摘要：由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有能量有限的特點(diǎn)，如何高效地使用能源已成為人們研究的熱點(diǎn)。本文提出了一種不規(guī)則無(wú)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(diǎn)直接與基站進(jìn)行通信；外環(huán)節(jié)點(diǎn)按照上述有向環(huán)形理論模型形成一個(gè)有序的區(qū)域梯隊(duì)，把鄰節(jié)點(diǎn)等級(jí)值、鄰節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離作為選擇下一接收節(jié)點(diǎn)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(jìn)行傳輸，減小不必要的開(kāi)銷，達(dá)到節(jié)約能量、提高能源效率的目標(biāo)，最終延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：不規(guī)則；分層；有向環(huán)形；能量有效

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）30-0260-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，在新一代網(wǎng)絡(luò)中的作用非常關(guān)鍵，已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，主要通過(guò)自身攜帶的電池供電，因此它的電源能量、通信能力、計(jì)算能力及存儲(chǔ)能力都是非常有限的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)技術(shù)中，最為核心的技術(shù)挑戰(zhàn)是如何降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命，因?yàn)槟茉词莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)稀缺而寶貴的資源。為了提高網(wǎng)絡(luò)的能量有效性，廣大的研究工作者在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、MAC協(xié)議及路由協(xié)議設(shè)計(jì)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(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jìn)的算。文獻(xiàn)[3]提出了DDCH算，利用“能量核”選擇一條自源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的局部最短路徑來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該算法具有較低的時(shí)間復(fù)雜度和較好的可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[4]提出了DEEC算法，算法中引入了休眠機(jī)制，簇頭之間通過(guò)建立路由樹(shù)以多跳方式將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)根節(jié)點(diǎn)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)。該算法各節(jié)點(diǎn)的角色劃分非常細(xì)致，需要增加許多額外的能量消耗，使算法變得復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]對(duì)最小ID分簇算法進(jìn)行了改進(jìn)，但難于找到一個(gè)最佳的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)，且各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率不同，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的能量消耗也不相同，進(jìn)一步加劇網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)則性。文獻(xiàn)[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(xiàn)[7]提出了一種非均勻的節(jié)點(diǎn)部署算法，采用圓環(huán)形理論模型，采用節(jié)點(diǎn)部署方法來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)則性。文獻(xiàn)[8]提出的PAB算法是一個(gè)功率可調(diào)節(jié)的算法，由于是在動(dòng)態(tài)調(diào)整功率的網(wǎng)絡(luò)中使用剪裁算法，需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包頭中添加發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率，具有一定的通信開(kāi)銷。文獻(xiàn)[9]提出的EFB算法是一個(gè)基于傳輸范圍覆蓋的算法，在密度較大網(wǎng)絡(luò)中具有較好的性能，而在較稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，由于只使用了部分鄰居節(jié)點(diǎn)信息，減少的冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并不顯著。

本文綜合了以上算法的優(yōu)點(diǎn)，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布不均勻?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中的能量消耗不均衡、網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短等特點(diǎn)為研究背景，利用節(jié)點(diǎn)的定位、有向搜索路徑、分簇并在簇內(nèi)及簇間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，提出了一種不規(guī)則無(wú)線傳感器網(wǎng)線能量有效的路由算法。其基本思想是通過(guò)相對(duì)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(jié)合的方式進(jìn)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(luò)的能量消耗趨于均衡，最終達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目標(biāo)。

1 一種不規(guī)則無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)較小的額定功率發(fā)射一段信號(hào)，接收到信號(hào)的節(jié)點(diǎn)為距離基站較近的節(jié)點(diǎn)，可采用單跳傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ街苯优c基站進(jìn)行通信，其余的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信。第二層次節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向基站發(fā)送自身的當(dāng)前剩余能量及相對(duì)地理位置等信息，基站提取這些信息并依據(jù)最優(yōu)分簇?cái)?shù)劃分對(duì)應(yīng)的分簇，選擇最優(yōu)的簇頭節(jié)點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行通告，然后將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域標(biāo)識(shí)發(fā)送給其余節(jié)點(diǎn)。這樣各節(jié)點(diǎn)只要在網(wǎng)絡(luò)的初始建立階段與基站進(jìn)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(jiǎn)化了初始階段的工作任務(wù)并節(jié)約了內(nèi)層環(huán)形節(jié)點(diǎn)的能量，減少了與基站通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而減小了數(shù)據(jù)的延時(shí)，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(duì)于傳輸距離大于節(jié)點(diǎn)通信半徑R0的第二層次節(jié)點(diǎn)，設(shè)定固定的變量d0，每相隔一個(gè)單位的d0節(jié)點(diǎn)的等級(jí)值自動(dòng)增加1，如圖2所示，在環(huán)1和環(huán)2之間的節(jié)點(diǎn)其等級(jí)值為1，在環(huán)2和環(huán)3之間的節(jié)點(diǎn)等級(jí)值為2，依此類推……形成一個(gè)存在一定梯度關(guān)系的環(huán)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)總是傳向一個(gè)等級(jí)值比自己低的節(jié)點(diǎn)，這樣能夠使數(shù)據(jù)的傳輸沿一個(gè)固定的方向傳向基站，從而達(dá)到節(jié)約資源、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)直接與基站進(jìn)行通信；外環(huán)節(jié)點(diǎn)按照上述有向環(huán)形理論模型形成一個(gè)有層次的環(huán)，環(huán)內(nèi)根據(jù)通信半徑進(jìn)行分簇，在每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)內(nèi)建立一張鄰居節(jié)點(diǎn)的路由信息表，如表1所示：

把鄰節(jié)點(diǎn)等級(jí)值、鄰節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離作為選擇下一接收節(jié)點(diǎn)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(jìn)行傳輸，減小不必要的開(kāi)銷，達(dá)到節(jié)約能量、提高能源效率的目標(biāo)，最終延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及性能分析

由200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域面積大小為100m×100m的區(qū)域內(nèi)。節(jié)點(diǎn)初始能量1.5J，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度500Bytes，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗為50nJ/bit。

圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于本文所提出的算法第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間比基于LEACH的固定聚類路由算法有明顯的延遲，節(jié)點(diǎn)全部死亡的時(shí)間也有明顯的延遲。

圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于本文所提出的算法的能量有效率相對(duì)于基于LEACH的固定聚類路由 算法來(lái)說(shuō)有一定的提高。

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

3 結(jié)論

本文所提出的一種不規(guī)則無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效路由算法，主要考慮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布不均勻?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中的能量消耗不均衡、數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)無(wú)序性的特點(diǎn)，采用分層有向環(huán)形模型，數(shù)據(jù)傳輸引入鄰節(jié)點(diǎn)等級(jí)值、鄰節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值和兩簇頭節(jié)點(diǎn)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(dá)到了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目標(biāo)。

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