無線傳感器網絡低功耗分簇路由算法研究

1 相關研究
針對無線傳感器網絡能量受限的特點，對適應其特點的低功耗算法研究也一直繼續著。Heinzelman提出了LEACH(Low―Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低能耗自適應分簇層次)算法。其核心思想是讓每個節點輪流擔當簇首，從而使得網絡中的能量消耗盡可能均勻，減少網絡失效時刻的能量浪費。LEACH算法只考慮了單跳模型，因此只適合于小型wSN網絡。參考文獻提出了M―LEACH(Multi―hop variant of LEACH，多跳LEACH)算法，簇內的節點不是以單跳的方式傳輸數據到簇首，而是通過簇內其他節點轉發。參考文獻提出了一個多跳簇首模型，采用從下到上的策略，逐層生成每一層的簇首，最終得到一個多層結構的WSN網絡。參考文獻采用基于代價的目標函數對傳感器網絡設計進行了分析，推導出單跳和多跳的適用范圍，最后提出一種單跳多跳混合的路由算法，以解決網絡中的“能量熱點”問題。本文在前人研究的基礎上提出一種適合無線傳感器網絡能量受限特點的低功耗路由算法。

2 網絡模型
無線傳感器網絡是由大量部署在觀測環境中的微型、廉價、低功耗的傳感器節點，以無線、自組織的方式，通過多跳通信而快速形成的網絡系統。WSN的典型布撒是通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式來完成的。圖1給出了傳感器網絡體系結構一般形式的描述。

假定傳感器網絡中的各節點隨機均勻分布在一個方形區域內，并且具有如下性質：
①惟一的基站部署在網絡外部較遠的位置；
②每個節點有惟一的標識；
③傳感器節點部署后不再移動；
④所有節點平等，具有相同的計算和通信能力；
⑤節點的地理位置信息不可知；
⑥發射節點與不同距離的接收節點通信時，可以調整發射功率。

3 算法描述
本算法采用LEACH算法中“輪”的思想，每一輪工作由2個階段組成：一是簇的建立階段；二是數據傳輸階段。在簇的建立階段，主要完成簇首的選取、簇的生成，以及時限的分配；在數據傳輸階段，主要完成的是各個傳感器節點把采集到的數據逐層上傳到基站，其中包括必要的數據融合、數據加密等處理。
3．1 簇的結構及首輪簇首選舉
在無線傳感器網絡分簇算法的研究中，大部分都是在網絡簇的同構模型上進行研究，例如如何使各個簇的節點數目盡量相同、簇的大小盡量相同，在此基礎上有效地降低能量的消耗。多數的分簇算法都采用簇首多跳將數據傳輸到基站，使得距離基站較近的節點不但要收集本簇內節點傳送上來的數據，而且同時要轉發其他比它距離基站遠的簇首節點發送的數據，這就使得距離基站較近的節點要比遠離基站的簇首節點消耗更多的能量。如果采用簇結構同構的分簇方法，往往距離基站較近的簇首能量消耗要相對大，導致新一輪的簇首選舉，造成整個網絡暫停工作，甚至于節點早期進入死亡階段。為了避免這種情況發生，本算法初步采用簇大小異構的方法，即距離基站遠的簇結構比距離基站近的簇結構大，來均衡轉發數據的能量消耗。
在網絡部署階段，基站用一個給定的發送功率向網絡內廣播一個信號。每個傳感器節點在接收到此信號后，根據接收信號的強度計算它到基站的近似距離。獲得這個距離，不僅有助于傳感器節點向基站傳輸數據時選擇合適的發送功率以降低能量消耗，而且它還是算法構造大小非均勻的簇的必需信息之一。非均勻分簇網絡結構如圖2所示。