能量均衡的無線傳感器網絡路由算法的研究

許弘

【摘要】 無線傳感器網絡技術結合嵌入式計算機技術、傳感器技術、無線通信技術以及分布式信息技術，監測區域中傳感器節點構成網絡，網絡單個節點能量有限、但是存在龐大的節點數量，所以，對節點能量進行合理應用，可以提升網絡周期，是未來發展無線傳感器網絡路由的基本目的。本文集中闡述了能量均衡的無線傳感器網絡路由算法。

【關鍵詞】 能量均衡 無線傳感器 網絡路由 算法

一、無線傳感器網絡基本概述

無線傳感器網絡基本上都是監測范圍中利用很多微型廉價傳感器節點來構成網絡，利用無線通信技術來形成自組織網絡系統，主要就是對覆蓋范圍中的信息進行采集、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，從而能夠在監測范圍內部署隨機傳感器節點，人工埋置、飛行器撒播等方式來體現傳感器無線通信、感知信號以及處理信號的能力，不只是數據發起人員，也是自組織網絡者，利用多跳方式處理數據包，依據衛星、移動網絡等多種形式來聯絡網關，組中大規模應用數據管理節點，以便于能夠及時收集和監測數據信息。應用無線傳感器網絡的場合取決于傳感器網絡綜合性能，以此需要綜合分析傳感器網絡魯棒性、能源有效性、可擴展性、時間延遲型等[1]。第一，選擇網絡拓撲控制算法。從無線傳感器角度進行分析，控制網絡拓撲具備很大的作用，可以在一定程度上提升路由協議效率，為數據提供時間同步和融合時間的依據，能夠有效提升網絡使用期限，在符合網絡連通度和覆蓋度的基礎上，選擇合理的網絡，其中合理應用骨干網節點和功率控制，除去網絡中不合理的通信鏈路，以便于形成高效傳輸數據的拓撲結構，主要包括兩方面內容為層次型拓撲結構和節點功率控制拓撲結構。第二，網絡協議。傳感器節點具備比較有效的能量，盡可能提高網絡期限，降低能量消耗，是設計網絡結構的關鍵，傳感器具備比較薄弱的通信能力和存儲能力，以至于不能過于復雜的設計網絡協議?，F階段，重點分析數據鏈路層協議、網絡層協議、路由協議來對傳輸監測信息路徑進行控制，以便于構建基礎結構。第三，數據融合技術。這種技術雖然能夠提升信息準確度和節約能量，但實際應用的時候要犧牲其他性能，傳輸數據的時候，需要方便融合數據的路由，并且結合數據融合技術，來提升網絡平均延遲[2]。

二、能量均衡的無線傳感器網絡路由算法

1、IGPSR-1算法向前區域。IGPSR-1算法實際上就是距離sink比較近的位置來承擔數據轉發和接受的工作，十分容易好近能量，以至于出現大面空洞路由的現象，導致降低網絡性能和縮短生命周期，為了能夠解決問題，利用sink動態節點來傳輸數據。

2、IGPSR-2算法向前區域。IGPSR-2算法就是在 IGPSR-1前向區域中對能量進行分析，能夠對網絡節點中消耗能量的情況進行均衡，在所有子區域中計算轉發節點概率，前向子區域選擇概率一般低于選擇概率[3]。

3、節點概率傳輸機制。無線傳感器網絡中一般都會出現比較多冗余節點，轉發節點中如果出現數據隨機發送的情況，容易導致網絡節點浪費能量、隱藏終端或者爆炸等問題，實際應用中如果能夠控制前向子區域中選擇節點的概率，此時能夠可以一定程度上避免上述問題?，F階段，不少路由算法開始充分分析節點選擇概率，但是一般都是智能分析局部影響，怎樣利用預先計算的方式來對概率值進行計算，并且隨機對比前向區域函數，從而轉發數據，通過相鄰節點和sink之間距離以及剩余節點能量函數來為轉發節點提供依據，同時能夠獲得滿足實際情況的節點能量值。

4、算法和分析。衡量算法好壞的關鍵就是時間復雜度，利用IGPSR-1算法和IGPSR-2算法進行分析，兩者方式具備類似的復雜度，時間執行角度進行分析，兩種算法主要包括三部分，轉發路徑中節點計算傳輸概率時間、前向子區域能量平均時間以及周邊轉發時間。

5、仿真實驗。1設置參數和構建仿真環境。對IGPSR-1算法和IGPSR-2算法進行性能評估，對比分析經典和現代化算法協議，利用NetTopo仿真平臺，基于500×500m拓撲結構，在其中隨機分布500～1000個點，擁有50m的傳輸半徑，所有節點基本5～10J初始能量，存在3000bit數據包。實際操作中所有仿真實驗都利用兩種IGPSR算法來進行操作，其中多次驗證六種結構，結果取平均值。2分析仿真結果。從運行網絡到第一節能量節點的生命周期為網絡壽命，實驗過程中從網絡給出數據包的基本數量來對壽命進行分析，在規定期限內出現越多的數據包，表明具備更長的壽命。無線傳感器網絡性能取決于網絡壽命，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算法明顯優于IGPSR-1算法。

結束語：綜上，網絡結構在節點剩余能量中存在一定差別，現階段劃分需要轉發數據包節點，形成前向轉發區域，在轉發區域中利用概率選擇機制對下一跳節點進行合理選擇，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絡的周期。

參 考 文 獻

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

[2] 吳三斌，柳強，李成博等.基于能量均衡的無線傳感器網絡路由算法[J].計算機應用研究，2012，29（4）：1465-1469，1482.

[3] 滕志軍，張帆，宋明輝等.無線傳感器網絡能量均衡蟻群路由算法[J].吉林大學學報（工學版），2016，46（1）：327-332.