基于最小能耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

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　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)擁有感知能力、無(wú)線通信能力以及計(jì)算能力。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有不依賴與任何預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等特點(diǎn)，所以在軍事應(yīng)用、大型設(shè)備監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)都有著廣泛的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布數(shù)量眾多，且能量是由容量有限的電池供電，更換不易。傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊上。所以如何設(shè)計(jì)節(jié)能高效的路由策略是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的重要手段。

　　近些年來(lái)，一些節(jié)能高效的路由算法相繼被提出。文獻(xiàn)通過(guò)引入長(zhǎng)期睡眠機(jī)制，防止網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫^(guò)早耗盡能量而死亡，引起網(wǎng)絡(luò)無(wú)效。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)ADOCA，有效地改善了無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的有效性。文獻(xiàn)提出了一種基于多蟻群無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，采用多種蟻群并行搜索，并在種群中采用基于目標(biāo)函數(shù)值的啟發(fā)式信息素分配策略和根據(jù)目標(biāo)函數(shù)自動(dòng)調(diào)整螞蟻搜索路徑。文獻(xiàn)中針對(duì)SPR路由算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了EB-SPR算法。將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造成層次結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)上一層鄰節(jié)點(diǎn)能量水平優(yōu)先使用能量多的節(jié)點(diǎn)作為下一跳來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，但是這種算法中節(jié)點(diǎn)需要時(shí)刻維護(hù)各個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)能量信息，增加了數(shù)據(jù)傳輸量。文獻(xiàn)提出了最早的分層路由協(xié)議之一，LEACH算法。通過(guò)循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。本文提出了一種新的基于最小能耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)采取休眠處理，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗研究和路由分析

　　1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗研究

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要有傳感器模塊，處理器模塊，無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前傳感器模塊和處理器模塊能耗越來(lái)越低。但是，傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能，傳輸1 b信息到100 m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3 000條指令消耗的能量。

　　本文假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信電路模型，其中發(fā)送和接收電路消耗能量Eelec=50 nJ/b，發(fā)送放大器消耗能量εamp=100 pJ/(b/m2)。所以，使用該模型從節(jié)點(diǎn)A傳輸kb信息至距離為d的節(jié)點(diǎn)B時(shí)，節(jié)點(diǎn)A消耗的能量為ETx(k，d)=Eeleck+εampkd2，接收該信息，節(jié)點(diǎn)B消耗的能量為ERx(k)=Eeleck。如圖1所示。

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　　無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)。無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無(wú)線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。從圖2中可看到，無(wú)線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。

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