基于混合勢(shì)能場(chǎng)的改進(jìn)能量均衡路由算法

朱敏 方旭 梁吉申 周俊

摘要：針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量有效性路由算法存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種能量均衡消耗的路由算法。借鑒經(jīng)典物理學(xué)中勢(shì)能場(chǎng)的概念建立深度勢(shì)能場(chǎng)、剩余能量勢(shì)能場(chǎng)和能量密度勢(shì)能場(chǎng)，在混合勢(shì)能場(chǎng)的作用下選擇下一跳傳輸節(jié)點(diǎn)，避免出現(xiàn)大部分現(xiàn)存路由算法出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)現(xiàn)象，可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載平衡、整網(wǎng)能源消耗均衡、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量均衡；深度；剩余能量；能量密度

中國(guó)分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）08-0061-02

1引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing，IOT）是一個(gè)炙手可熱的話題。作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs），在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的浪潮中也得到了快速的發(fā)展。作為一門融合了智能傳感、無(wú)線通信、嵌入式系統(tǒng)等多門技術(shù)的新興的信息獲取和處理技術(shù)，作為信息采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、空間探測(cè)、智能家居等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)均依靠電池供電，以電池作為能源。而傳感器節(jié)點(diǎn)的部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，甚至有些節(jié)點(diǎn)位置人員到達(dá)困難，頻繁更換電池?zé)o疑將加大網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)行成本。因此如何實(shí)現(xiàn)能源的均衡、高效利用也就成了研究的熱點(diǎn)。

均衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗是節(jié)約能源的一個(gè)重要措施，能量的均衡消耗可最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行周期，這也成為了無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的最基本的原則之一。大部分現(xiàn)存的路由協(xié)議都是試圖找到將數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)消耗能量最少的路徑（即最短路徑），但基于這樣的路由協(xié)議，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)將會(huì)造成路徑的多次重復(fù)選擇、而使該路徑上的節(jié)點(diǎn)成為轉(zhuǎn)發(fā)中的重負(fù)載節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也加快了該路徑上各節(jié)點(diǎn)的能量消耗；而當(dāng)一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一旦能量耗盡，則可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，例如，能量耗盡的節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)隔離成兩個(gè)或多個(gè)互相不可達(dá)的區(qū)域，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信的盲區(qū)。這時(shí)，雖然大多數(shù)節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作，但是從總體上說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足用戶的要求，從而使網(wǎng)絡(luò)處于失效狀態(tài)。這種由于能量消耗的不均衡性大大地縮短了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行周期，提高了運(yùn)行的成本。

2基于混合勢(shì)能場(chǎng)的能量均衡路由算法

步驟1.網(wǎng)絡(luò)初始化：所有節(jié)點(diǎn)的深度、剩余能量以及能量密度分別被初始化成一個(gè)固定值，并將匯聚節(jié)點(diǎn)的深度默認(rèn)設(shè)置成0；

步驟2.匯聚節(jié)點(diǎn)向各第一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送其在步驟1中設(shè)置的深度值0；

步驟3.各第一跳節(jié)點(diǎn)在收到步驟2發(fā)送的深度信息0的基礎(chǔ)上加1作為各節(jié)點(diǎn)的深度，并更新各節(jié)點(diǎn)初始化的深度，同時(shí)發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，包括深度和剩余能量；

步驟4.接收到信息的節(jié)點(diǎn)建立路由表，并根據(jù)接收到信息將發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)的深度以及剩余能量記錄在路由表里；其中尚未獲得深度值的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信息計(jì)算其深度（在信息里記錄的深度值的基礎(chǔ)上加1），并更新各節(jié)點(diǎn)初始化的深度，同時(shí)發(fā)送其狀態(tài)信息；

步驟5.判斷網(wǎng)絡(luò)中是否所有的節(jié)點(diǎn)都確定了深度：如果是，繼續(xù)步驟6；如果否，則轉(zhuǎn)到步驟4繼續(xù)操作；

