基于非均匀分布路由算法的WSN的能量空洞避免研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于非均匀分布路由算法的WSN的能量空洞避免研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：节点非均匀分布策略能缓解无线传感器网络中的能量空洞问题，该文提出一种节点非均匀分布策略及其路由算法来解决此问题，该算法基于最小跳数来实现，最终模拟结果显示，在一个网络生命周期快要结束时，位于网络中的各节点基本实现了能耗均衡的效果。
关键词：无线传感器网络；能量空洞；节点非均匀分布
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)08-1818-03
WSN’s Energy Hole Avoidance Research Based on Nonuniform Node Distribution Routing Algorithm
LI Hong-yan，LIU Rong
（Changsha School of Medicine, Changsha 410219, China）
Abstract: The nonuniform node distribution strategy can be used to mitigate the energy hole problem in wireless sensor networks, the paper propose a novel nonuniform node distribution strategy based on their analysis and a routing algorithm coupling with the proposed node distribution strategy for achieving the suboptimal energy efficiency. Simulation results show that when the network lifetime ends, the inner coronas nearly attain balanced energy depletion.
Key words: wireless sensor networks; energy hole; nonuniform node distribution
无线传感器网络WSN（wireless sensor networks，简称WSN）是一种能量有限的网络，许多节点通过电池获取能量看，一旦耗尽，能量通常无法得到补充。在WSN中，一些传感器节点起到生产数据和转发数据的双重作用，而且存在这样一个显著特点：离Sink较近的节点需要分担更多的通信负载，与此对应的就是加速了这些节点的能量消耗，所以，针对这样一个事实，容易导致在Sink周围出现能量空洞。因此，寻找有效的节能方案，提高网络寿命是WSN关注的一个重要问题。在这方面的研究中，WSN的路由算法是一个异常活跃的领域。针对能量空洞现象，论文从实际出发，结合当前的相关研究，提出了一种基于最小跳数（Mininum Hop Count，简称MHC）的wsn节点非均匀分布的路由算法，该算法以最小剩余能量和最小跳数作为路由选择的度量标准，从而使得每一个节点到Sink节点之间有一条最佳路径用以实现信息包的转发，以此避免能量空洞，提高网络寿命。
1网络模型及假定
为了提出基于非均匀分布的有效路由算法，这里做如下假定：网络中所有节点统统位于半径为R的圆形区域中，该区域的中心点即圆心为Sink节点且能量不受限制，为了能够说明问题，我们再假定圆形区域中的每个节点都有一个ID号，用以识别每一个节点，且单个节点的通信半径为一个标准单位。这样，我们的网络模型就被划分成R（R>1）个相邻的同心圆环，且每个圆环的宽度也为一个标准单位。从圆心Sink节点向各个节点，我们用Ci表示第i个圆环，根据前面的假定，Ci区域中的节点到圆心Sink节点的距离大于（i-1）小于i。在通信负载上，我们假定圆环中每个节点在一个单位时间产生和发送L比特数据，处于圆环{Ci|i≠R}中的节点需要向Sink转发自身和处于圆环{Cj|(i+1)≤j≤R}中节点产生的数据。另外，这里需要声明的是，由于我们的研究范围是一个圆环内，所以圆环CR中的各节点没有必要向环外的其他各节点转发数据，故此能量消耗为零。按照节点能量消耗及通信模型，我们设定每个节点的初始能量是ε，并且ε大于0，CR圆环中心的Sink节点没有能量约束，通过这些参数我们可以分别建立节点发送和接受k比特数据的能耗分别为：
Etx(k,d)=k?Eelec+k?Eamp
Erx=k?Eelec（2）
在上面两个公式中，参数k为节点发送信息包的数据量，参数d为节点与节点之间的通信距离，参数Eelec为收发电路的功耗系数，参数Eamp为功率放大电路的功耗系数。从公式中可以明显地看出，一个节点发送1个单位的数据量所要比接受1个单位的数据量所需要的能量要大。
在WSN中，假设在源节点i产生Ai比特数据、距离下一跳节点j的距离dij，由公式（1）（2）得到公式（3）（4）。节点i向j发送Ai比特数据消耗的能量表示为：
2非均匀分布路由算法
2.1路由策略
本文采用的节点非均匀分布策略具体为：在离Sink较近的圆环中布置较多的节点，除最外圆环中的节点外，其他节点均能实现能量负载均衡，从而能有效延长网络生命周期。本文在路由算法实现上采用最小跳数，通过最小跳数再WSN中建立最小跳数场和路径节点最小能量场，这样，WSN中其余节点就会沿着能耗最优的方向向中心Sink节点发送信息包，该路由算法使得整个网络的能耗更加均衡，延长了网络的生存时间，从而能有效解决由于能耗而使节点过早死亡的问题。
