1、基于非均勻分布路由算法的WSN的能量空洞避免研究    摘要：節點非均勻分布策略能緩解無線傳感器網絡中的能量空洞問題，該文提出一種節點非均勻分布策略及其路由算法來解決此問題，該算法基于最小跳數來實現，最終模擬結果顯示，在一個網絡生命周期快要結束時，位于網絡中的各節點基本實現了能耗均衡的效果。 關鍵詞：無線傳感器網絡；能量空洞；節點非均勻分布 中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)08-1818-03 WSNs Energy Hole Avoidance Research Based on Nonuniform Nod

2、e 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

3、 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 ne

4、tworks; energy hole; nonuniform node distribution 無線傳感器網絡WSN（wireless sensor networks，簡稱WSN）是一種能量有限的網絡，許多節點通過電池獲取能量看，一旦耗盡，能量通常無法得到補充。在WSN中，一些傳感器節點起到生產數據和轉發數據的雙重作用，而且存在這樣一個顯著特點：離Sink較近的節點需要分擔更多的通信負載，與此對應的就是加速了這些節點的能量消耗，所以，針對這樣一個事實，容易導致在Sink周圍出現能量空洞。因此，尋找有效的節能方案，提高網絡壽命是WSN關注的一個重要問題。在這方面的研究中，WSN的路由算法是一

5、個異常活躍的領域。針對能量空洞現象，論文從實際出發，結合當前的相關研究，提出了一種基于最小跳數（Mininum Hop Count，簡稱MHC）的WSN節點非均勻分布的路由算法，該算法以最小剩余能量和最小跳數作為路由選擇的度量標準，從而使得每一個節點到Sink節點之間有一條最佳路徑用以實現信息包的轉發，以此避免能量空洞，提高網絡壽命。 1網絡模型及假定 為了提出基于非均勻分布的有效路由算法，這里做如下假定：網絡中所有節點統統位于半徑為R的圓形區域中，該區域的中心點即圓心為Sink節點且能量不受限制，為了能夠說明問題，我們再假定圓形區域中的每個節點都有一個ID號，用以識別每一個節點，且單個節點的

6、通信半徑為一個標準單位。這樣，我們的網絡模型就被劃分成R（R>1）個相鄰的同心圓環，且每個圓環的寬度也為一個標準單位。從圓心Sink節點向外圍各個節點，我們用Ci表示第i個圓環，根據前面的假定，Ci區域中的節點到圓心Sink節點的距離大于（i-1）小于i。在通信負載上，我們假定圓環中每個節點在一個單位時間產生和發送L比特數據，處于圓環Ci|iR中的節點需要向Sink轉發自身和處于圓環Cj|(i+1)jR中節點產生的數據。另外，這里需要聲明的是，由于我們的研究范圍是一個圓環內，所以圓環CR中的各節點沒有必要向環外的其他各節點轉發數據，故此能量消耗為零。按照節點能量消耗及通信模型，我們設定每

7、個節點的初始能量是，并且大于0，CR圓環中心的Sink節點沒有能量約束，通過這些參數我們可以分別建立節點發送和接受k比特數據的能耗分別為： Etx(k,d)=k?Eelec+k?Eamp Erx=k?Eelec（2） 在上面兩個公式中，參數k為節點發送信息包的數據量，參數d為節點與節點之間的通信距離，參數Eelec為收發電路的功耗系數，參數Eamp為功率放大電路的功耗系數。從公式中可以明顯地看出，一個節點發送1個單位的數據量所要比接受1個單位的數據量所需要的能量要大。 在WSN中，假設在源節點i產生Ai比特數據、距離下一跳節點j的距離dij，由公式（1）（2）得到公式（3）（4）。節點i向j發

8、送Ai比特數據消耗的能量表示為： 2非均勻分布路由算法 2.1路由策略 本文采用的節點非均勻分布策略具體為：在離Sink較近的圓環中布置較多的節點，除最外圓環中的節點外，其他節點均能實現能量負載均衡，從而能有效延長網絡生命周期。本文在路由算法實現上采用最小跳數，通過最小跳數再WSN中建立最小跳數場和路徑節點最小能量場，這樣，WSN中其余節點就會沿著能耗最優的方向向中心Sink節點發送信息包，該路由算法使得整個網絡的能耗更加均衡，延長了網絡的生存時間，從而能有效解決由于能耗而使節點過早死亡的問題。 2.2算法描述與分析 該算法首先在傳感器網絡中建立最小跳數場，然后沿著該場的方向獲取并存儲各傳感器

