傳感器網絡中能耗均衡的節點優化分析

摘 要：降低網絡能耗，延長網絡的壽命，對于傳感器網絡來說有著重要意義，這是傳感器網絡設計中最主要的目標。分簇這種方法能夠明顯降低網絡能耗，單跳通信是傳統傳輸方式，以此方法傳輸數據時，由于距離基站太遠，過程中能耗過大，簇頭會因此死亡。各個節點的能耗會對網絡生命周期帶來很大影響，因此，設計出高效節能的路由是眼下的重要課題，因此均分簇算法應運而生，這種方法能顯著降低節點能耗，利用分割線對網絡分簇，優化節點位置，利用定時器選出最佳簇頭，與基站進行多跳通信，這樣一來，有效降低了節點的消耗，延長網絡生存周期。

關鍵詞：傳感器網絡；能耗均衡；節點優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.066

傳感器網絡由多種功能且能夠自行組織的節點所組成，這些自行組織的節點以隨機分布的形式存在與網絡之中，相互之間進行合作以收集信息，將這些信息打包發送給觀察者。節點所在區域多為高危地帶，很難人為供電，所以只能使用電池來提供能源，但是這些節點消耗能源的速度是非常快的，電池很難承受這樣的消耗速率，所以會很快被耗盡，這樣一來，提高節點的能量利用效率是亟待解決的一項重要問題，解決這個問題之后，網絡壽命將得到有效延長。

1 LEACH協議中有關降低節點能耗的內容

在此協議相關算法中，網絡中的節點會自發形成簇，之后在這些簇中選擇一個最佳簇作為簇頭，其他的普通節點將會傳遞自身所攜帶的信息傳輸給簇頭，由融合之后再傳給基站。為了增加簇頭的使用壽命，減少其能耗，此算法創造除了輪的概念，具體來講就是所有節點都參與到這個過程中，輪流擔任簇頭，這其中包含兩個過程，即簇的建立階段以及穩定運行階段。

第一順序無線電模型是傳感器網絡中最常使用的能量模型，在節點發送kbit數據時所用到的公式為：

公式中k是發送時的二進制位數，d是發送距離，d0為發送距離門限值，，EELEC為射頻能耗系數，為電路中放大器能耗系數。節點接受lbit數據的能耗為：Erx（l）=Eelec*l。

傳輸與接收數據的過程中都會消耗能量，所以，想要降低節點能耗就需要找到最佳的簇頭，這樣才能有效降低數據交流中所消耗的能量，而想要將簇頭節點的位置均衡分割需要將網絡進行均勻分割，因此，這時最關鍵的問題就是如何將網絡均分，而且在均分的網絡中將最佳簇頭節點找出來，這才是降低能耗的最佳途徑。

在網絡均分之后，其中的簇群也是均勻分布的，因此，簇頭節點也是均勻分布的，這樣就能夠減少節點能耗，所以，將網絡均勻分布的方法，以及選擇出簇頭的所依賴的客觀因素，都是需要著重考慮的地方，這些所依賴的基本思路為：①用分割線進行劃分網絡，以達到均分的目的；②選擇簇頭需要看的是剩余能量與綜合距離。

分割線的確定與選擇比較困難和繁瑣，而且最佳的分割位置也因此很難確定，粒子群算法從大局著眼，全局進行搜索，可以迅速搜索出分割線的最佳位置，實現很簡單，所以，引入此算法，將分割線的確定與選擇變得簡單化，但也存在一定的缺點，粒子群算法容易局限于一個區域中，只能判斷出局部最佳分割線，所以，粒子的更新速度需要進行優化。

2 能量均衡的均勻分簇算法（EBEC）

（1）網絡模型。EBEC算法是運用基站進行整體控制的方法，其過程包括建立簇群和傳輸數據，建立簇群又包括均勻分簇和選擇簇頭。

網絡具有很多特點，而在一個擁有很多傳感器節點并且是均勻分布的網絡環境中，其具有以下幾點特點：①基站一般都位于中心地帶，在區域確定并且部署完基站和傳感器節點之后，二者都會固定位置，不再發生移動；②所有的節點都能夠融合數據，因為其都是一樣的組成方式，但每個節點又都有其唯一的標識；③每個節點所在的坐標點都是可監測的，并且它們的鏈路是對稱的。

（2） 應用粒子群算法進行分簇。分割線的確定是根據網絡中的某一點的位置，點的確定是由坐標和x周的夾角來確定，具體為Z=（x，y，θ），（x，y）是位于分割線上的點的坐標，θ是分割線與x軸的夾角。

fitness函數是對個體進行評價的函數 ，公式為：

F達到最大時則是最佳的分割線的位置，其中Csi（i=1，2），分別表示第S次劃分區域時區域i的節點個數。

在使用標準的POS算法計算時，對于單個粒子更新時產生的影響沒有計算進去，因此，在經過多次試驗之后，提出了下面的粒子更新速度公式：

使用來替代個別個體的極值，是這些個體極值的平均值，r1、r2數值不定，但一般在（0、1）之間。在所建立的空間模型中，利用POS算法找到最佳分割線并且將網絡分成兩個相同大小的空間。用該算法在全部結果中選出最佳解，這就是最佳分割線。判斷其最佳的標準是定義出最適合的適應度函數。

3 最大化網絡壽命模型

在傳感器網絡中，傳感器節點在收集了一次數據之后，將其傳遞給簇頭，簇頭在融合之后將其傳輸到S ink，這就是一次對于數據收集的過程。假設第i層內節點的壽命為T，在一次數據采集過程中平均消耗的能量為E，因此，網絡的最大化壽命模型為：

4 結束語

本文提出能量均衡的均勻分簇算法，通過POS算法求得最優的分割線劃分位置，但還不是十分成熟，仍需努力。

參考文獻：

[1]蔣暢江，向敏，唐賢倫.基于use的無線傳感器網絡分簇路由協議田[J].計算機工程，2012.38（17）：59-62.

基金項目：寧夏固原市科技支撐計劃課題（固科技發〔2014〕33號）

作者簡介：康凱（1982-），男，寧夏固原人，工學碩士，研究方向：計算機網絡、物聯網技術、大數據。