基于最小能耗的無線傳感器網絡路由算法

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　　無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)。同時，網絡中的節(jié)點擁有感知能力、無線通信能力以及計算能力。由于無線傳感器網絡具有不依賴與任何預設網絡設施等特點，所以在軍事應用、大型設備監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測和預報等領域，傳感器網絡都有著廣泛的應用前景。傳感器網絡中節(jié)點分布數量眾多，且能量是由容量有限的電池供電，更換不易。傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，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線通信模塊上。所以如何設計節(jié)能高效的路由策略是延長網絡生存周期的重要手段。

　　近些年來，一些節(jié)能高效的路由算法相繼被提出。文獻通過引入長期睡眠機制，防止網絡中的某些節(jié)點因為過早耗盡能量而死亡，引起網絡無效。文獻設計了一種無線傳感器網絡通信架構ADOCA，有效地改善了無限傳感器網絡通信的有效性。文獻提出了一種基于多蟻群無線傳感器網絡路由算法，采用多種蟻群并行搜索，并在種群中采用基于目標函數值的啟發(fā)式信息素分配策略和根據目標函數自動調整螞蟻搜索路徑。文獻中針對SPR路由算法進行改進，提出了EB-SPR算法。將網絡構造成層次結構，節(jié)點根據上一層鄰節(jié)點能量水平優(yōu)先使用能量多的節(jié)點作為下一跳來轉發(fā)數據包，但是這種算法中節(jié)點需要時刻維護各個鄰節(jié)點能量信息，增加了數據傳輸量。文獻提出了最早的分層路由協(xié)議之一，LEACH算法。通過循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網絡能耗、提高網絡整體生存時間的目的。本文提出了一種新的基于最小能耗的無線傳感器網絡路由算法，并對網絡中能量過低的節(jié)點采取休眠處理，延長了網絡的生命周期。

　　1 無線傳感器網絡能量消耗研究和路由分析

　　1.1 無線傳感器網絡能量消耗研究

　　傳感器網絡節(jié)點主要有傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊和能量供應模塊。隨著技術的進步，目前傳感器模塊和處理器模塊能耗越來越低。但是，傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能，傳輸1 b信息到100 m距離需要的能量大約相當于執(zhí)行3 000條指令消耗的能量。

　　本文假設一個簡單的無線通信電路模型，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A傳輸kb信息至距離為d的節(jié)點B時，節(jié)點A消耗的能量為ETx(k，d)=Eeleck+εampkd2，接收該信息，節(jié)點B消耗的能量為ERx(k)=Eeleck。如圖1所示。

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　　無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，檢查是否有數據發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關閉通信模塊。從圖2中可看到，無線通信模塊在發(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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