能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究

許弘

【摘要】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及分布式信息技術(shù)，監(jiān)測(cè)區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)能量有限、但是存在龐大的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，所以，對(duì)節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行合理應(yīng)用，可以提升網(wǎng)絡(luò)周期，是未來發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的基本目的。本文集中闡述了能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法。

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

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上都是監(jiān)測(cè)范圍中利用很多微型廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，利用無線通信技術(shù)來形成自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要就是對(duì)覆蓋范圍中的信息進(jìn)行采集、感知以及處理，利用無線方式為基地站輸送信息，以便于為操作人員提供方便，從而能夠在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)部署隨機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)，人工埋置、飛行器撒播等方式來體現(xiàn)傳感器無線通信、感知信號(hào)以及處理信號(hào)的能力，不只是數(shù)據(jù)發(fā)起人員，也是自組織網(wǎng)絡(luò)者，利用多跳方式處理數(shù)據(jù)包，依據(jù)衛(wèi)星、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等多種形式來聯(lián)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，組中大規(guī)模應(yīng)用數(shù)據(jù)管理節(jié)點(diǎn)，以便于能夠及時(shí)收集和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合取決于傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合性能，以此需要綜合分析傳感器網(wǎng)絡(luò)魯棒性、能源有效性、可擴(kuò)展性、時(shí)間延遲型等[1]。第一，選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ā臒o線傳感器角度進(jìn)行分析，控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚邆浜艽蟮淖饔茫梢栽谝欢ǔ潭壬咸嵘酚蓞f(xié)議效率，為數(shù)據(jù)提供時(shí)間同步和融合時(shí)間的依據(jù)，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)使用期限，在符合網(wǎng)絡(luò)連通度和覆蓋度的基礎(chǔ)上，選擇合理的網(wǎng)絡(luò)，其中合理應(yīng)用骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和功率控制，除去網(wǎng)絡(luò)中不合理的通信鏈路，以便于形成高效傳輸數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括兩方面內(nèi)容為層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)功率控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第二，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)具備比較有效的能量，盡可能提高網(wǎng)絡(luò)期限，降低能量消耗，是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，傳感器具備比較薄弱的通信能力和存儲(chǔ)能力，以至于不能過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?，F(xiàn)階段，重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、路由協(xié)議來對(duì)傳輸監(jiān)測(cè)信息路徑進(jìn)行控制，以便于構(gòu)建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。第三，數(shù)據(jù)融合技術(shù)。這種技術(shù)雖然能夠提升信息準(zhǔn)確度和節(jié)約能量，但實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候要犧牲其他性能，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要方便融合數(shù)據(jù)的路由，并且結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，來提升網(wǎng)絡(luò)平均延遲[2]。

二、能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

1、IGPSR-1算法向前區(qū)域。IGPSR-1算法實(shí)際上就是距離sink比較近的位置來承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和接受的工作，十分容易好近能量，以至于出現(xiàn)大面空洞路由的現(xiàn)象，導(dǎo)致降低網(wǎng)絡(luò)性能和縮短生命周期，為了能夠解決問題，利用sink動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)來傳輸數(shù)據(jù)。

2、IGPSR-2算法向前區(qū)域。IGPSR-2算法就是在 IGPSR-1前向區(qū)域中對(duì)能量進(jìn)行分析，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中消耗能量的情況進(jìn)行均衡，在所有子區(qū)域中計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)概率，前向子區(qū)域選擇概率一般低于選擇概率[3]。

3、節(jié)點(diǎn)概率傳輸機(jī)制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般都會(huì)出現(xiàn)比較多冗余節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)發(fā)送的情況，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)浪費(fèi)能量、隱藏終端或者爆炸等問題，實(shí)際應(yīng)用中如果能夠控制前向子區(qū)域中選擇節(jié)點(diǎn)的概率，此時(shí)能夠可以一定程度上避免上述問題。現(xiàn)階段，不少路由算法開始充分分析節(jié)點(diǎn)選擇概率，但是一般都是智能分析局部影響，怎樣利用預(yù)先計(jì)算的方式來對(duì)概率值進(jìn)行計(jì)算，并且隨機(jī)對(duì)比前向區(qū)域函數(shù)，從而轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過相鄰節(jié)點(diǎn)和sink之間距離以及剩余節(jié)點(diǎn)能量函數(shù)來為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)提供依據(jù)，同時(shí)能夠獲得滿足實(shí)際情況的節(jié)點(diǎn)能量值。

4、算法和分析。衡量算法好壞的關(guān)鍵就是時(shí)間復(fù)雜度，利用IGPSR-1算法和IGPSR-2算法進(jìn)行分析，兩者方式具備類似的復(fù)雜度，時(shí)間執(zhí)行角度進(jìn)行分析，兩種算法主要包括三部分，轉(zhuǎn)發(fā)路徑中節(jié)點(diǎn)計(jì)算傳輸概率時(shí)間、前向子區(qū)域能量平均時(shí)間以及周邊轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。

5、仿真實(shí)驗(yàn)。1設(shè)置參數(shù)和構(gòu)建仿真環(huán)境。對(duì)IGPSR-1算法和IGPSR-2算法進(jìn)行性能評(píng)估，對(duì)比分析經(jīng)典和現(xiàn)代化算法協(xié)議，利用NetTopo仿真平臺(tái)，基于500×500m拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在其中隨機(jī)分布500～1000個(gè)點(diǎn)，擁有50m的傳輸半徑，所有節(jié)點(diǎn)基本5～10J初始能量，存在3000bit數(shù)據(jù)包。實(shí)際操作中所有仿真實(shí)驗(yàn)都利用兩種IGPSR算法來進(jìn)行操作，其中多次驗(yàn)證六種結(jié)構(gòu)，結(jié)果取平均值。2分析仿真結(jié)果。從運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)到第一節(jié)能量節(jié)點(diǎn)的生命周期為網(wǎng)絡(luò)壽命，實(shí)驗(yàn)過程中從網(wǎng)絡(luò)給出數(shù)據(jù)包的基本數(shù)量來對(duì)壽命進(jìn)行分析，在規(guī)定期限內(nèi)出現(xiàn)越多的數(shù)據(jù)包，表明具備更長(zhǎng)的壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能取決于網(wǎng)絡(luò)壽命，相比較IGPSR算法來說，IGPSR-1算法和IGPSR-2算法擁有比較高周期，并且IGPSR-2算法明顯優(yōu)于IGPSR-1算法。

結(jié)束語：綜上，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)剩余能量中存在一定差別，現(xiàn)階段劃分需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)，形成前向轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域中利用概率選擇機(jī)制對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理選擇，保障能夠均衡能量消耗以及快速收斂的路由算法，以便于能夠增加使用網(wǎng)絡(luò)的周期。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張偉龍，郭成芳.基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].激光雜志，2014（12）：96-98，102.

[2] 吳三斌，柳強(qiáng)，李成博等.基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（4）：1465-1469，1482.

[3] 滕志軍，張帆，宋明輝等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡蟻群路由算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，46（1）：327-332.