(guò)早耗盡能量而死亡，引起網(wǎng)絡(luò )無(wú)效。文獻設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信架構ADOCA，有效地改善了無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò )通信的有效性。文獻提出了一種基于多蟻群無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法，采用多種蟻群并行搜索，并在種群中采用基于目標函數值的啟發(fā)式信息素分配策略和根據目標函數自動(dòng)調整螞蟻搜索路徑。文獻中針對SPR路由算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了EB-SPR算法。將網(wǎng)絡(luò )構造成層次結構，節點(diǎn)根據上一層鄰節點(diǎn)能量水平優(yōu)先使用能量多的節點(diǎn)作為下一跳來(lái)轉發(fā)數據包，但是這種算法中節點(diǎn)需要時(shí)刻維護各個(gè)鄰節點(diǎn)能量信息，增加了數據傳輸量。文獻提出了最早的分層路由協(xié)議之一，LEACH算法。通過(guò)循環(huán)的方式隨機選擇簇首節點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能量負載平均分配到每個(gè)傳感器節點(diǎn)中，從而達到降低網(wǎng)絡(luò )能耗、提高網(wǎng)絡(luò )整體生存時(shí)間的目的。本文提出了一種新的基于最小能耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法，并對網(wǎng)絡(luò )中能量過(guò)低的節點(diǎn)采取休眠處理，延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生命周期。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量消耗研究和路由分析
1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量消耗研究
傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要有傳感器模塊，處理器模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應模塊。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，目前傳感器模塊和處理器模塊能耗越來(lái)越低。但是，傳感器節點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執行計算時(shí)更消耗電能，傳輸1 b信息到100 m距離需要的能量大約相當于執行3 000條指令消耗的能量。
本文假設一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)通信電路模型，其中發(fā)送和接收電路消耗能量Eelec=50 nJ／b，發(fā)送放大器消耗能量εamp=100 pJ／(b／m2)。所以，使用該模型從節點(diǎn)A傳輸kb信息至距離為d的節點(diǎn)B時(shí)，節點(diǎn)A消耗的能量為ETx(k，d)=Eeleck+εampkd2，接收該信息，節點(diǎn)B消耗的能量為ERx(k)=Eeleck。如圖1所示。