一種基于無線傳感器網絡能量均衡路由算法

摘要：文章提出一種基于OMNET++仿真下的無線傳感網絡WSNs（Wireless Sensor Networks）能量均衡的路由算法。算法通過WSN節點的路由表，以跳數和剩余能量作為參數實現分簇及簇首的選擇，節點采用多跳路由的方式將數據傳送到簇首。OMNET++仿真結果表明，該算法與LEACH算法相比可以均衡網絡能量的能量消耗，延長網絡的生存時間。

關鍵詞： WSNs； 路由表； 剩余能量； 多跳路由

中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A 文章編號：

無線傳感器網絡（WSNs，Wireless Sensor Networks）是一種綜合了無線通信、傳感、微電子以及嵌入式計算等諸多領域的跨學科技術[1]，被廣泛應用于軍事、工業、農業等領域，是對21世紀人類生活產生重大影響的IT技術之一[2]。目前，針對WSNs的研究主要體現在如何利用有限的節點能量提高網絡的生存周期及服務質量，相關研究[1，2]表明采用高效的路由算法可以提高WSN整體性能及服務質量。其中LEACH算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[3] 和PEGASIS[4]算法是比較有代表性的經典路由算法。

1 相關研究

基于簇的WSNs路由協議，是目前國內外路由協議研究重點之一，分簇路由協議關鍵是如何選擇簇首，如何傳輸聚類數據和網絡設計；在同一簇內可以采用不同的數據傳輸機制。文獻[3-6]中提出的路由算法目標是找到節點或者整個網絡能量消耗最小化的優化路徑。文獻[2]提出的LEACH算法和文獻[4]提出的PEGASIS算法考慮能量消耗的均衡。LEACH 路由算法[2]是無線傳感器網絡中被廣泛應用的分簇算法。改算法采用隨機、自組織的的分簇方法。圖1描述了基于LEACH算法的無線傳感器網絡分成5個分簇，每個分簇有一個黑圈表示簇首，其余節點是非簇首節點。LEACH算法每一輪隨機選擇簇首節點，整個網絡的能耗負載均衡分布到每一個節點能延長網絡的生存時間。由于簇頭與Sink間采用一跳的方式，要求通信節點具有較高的通信能力，因此LEACH不適用于較大規模的無線傳感器網絡。

LEACH算法有以下三方面的不足：（1） 簇內隨機選擇簇首，沒有考慮每個節點剩余能量的情況，簇內能量消耗不均衡； （2）簇內隨機選擇簇首節點能降低能量消耗，但是重新聚類會增加能量的消耗。

在此基礎上，本文設計了一種基于OMNET++仿真下的能量均衡路由算法，本算法通過節點的剩余能量和到簇首跳數，來實現分簇以及簇首的選舉，并采用多跳路由的方式將數據傳送到匯聚點。最后仿真來驗證算法控制網絡成簇過程及簇間通信，使網絡分簇拓撲更加合理，能量更加均衡，有效提高了網絡生存時間。

2 關于OMNET++[11]

OMNET++是一款開源的，免費的網絡仿真軟件，類似NS-2。相比OPENET商業收費軟件，具有免費的優越性，目前在網絡仿真領域是一款比較流行的仿真軟件。Objective Modular Network Testbed in C++是OMNeT++的英文全稱。該軟件是基于組件和模塊開發的網絡平臺，一般是基于離散事件，它的圖形界面接口能量非常強大和完善。OMNET++主要用于無線通信網絡，協議仿真等方面的建模分析。尤其目前在無線傳感器網絡方面得到了越來越廣泛的應用。

3 基于路由表的能量均衡算法

3.1 WSNs網絡模型

無線傳感器網絡節點分布在WSNs監控區域內（如圖2所示），感知監控范圍的數據，并通過一定的通信技術把數據處理后傳送到Sink節點。Sink節點通過GPS、移動通信或因特網等通信方式完成于外部網絡的通信。

本文假設 個傳感器節點隨機分布在矩形監控區域內， 為監控區域幾何中心點，結合研究WSN應用的背景，本文做如下假設：

（1）網絡中傳感器節點具有唯一ID： ，其位置不可移動，Sink節點能量及計算能力不受限制，且能夠在預定的位置移動（其位置用點 表示）。

（2）傳感器節點能量有限，且初始能量相同。普通節點級別相同，而簇頭具有較高級別，簇頭能夠直接與Sink通信。

（3）傳感器節點結構相同，具有接受和傳遞數據功能，所有節點的發射功率是可以調節的，且普通節點可以成為簇頭節點。

（4）每個節點地理位置信息確定。

3.2基于路由表的WSNs路由算法[14]

5 結語

基于經典WSNs路由算法LEACH和PEGASIS算法，本文設計了一種OMNET++仿真下的路由表算法。仿真結果表明，該算法可以能夠有效地均衡網絡能量，提高網絡生存周期。

參考文獻：

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