步驟6.根據(jù)能量模型計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更新各節(jié)點(diǎn)初始化的剩余能量以及路由表中各節(jié)點(diǎn)的剩余能量；

步驟7.根據(jù)能量密度定義計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的能量密度，更新各節(jié)點(diǎn)初始化的能量密度；

步驟8.各節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送其能量密度信息；

步驟9.收到信息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)的能量密度記錄在路由表中；

步驟10.判斷節(jié)點(diǎn)是否產(chǎn)生或者收到數(shù)據(jù)包：如果是，節(jié)點(diǎn)被喚醒建立路由棧，節(jié)點(diǎn)信息被記錄在路由棧中轉(zhuǎn)到步驟11；如果否，則繼續(xù)處于睡眠狀態(tài)等待被喚醒；

步驟11.根據(jù)該節(jié)點(diǎn)路由表中記錄的各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息建立各節(jié)點(diǎn)剩余能量勢(shì)能場(chǎng)以及能量密度勢(shì)能場(chǎng)，并用α、β兩個(gè)參數(shù)加權(quán)疊加成混合勢(shì)能場(chǎng)；

步驟12.選擇產(chǎn)生或者收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和兄弟節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)南乱惶蜻x節(jié)點(diǎn)；

步驟13.計(jì)算產(chǎn)生或者收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)和兄弟節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能差；

步驟14.在候選節(jié)點(diǎn)中選擇勢(shì)能差值最大的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)；

步驟15.判斷是否產(chǎn)生路由環(huán)路和冗余跳數(shù)：根據(jù)路由棧中記錄數(shù)據(jù)包傳輸經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)的信息判斷該下一跳節(jié)點(diǎn)的深度與數(shù)據(jù)包傳輸經(jīng)過(guò)的上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的深度是否完全一樣，如果是，將這個(gè)節(jié)點(diǎn)從下一跳候選節(jié)點(diǎn)中刪除，返回步驟14繼續(xù)操作；如果否，則將數(shù)據(jù)包傳輸給此節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)地址記錄在路由棧中。

步驟16.判斷匯聚節(jié)點(diǎn)是否收到數(shù)據(jù)包：如果是，繼續(xù)步驟17；如果否，轉(zhuǎn)到步驟11繼續(xù)選擇數(shù)據(jù)包傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)；

步驟17.根據(jù)能量模型計(jì)算各節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收數(shù)據(jù)包消耗的能量，更新路由表中各節(jié)點(diǎn)的剩余能量；

步驟17.根據(jù)能量密度定義計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的能量密度，更新路由表中各節(jié)點(diǎn)的能量密度；

步驟18.判斷網(wǎng)絡(luò)中是否出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，如果是，則返回步驟1；如果否，則返回步驟10繼續(xù)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

基于混合勢(shì)能場(chǎng)改進(jìn)的能量均衡路由算法通過(guò)建立深度勢(shì)能場(chǎng)將下一跳候選節(jié)點(diǎn)限制在父節(jié)點(diǎn)和兄弟節(jié)點(diǎn)之間，從而確保數(shù)據(jù)包不會(huì)后傳有效減少傳輸延遲。通過(guò)建立剩余能量勢(shì)能場(chǎng)有效保護(hù)能量較低的節(jié)點(diǎn)，建立能量密度勢(shì)能場(chǎng)來(lái)驅(qū)使數(shù)據(jù)包總是向著能量密度高的區(qū)域傳送。通過(guò)權(quán)重系數(shù)加權(quán)將能量密度勢(shì)能場(chǎng)以及剩余能量勢(shì)能場(chǎng)疊加成一個(gè)混合場(chǎng)，在混合勢(shì)能場(chǎng)的作用下選擇勢(shì)能差值最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)以達(dá)到能量均衡的效果。基于路由?？梢杂涗洈?shù)據(jù)包傳輸過(guò)程經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)的信息，我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中連續(xù)三次經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)深度不能完全一樣的機(jī)制，消除了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在的路由環(huán)路和減少了冗余跳數(shù)，從而確保網(wǎng)絡(luò)順暢、高效運(yùn)行。