無線傳感器網絡中能耗問題的探討

尚弘

摘 要：無線傳感器網絡中傳感節點能量消耗不均衡將導致整個網絡過早地失效。文章在LEACH層次路由算法的基礎上，提出了自動退避的簇頭競爭選擇機制、設定閥值的數據融合和基于能量感知的多路徑策略，并在網絡均衡、能量消耗方面做了優化，極大地提高了傳感節點的服務壽命，延長了整個網絡的生存周期。

關鍵詞：無線傳感器網絡；能量消耗；LEACH；網絡均衡

中圖法分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0043-02

0 引 言

近幾年來，隨著各種技術的發展和應用的推進，傳感器正在向微型化、網絡化、集成化和智能化方向快速發展。在實際的應用中，由于微傳感器的成本低、覆蓋范圍較小，所以通常需要大量的微傳感器協同工作，無線傳感器網絡應運而生。無線傳感器網絡具有規模大、密度高、網絡拓撲動態變化、自組織等特點，被廣泛應用于環境監測、智能家居、智能交通等領域。

1 無線傳感網絡的體系結構

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）通常由傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點組成，如圖1所示。大量傳感器節點隨機分布在待監測區域，這些傳感器節點通過無線通信的方式自組織成網絡，并將感知到的數據信息進行一定的處理分析后傳遞給匯聚節點，然后通過衛星、移動通信網絡及互聯網傳輸到后端的管理節點。

圖1 無線傳感器的體系結構

但是無線傳感器網絡有一個致命的問題，就是續航。由于大量的微傳感器被拋撒在無人的監測區域內，所以沒有辦法給它更換電池或充電，當能量被消耗完時，微傳感器將失效。但是無線傳感器網絡是以數據為中心的，用戶關心的是在整個監測區域中監測對象所感知的信息，希望能夠獲取不同監測位置的信息，所以要盡可能地均衡能量消耗，使絕大部分傳感器能夠工作到整個無線傳感網絡集體失效的那一刻。所以如何最大化整個無線網絡的生命周期，如何在保證完成工作的情況下節省能量消耗將成為研究的重中之重[1]。

2 LEACH層次路由

LEACH（low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是無線傳感器網絡中典型的低功耗自適應的層次路由協議[2]。該協議假定所有的傳感器節點的地位都是平等的，每個節點具有的能量和各個方向的能耗都是相等的。以“輪”的方式隨機選擇簇頭節點，簇頭節點將獲取的非簇頭節點感知的信息傳遞給匯聚節點，將整個網絡的能量消耗均衡地分攤到網絡中的每一個傳感節點，從而均衡網絡中各個節點的能量消耗，來達到提高網絡生存周期的目的。

LEACH路由算法在操作中采用“輪”的方法，每一輪由初始階段和穩定階段組成。在每一輪的初始階段，每個傳感節點產生一個0～1的隨機數，如果這個隨機數小于T（n），那么該節點就是簇頭[3]。T（n）的計算公式為：

（1）

其中，p為簇頭數占總傳感節點數的百分比，r是當前的選舉輪數，G是最近1/p輪不是簇頭的節點集。

簇頭節點選舉成功后，向周圍的節點宣布自己是本輪的簇頭節點，非簇頭節點將根據接收到的信號強弱來決定加入到哪個簇，并通知要加入的簇頭節點。在穩定階段，傳感器節點采集數據，傳遞給簇頭節點，簇頭節點進行數據融合后傳給匯聚節點。圖2所示是LEACH層次路由算法示意圖。

圖2 LEACH層次路由算法

2.1 自動退避的簇頭選舉機制

在該路由算法中，采用“輪”的方式隨機選舉簇頭，有效地均衡了傳感器節點的能量消耗，延長了無線傳感器網絡的生存周期。但是在這樣一個過程中，對于能量比較有限的傳感節點而言，也是同樣要消耗能量的。傳感節點可以根據自己剩余能量與原有能量的對比結果，來決定自己是否參與簇頭的選舉。如果剩余能量比較多，那么可以參與簇頭的選舉，反之，則自動退避簇頭的競爭以免消耗過多的能量，保存實力完成基本的信息感知功能，更好地服務于整個無線傳感器網絡。

2.2 設定閥值的數據融合

數據融合技術是無線傳感網中的一項非常重要的技術。傳感器節點的能量比較有限，而且經過大量的實踐證明，節點發送和接收數據的能量消耗要遠大于計算和正常工作的能耗。為了有效地提高傳感節點的生存周期，采用設定閥值的方式。

傳感器節點采集到監測數據后，根據節點中所設定的閥值和浮動范圍值確定是否要將該數據上傳，如果監測數據是在以閥值為中心的上下浮動范圍內時，不上傳數據；反之，如果超出了上下浮動范圍，那么通過簇頭上傳該數據，修改管理中心數據庫里的監測數據，同時將監測數據作為新的閥值繼續監測。

由于分布于待檢測區域的傳感器，所感知的是周圍環境中的一些模擬信息，而模擬量有連續變化的特征。基于這種實際情況，基于閥值的數據融合策略可以極大降低上傳的數據信息量，從而能夠節省自身的能量消耗。

2.3 基于能量的多路徑路由

在LEACH層次路由算法中，非簇頭節點根據信號的強弱來尋找自己合適的簇頭節點，通過自動退避的簇頭選舉機制以及設定閥值的數據融合技術，可以大大降低非簇頭節點和簇頭節點的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是待檢測區域中的多個簇頭節點與匯聚節點之間還是采用一跳的方式實現數據傳輸，這在一定程度上加劇了簇頭節點的能量消耗。在這里提出基于能量的多路徑路由算法，可以有效地提高多個簇頭源節點和目標節點之間的數據傳輸效率，均衡能量消耗。圖3所示就是基于能量的多路徑路由。