2.2算法描述与分析
该算法首先在传感器网络中建立最小跳数场，然后沿着该场的方向获取并存储各传感器节点的剩余能量数据，以便传感器网络中的节点在转发信息包时参照路径节点最小、剩余能量最大这两个指标实现最优路径的信息传送。跟其他算法相比，该算法的优点可以确保传感器网络中每一个节点的数据包沿着最佳路径向圆环中心节点Sink发送，从而使其总能耗最小。
在最小跳数基本原理的基础上，算法具体实现是这样的：远离圆环中心的各传感器节点首先将自身采集的信息通过层层环扣的方式向中心Sink节点转发，在发送的时候，该节点首先搜索从一张动态表中搜索可用的节点集，通过该表选择剩余能量最大的节点作为中间节点来转发信息包，同样后续节点收到信息包后也会采取同样的行为并作进一步的处理，最后直至信息包发送到中心sink节点为止。下面通过伪代码的形式来描述该算法，具体如下：
for each sensor node i do begin
int temp = infinity; //定义temp为无穷大int node; //等于节点变量if( packet generate or package in ) then{
//如果有信息产生或者有信息到来for( k=0; k
//检查节点的next-hop可用节点集if( temp>=avanodelist[k].MPE ) then{
//选择next-hop可用节点集中路径MPE最大的节点
temp = avanodelist[k].MPE;
node = k;}}}
send(packet,node);//向选定节点发送信息包
end
在节能方式上，一种有效的做法就是减少网络中的冗余信息。在该路由算法中，通过从next-hop可用节点集中选择一个内环节点进行信息包转发，成功克服了广播导致的信息包冗余，有效地避免了冗余信息处理带来的额外能量消耗。
在WSN中，一些核心节点的失效对网络的生存有很大影响，所以，这些核心节点的确定和考虑是避免能量空洞算法的一个方面，同时，在实际工作中，网络节点能量的均衡消耗也是WSN路由算法设计必须考虑的问题。在基于最小跳数的非均匀节点路由算法中，存在一个能量阀值，即：若某个节点的剩余能量小于该阀值，那么这个节点将以消息的方式通知其外环节点，声明自己将不再作为信息包的中间转发节点，这样，处于外环中的节点收到该该消息后，便从一个可用节点列表中删除该节点。所以，在该算法中，可用节点列表是一张动态变化的表，通过该表的不断更新实现网络中节点的能量均衡。
4 WSN中节点能量消耗分析
为了表述问题的方便，本文设定如下的参数：Ni表示圆环Ci中传感器节点的数目，Ei表示圆环中所有节点在单位时间内的能耗。于是可以得到一点时间内，圆环CR中的所有节点消耗的能量公式：
ER=NRLe1
（5）
根据前面的分析，我们知道在圆形区域CR中，除中心节点Sink以外的所有节点都身兼产生数据和转发数据的双重功能，所以又有如下公式：
Ei=L[∑ Nk(e1+e2)+Nie1],1≤i≤R-1（6）
综合公式（5）（6），即可得到每个圆环中所有节点在单位时间内消耗的能量：
Ei=
在公式（5）（6）（7）中，e1表示无线传感器网络节点发送1比特数据消耗的能量，e2表示无线传感器网络节点接受1比特数据消耗的能量，L表示单位数据长度，NR表示最外环节点数，R表示网络半径。4仿真实验
在Matlab环境下，对本文提出的非均匀分布路由算法进行仿真，其仿真参数如表1所示。
表1仿真实验中的模拟参数
在实验过程中，我们首先在半径R=4的圆环区域中部署了32个节点，具体安排是：最外圆环C4中放置4个节点，内层圆环C3-C1中的节点以等比系数2进行增长。通过实验发现，在一个传感器网络的生命周期中，由于节点能量负载的不均衡，使得最外圆环C4中节点的剩余能量远远多于圆环其他位置中节点的剩余能量，并且当网络生命周期快要结束时，圆环中其他位置上的节点的剩余能量值都小于0.5，这些数据和本文的分析相一致。接下来，为了更能说明问题，我们在同样的网络区域部署了108个节点，具体安排是：最外圆环C4中的节点数目是4，内层圆环C3-C1中的节点数目以等比系数3增长，通过实验发现，除最外圆环有较多能量剩余外，其他圆环中的节点几乎耗尽了能量，这和前面实验场景中的结果相同。所以，整个仿真实验的结果表明，本文提出的采用最小跳数的节点非均匀分布路由算法在能耗均衡方面表现出非常不错的性能，有效避免了能量空洞的产生。
5结束语
本文针对无线传感器网络中的能量空洞和有效利用有限的能量资源而提出了一种非均匀分布的路由算法――基于最小跳数。该算法通过路径节点最小、剩余能量最大两个指标选择信息包转发的最优路径，通过动态可用节点列表记录网络中的有效节点，这样，减少了传感器节点的能量消耗，有效地避免了能量空洞现象的形成，最终仿真实验结果也证实了这一点。
参考文献：
[1]张萃玲,陈志刚.非均匀部署WSN的能量空洞避免策略[J].计算机工程,2010,36(2):83-85,86.
[2]杨云,陈拥军.基于最小跳数的WSN非均匀分布的路由算法[J].计算机应用研究,2010,27(9):3446-3448.
[3]吴小兵,陈贵海.无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题[J].计算机学报,2008,31(2):253-260.