傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化分析

摘 要：降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)有著重要意義，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最主要的目標(biāo)。分簇這種方法能夠明顯降低網(wǎng)絡(luò)能耗，單跳通信是傳統(tǒng)傳輸方式，以此方法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于距離基站太遠(yuǎn)，過(guò)程中能耗過(guò)大，簇頭會(huì)因此死亡。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期帶來(lái)很大影響，因此，設(shè)計(jì)出高效節(jié)能的路由是眼下的重要課題，因此均分簇算法應(yīng)運(yùn)而生，這種方法能顯著降低節(jié)點(diǎn)能耗，利用分割線對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)位置，利用定時(shí)器選出最佳簇頭，與基站進(jìn)行多跳通信，這樣一來(lái)，有效降低了節(jié)點(diǎn)的消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；能耗均衡；節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.066

傳感器網(wǎng)絡(luò)由多種功能且能夠自行組織的節(jié)點(diǎn)所組成，這些自行組織的節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)分布的形式存在與網(wǎng)絡(luò)之中，相互之間進(jìn)行合作以收集信息，將這些信息打包發(fā)送給觀察者。節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域多為高危地帶，很難人為供電，所以只能使用電池來(lái)提供能源，但是這些節(jié)點(diǎn)消耗能源的速度是非常快的，電池很難承受這樣的消耗速率，所以會(huì)很快被耗盡，這樣一來(lái)，提高節(jié)點(diǎn)的能量利用效率是亟待解決的一項(xiàng)重要問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題之后，網(wǎng)絡(luò)壽命將得到有效延長(zhǎng)。

1 LEACH協(xié)議中有關(guān)降低節(jié)點(diǎn)能耗的內(nèi)容

在此協(xié)議相關(guān)算法中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)會(huì)自發(fā)形成簇，之后在這些簇中選擇一個(gè)最佳簇作為簇頭，其他的普通節(jié)點(diǎn)將會(huì)傳遞自身所攜帶的信息傳輸給簇頭，由融合之后再傳給基站。為了增加簇頭的使用壽命，減少其能耗，此算法創(chuàng)造除了輪的概念，具體來(lái)講就是所有節(jié)點(diǎn)都參與到這個(gè)過(guò)程中，輪流擔(dān)任簇頭，這其中包含兩個(gè)過(guò)程，即簇的建立階段以及穩(wěn)定運(yùn)行階段。

第一順序無(wú)線電模型是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最常使用的能量模型，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送kbit數(shù)據(jù)時(shí)所用到的公式為：

公式中k是發(fā)送時(shí)的二進(jìn)制位數(shù)，d是發(fā)送距離，d0為發(fā)送距離門限值，，EELEC為射頻能耗系數(shù)，為電路中放大器能耗系數(shù)。節(jié)點(diǎn)接受lbit數(shù)據(jù)的能耗為：Erx（l）=Eelec*l。

傳輸與接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中都會(huì)消耗能量，所以，想要降低節(jié)點(diǎn)能耗就需要找到最佳的簇頭，這樣才能有效降低數(shù)據(jù)交流中所消耗的能量，而想要將簇頭節(jié)點(diǎn)的位置均衡分割需要將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行均勻分割，因此，這時(shí)最關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何將網(wǎng)絡(luò)均分，而且在均分的網(wǎng)絡(luò)中將最佳簇頭節(jié)點(diǎn)找出來(lái)，這才是降低能耗的最佳途徑。

在網(wǎng)絡(luò)均分之后，其中的簇群也是均勻分布的，因此，簇頭節(jié)點(diǎn)也是均勻分布的，這樣就能夠減少節(jié)點(diǎn)能耗，所以，將網(wǎng)絡(luò)均勻分布的方法，以及選擇出簇頭的所依賴的客觀因素，都是需要著重考慮的地方，這些所依賴的基本思路為：①用分割線進(jìn)行劃分網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到均分的目的；②選擇簇頭需要看的是剩余能量與綜合距離。

