基于能量均衡的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )算法的改進(jìn)

　　分析此式可以看出，由于節點(diǎn)的剩余能量總是小于其初始能量的，所以改進(jìn)后的門(mén)限值一定比原T(n)值要小。雖然降低了剩余能量少的節點(diǎn)成為簇頭節點(diǎn)的可能性，但同時(shí)也減小了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中能夠擔當簇頭節點(diǎn)的機會(huì )。針對這一現象，本文將節點(diǎn)當前剩余能量和當前網(wǎng)絡(luò )平均能量兩個(gè)參數綜合考慮進(jìn)去。

　　式中，是節點(diǎn)當前的剩余能量，是當前網(wǎng)絡(luò )平均能量。這樣一來(lái)，即保證了節點(diǎn)被選為簇頭節點(diǎn)的可能性與其剩余能量的多少相關(guān)，又保證了一輪中選舉出來(lái)的簇頭節點(diǎn)數與期望數相同。

　　在許多文獻中已經(jīng)證實(shí)，網(wǎng)絡(luò )中簇頭的個(gè)數也是影響網(wǎng)絡(luò )壽命一個(gè)的重要因素，因此本文也將簇頭個(gè)數的優(yōu)化方案融入了改進(jìn)的協(xié)議。本文當中的簇頭最優(yōu)個(gè)數是采用中的方法確定的，如式(4)所示。

　　式中，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域面積， N 是區域內節點(diǎn)數量， 是信號放大器的放大倍數， 是每發(fā)送或接收1比特數據，電路自身消耗的能量， 是簇頭節點(diǎn)的最遠覆蓋距離。

　　2.2 改進(jìn)算法的具體實(shí)現

　　算法進(jìn)行優(yōu)化后詳細描述如下。

　　1)在簇的建立階段，簇頭由所有節點(diǎn)自主決定，在每一輪中自行生成k 個(gè)簇。k 的值由（4）式?jīng)Q定。

　　2)將每個(gè)節點(diǎn)的剩余能量與上一輪中預計的當前網(wǎng)絡(luò )平均能量進(jìn)行比較，若剩余能量大于網(wǎng)絡(luò )的當前平均能量，則有資格成為簇頭候選節點(diǎn)；否則只能等待簇頭廣播簇類(lèi)信息。

　　3）能量大于當前網(wǎng)絡(luò )平均能量的節點(diǎn)，判斷自己生成的隨機數是否小于門(mén)限值T(n)（即上文中已作改進(jìn)的（3）式），若小于則成為簇頭節點(diǎn)；若大于門(mén)限值則為成員節點(diǎn)，等待簇頭發(fā)送告知信息 。至此，簇頭的選舉階段完成。

　　4)成為簇頭的節點(diǎn)，要以一定的功率發(fā)送簇頭告知信息，但不是全網(wǎng)廣播。該消息只包括簇頭節點(diǎn)的ID 和消息標識符。在此之后簇頭將等待簇成員的加入信息。

　　5)成員節點(diǎn)根據接收到的ADV 消息的信號強弱來(lái)選擇一個(gè)信號強的簇頭節點(diǎn)，并向其發(fā)送一個(gè)請求加入的消息，該消息只包括節點(diǎn)的ID 和簇頭節點(diǎn)的ID。

　　6)簇頭花費一定時(shí)間來(lái)等待接收成員節點(diǎn)的加入簇信息，之后將停止接收并根據所收到的信息數量來(lái)安排簇內節點(diǎn)發(fā)送消息的TDMA 時(shí)隙。簇頭將TDMA 時(shí)隙以最小功率發(fā)送給簇內成員，以確保成員節點(diǎn)與簇頭節點(diǎn)通信時(shí)不會(huì )產(chǎn)生沖突。這樣網(wǎng)絡(luò )中某一輪的簇就已建立起來(lái)。圖1 為改進(jìn)后的簇建立階段算法流程圖。

　　7) 簇建立好后，開(kāi)始進(jìn)行數據的傳輸階段。每個(gè)節點(diǎn)按照既定規則在自己的 TDMA 時(shí)隙內發(fā)送收集到的信息?；驹谑盏礁鱾€(gè)簇頭發(fā)送來(lái)的整合信息后，分析傳感到的數據并反應到上層人機交流界面上。根據信息中包含的簇頭和節點(diǎn)的ID 以及其發(fā)送信息時(shí)的功率強度，估計下一輪發(fā)送消息時(shí)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的平均能量，并將此信息廣播到網(wǎng)絡(luò )，為下一輪循環(huán)做準備。至此，本輪結束。

圖 1 改進(jìn)后的簇建立階段算法流程圖