圖3 基于能量的多路徑路由

能量感知是根據簇頭節點的可用能量以及傳輸鏈路上的能量狀況選擇合適的路徑。這樣在簇頭節點和匯聚節點間將建立多條可達路徑，在此基礎上，根據節點的能量情況給每條路徑相應的選擇概率，在簇頭節點傳送融合后的數據時就根據概率隨機選擇一條路徑[4]。通過這樣一種方式，將待檢測區域中的多個簇頭節點的一跳數據傳送轉換為基于能量的多路徑路由，一方面由于距離的縮短減少了簇頭節點的能量損耗，另一方面綜合考慮多個簇頭節點的剩余能量狀況和能量消耗情況選擇合適的傳送路徑，從而有效節省了能量消耗，延長了網絡生存周期。

4 結 語

本文采用自動退避的簇頭選舉機制、設定閥值的數據融合技術以及基于能量的多路徑路由策略優化了LEACH層次路由算法，不僅降低和均衡了傳感器節點和整個無線傳感網絡的能量消耗，而且優化了從簇頭節點到匯聚節點的數據傳輸的能量消耗。

參 考 文 獻

[1]趙靜，潘斌. 無線傳感器網絡能耗分析與策略研究[J].通信技術，2010，43（10）：87-88.

[2]楊明帥.無線傳感器網絡路由算法研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[3]胡彧，王靜.基于蟻群算法的LEACH協議研究[J].傳感技術學報，2011，24（5）：747-748.

[4]孫利民，李建中，陳渝，等. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[5]潘高峰，馮全源. 超寬帶無線多媒體傳感器網絡中的能耗分析[J].高技術通訊，2011（6）： 569-574.

Discussion on energy consumption in wireless sensor network

SHANG Hong

（Wuxi South Ocean College， WuXi 24081， China）

Abstract： In wireless sensor network， the imbalance of sensor node energy consumption will lead to premature failure of the entire network. Some strategy is put forward based on LEACH hierarchical routing algorithm， such as the cluster head automatic backoff selection mechanism， data fusion with setting threshold and multi path strategy based on energy aware. The network equilibrium and energy consumption are optimized， which greatly improved the service life of the sensor nodes， and prolonged the network life cycle.

Keywords： wireless sensor network； energy consumption； LEACH； network equilibrium

4 結 語

本文采用自動退避的簇頭選舉機制、設定閥值的數據融合技術以及基于能量的多路徑路由策略優化了LEACH層次路由算法，不僅降低和均衡了傳感器節點和整個無線傳感網絡的能量消耗，而且優化了從簇頭節點到匯聚節點的數據傳輸的能量消耗。

參 考 文 獻

[1]趙靜，潘斌. 無線傳感器網絡能耗分析與策略研究[J].通信技術，2010，43（10）：87-88.

[2]楊明帥.無線傳感器網絡路由算法研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[3]胡彧，王靜.基于蟻群算法的LEACH協議研究[J].傳感技術學報，2011，24（5）：747-748.

[4]孫利民，李建中，陳渝，等. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[5]潘高峰，馮全源. 超寬帶無線多媒體傳感器網絡中的能耗分析[J].高技術通訊，2011（6）： 569-574.

Discussion on energy consumption in wireless sensor network

SHANG Hong

（Wuxi South Ocean College， WuXi 24081， China）

Abstract： In wireless sensor network， the imbalance of sensor node energy consumption will lead to premature failure of the entire network. Some strategy is put forward based on LEACH hierarchical routing algorithm， such as the cluster head automatic backoff selection mechanism， data fusion with setting threshold and multi path strategy based on energy aware. The network equilibrium and energy consumption are optimized， which greatly improved the service life of the sensor nodes， and prolonged the network life cycle.

Keywords： wireless sensor network； energy consumption； LEACH； network equilibrium

4 結 語

本文采用自動退避的簇頭選舉機制、設定閥值的數據融合技術以及基于能量的多路徑路由策略優化了LEACH層次路由算法，不僅降低和均衡了傳感器節點和整個無線傳感網絡的能量消耗，而且優化了從簇頭節點到匯聚節點的數據傳輸的能量消耗。

參 考 文 獻

[1]趙靜，潘斌. 無線傳感器網絡能耗分析與策略研究[J].通信技術，2010，43（10）：87-88.

[2]楊明帥.無線傳感器網絡路由算法研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[3]胡彧，王靜.基于蟻群算法的LEACH協議研究[J].傳感技術學報，2011，24（5）：747-748.

[4]孫利民，李建中，陳渝，等. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[5]潘高峰，馮全源. 超寬帶無線多媒體傳感器網絡中的能耗分析[J].高技術通訊，2011（6）： 569-574.

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SHANG Hong

（Wuxi South Ocean College， WuXi 24081， China）

Abstract： In wireless sensor network， the imbalance of sensor node energy consumption will lead to premature failure of the entire network. Some strategy is put forward based on LEACH hierarchical routing algorithm， such as the cluster head automatic backoff selection mechanism， data fusion with setting threshold and multi path strategy based on energy aware. The network equilibrium and energy consumption are optimized， which greatly improved the service life of the sensor nodes， and prolonged the network life cycle.

Keywords： wireless sensor network； energy consumption； LEACH； network equilibrium