分割線的確定與選擇比較困難和繁瑣，而且最佳的分割位置也因此很難確定，粒子群算法從大局著眼，全局進(jìn)行搜索，可以迅速搜索出分割線的最佳位置，實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，所以，引入此算法，將分割線的確定與選擇變得簡(jiǎn)單化，但也存在一定的缺點(diǎn)，粒子群算法容易局限于一個(gè)區(qū)域中，只能判斷出局部最佳分割線，所以，粒子的更新速度需要進(jìn)行優(yōu)化。

2 能量均衡的均勻分簇算法（EBEC）

（1）網(wǎng)絡(luò)模型。EBEC算法是運(yùn)用基站進(jìn)行整體控制的方法，其過(guò)程包括建立簇群和傳輸數(shù)據(jù)，建立簇群又包括均勻分簇和選擇簇頭。

網(wǎng)絡(luò)具有很多特點(diǎn)，而在一個(gè)擁有很多傳感器節(jié)點(diǎn)并且是均勻分布的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，其具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：①基站一般都位于中心地帶，在區(qū)域確定并且部署完基站和傳感器節(jié)點(diǎn)之后，二者都會(huì)固定位置，不再發(fā)生移動(dòng)；②所有的節(jié)點(diǎn)都能夠融合數(shù)據(jù)，因?yàn)槠涠际且粯拥慕M成方式，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)又都有其唯一的標(biāo)識(shí)；③每個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的坐標(biāo)點(diǎn)都是可監(jiān)測(cè)的，并且它們的鏈路是對(duì)稱的。

（2） 應(yīng)用粒子群算法進(jìn)行分簇。分割線的確定是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)的位置，點(diǎn)的確定是由坐標(biāo)和x周的夾角來(lái)確定，具體為Z=（x，y，θ），（x，y）是位于分割線上的點(diǎn)的坐標(biāo)，θ是分割線與x軸的夾角。

fitness函數(shù)是對(duì)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)的函數(shù) ，公式為：

F達(dá)到最大時(shí)則是最佳的分割線的位置，其中Csi（i=1，2），分別表示第S次劃分區(qū)域時(shí)區(qū)域i的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

在使用標(biāo)準(zhǔn)的POS算法計(jì)算時(shí)，對(duì)于單個(gè)粒子更新時(shí)產(chǎn)生的影響沒有計(jì)算進(jìn)去，因此，在經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)之后，提出了下面的粒子更新速度公式：

使用來(lái)替代個(gè)別個(gè)體的極值，是這些個(gè)體極值的平均值，r1、r2數(shù)值不定，但一般在（0、1）之間。在所建立的空間模型中，利用POS算法找到最佳分割線并且將網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)相同大小的空間。用該算法在全部結(jié)果中選出最佳解，這就是最佳分割線。判斷其最佳的標(biāo)準(zhǔn)是定義出最適合的適應(yīng)度函數(shù)。

3 最大化網(wǎng)絡(luò)壽命模型

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)在收集了一次數(shù)據(jù)之后，將其傳遞給簇頭，簇頭在融合之后將其傳輸?shù)絊 ink，這就是一次對(duì)于數(shù)據(jù)收集的過(guò)程。假設(shè)第i層內(nèi)節(jié)點(diǎn)的壽命為T，在一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中平均消耗的能量為E，因此，網(wǎng)絡(luò)的最大化壽命模型為：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出能量均衡的均勻分簇算法，通過(guò)POS算法求得最優(yōu)的分割線劃分位置，但還不是十分成熟，仍需努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣暢江，向敏，唐賢倫.基于use的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議田[J].計(jì)算機(jī)工程，2012.38（17）：59-62.

基金項(xiàng)目：寧夏固原市科技支撐計(jì)劃課題（固科技發(fā)〔2014〕33號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：康凱（1982-），男，寧夏固原人，工學(xué)碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)。