9、節點的剩余能量數據，以便傳感器網絡中的節點在轉發信息包時參照路徑節點最小、剩余能量最大這兩個指標實現最優路徑的信息傳送。跟其他算法相比，該算法的優點可以確保傳感器網絡中每一個節點的數據包沿著最佳路徑向圓環中心節點Sink發送，從而使其總能耗最小。 在最小跳數基本原理的基礎上，算法具體實現是這樣的：遠離圓環中心的各傳感器節點首先將自身采集的信息通過層層環扣的方式向中心Sink節點轉發，在發送的時候，該節點首先搜索從一張動態表中搜索可用的節點集，通過該表選擇剩余能量最大的節點作為中間節點來轉發信息包，同樣后續節點收到信息包后也會采取同樣的行為并作進一步的處理，最后直至信息包發送到中心sink節點為

10、止。下面通過偽代碼的形式來描述該算法，具體如下： for each sensor node i do begin int temp = infinity; /定義temp為無窮大int node; /等于節點變量if( packet generate or package in ) then /如果有信息產生或者有信息到來for( k=0; k/檢查節點的next-hop可用節點集if( temp>=avanodelistk.MPE ) then /選擇next-hop可用節點集中路徑MPE最大的節點 temp = avanodelistk.MPE; node = k; send(pac

11、ket,node);/向選定節點發送信息包 end 在節能方式上，一種有效的做法就是減少網絡中的冗余信息。在該路由算法中，通過從next-hop可用節點集中選擇一個內環節點進行信息包轉發，成功克服了廣播導致的信息包冗余，有效地避免了冗余信息處理帶來的額外能量消耗。 在WSN中，一些核心節點的失效對網絡的生存有很大影響，所以，這些核心節點的確定和考慮是避免能量空洞算法的一個方面，同時，在實際工作中，網絡節點能量的均衡消耗也是WSN路由算法設計必須考慮的問題。在基于最小跳數的非均勻節點路由算法中，存在一個能量閥值，即：若某個節點的剩余能量小于該閥值，那么這個節點將以消息的方式通知其外環節點，聲明自

12、己將不再作為信息包的中間轉發節點，這樣，處于外環中的節點收到該該消息后，便從一個可用節點列表中刪除該節點。所以，在該算法中，可用節點列表是一張動態變化的表，通過該表的不斷更新實現網絡中節點的能量均衡。 4 WSN中節點能量消耗分析 為了表述問題的方便，本文設定如下的參數：Ni表示圓環Ci中傳感器節點的數目，Ei表示圓環中所有節點在單位時間內的能耗。于是可以得到一點時間內，圓環CR中的所有節點消耗的能量公式： ER=NRLe1 （5） 根據前面的分析，我們知道在圓形區域CR中，除中心節點Sink以外的所有節點都身兼產生數據和轉發數據的雙重功能，所以又有如下公式： Ei=L Nk(e1+e2)+N

13、ie1,1iR-1（6） 綜合公式（5）（6），即可得到每個圓環中所有節點在單位時間內消耗的能量： Ei= 在公式（5）（6）（7）中，e1表示無線傳感器網絡節點發送1比特數據消耗的能量，e2表示無線傳感器網絡節點接受1比特數據消耗的能量，L表示單位數據長度，NR表示最外環節點數，R表示網絡半徑。4仿真實驗 在Matlab環境下，對本文提出的非均勻分布路由算法進行仿真，其仿真參數如表1所示。 表1仿真實驗中的模擬參數 在實驗過程中，我們首先在半徑R=4的圓環區域中部署了32個節點，具體安排是：最外圓環C4中放置4個節點，內層圓環C3-C1中的節點以等比系數2進行增長。通過實驗發現，在一個傳感器

14、網絡的生命周期中，由于節點能量負載的不均衡，使得最外圓環C4中節點的剩余能量遠遠多于圓環其他位置中節點的剩余能量，并且當網絡生命周期快要結束時，圓環中其他位置上的節點的剩余能量值都小于0.5，這些數據和本文的分析相一致。接下來，為了更能說明問題，我們在同樣的網絡區域部署了108個節點，具體安排是：最外圓環C4中的節點數目是4，內層圓環C3-C1中的節點數目以等比系數3增長，通過實驗發現，除最外圓環有較多能量剩余外，其他圓環中的節點幾乎耗盡了能量，這和前面實驗場景中的結果相同。所以，整個仿真實驗的結果表明，本文提出的采用最小跳數的節點非均勻分布路由算法在能耗均衡方面表現出非常不錯的性能，有效避免了能量空洞的產生。 5結束語 本文針對無線傳感器網絡中的能量空洞和有效利用有限的能量資源而提出了一種非均勻分布的路由算法基于最小跳數。該算法通過路徑節點最小、剩余能量最大兩個指標選擇信息包轉發的最優路徑，通過動態可用節點列表記錄網絡中的有效節點，這樣，減少了傳感器節點的能量消耗，有效地避免了能量空