無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗成簇算法的研究

摘 要：無線傳感器節(jié)點(diǎn)成簇，可以實(shí)現(xiàn)路由器的層次化水平，融合數(shù)據(jù)，降低其傳輸量，減少具體的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)能力。當(dāng)前研究中集中分成算法中的各類影響因素和內(nèi)在特質(zhì)，通過介紹節(jié)點(diǎn)情況和運(yùn)用場景，了解算法的使用情況和效果。為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗成簇研究提供文字參考。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)低能耗；成簇算法

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，體積小。處理情況好的特點(diǎn)，因而在實(shí)際中如何科學(xué)合理運(yùn)用上述資源和能力，可能向數(shù)據(jù)的收集者提供有效數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)傳輸是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法分析

（一）節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的無線鏈路運(yùn)用頻射技術(shù)，對無線通信能耗有較大的影響。選擇合適的調(diào)制模式，能夠平衡總體能耗、靈敏度和延遲等幾方面因素，調(diào)制的級別與功率放大器的能耗有著密切聯(lián)系，并且與DVS相類似，都是在動態(tài)需求中改變調(diào)制級別的節(jié)能耗的有效手段和方式。無線收發(fā)電力啟動后電源消耗較大，因而每次啟動發(fā)送電文的長度越長越好，這是降低啟動開銷的有效方式，但是如果把數(shù)據(jù)累計到一定長度后在進(jìn)行信息交流以及兌換，有可能影響數(shù)據(jù)發(fā)送到達(dá)時間，產(chǎn)生數(shù)據(jù)延遲的情況，所以在設(shè)置數(shù)據(jù)長度時，需要平衡這兩者之間的關(guān)系。

（二）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法

1）平面路由算法。網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都需要平等對待，如果一個節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，那么其他的節(jié)點(diǎn)在這里就會成為中轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最后才能達(dá)到Sink節(jié)點(diǎn)。這是“多跳”路由方式，一般Sink的附近節(jié)點(diǎn)與其他位置的節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的概率要高。

2）層次路由算法。層次路由主要將傳感器進(jìn)行分簇，簇內(nèi)的通信情況主要完成對象是簇節(jié)點(diǎn)，通過簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聚集情況能夠有效減少信息傳輸情況，然后把經(jīng)過處理的信息全部傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)，這種方式不但能夠滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)可拓展性，更能高效的維持住傳感器的能量消耗情況，讓網(wǎng)絡(luò)使用生命周期逐漸延長。延長其使用壽命。

（三）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)算法的特點(diǎn)以及設(shè)計注意事項

1）能量優(yōu)先原則。通常情況下傳統(tǒng)的路由器選擇最佳路徑時，節(jié)點(diǎn)能量消耗問題通常不在考慮范圍內(nèi)，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗需要受到限制，因而在設(shè)計過程中要重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)的生存周期以及傳感器的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議情況，在此節(jié)點(diǎn)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)的能量均衡成為使用中需要切實(shí)考慮的問題。

2）局部拓?fù)洹Ｊ褂脽o線傳感器期間，為了節(jié)約通信能量，多跳式的通信模式設(shè)置尤為重要，運(yùn)用各個節(jié)點(diǎn)存儲資源和計算數(shù)據(jù)，但是這樣節(jié)點(diǎn)就不能存儲大量的路由信息，復(fù)雜的路由計算也不能實(shí)現(xiàn)。因而在節(jié)點(diǎn)上如若想要獲取局部的拓?fù)湫畔ⅲ菍?shí)現(xiàn)高效簡潔路由機(jī)制需要解決的問題。

3）數(shù)據(jù)為設(shè)計中心。傳統(tǒng)的路由標(biāo)識情況主要以節(jié)點(diǎn)為路由標(biāo)識的主要依據(jù)，但是無線傳感中有大量的的網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)部署情況，關(guān)注核心是檢測區(qū)域中需要感知的數(shù)據(jù)，不是單一節(jié)點(diǎn)需要獲取的數(shù)據(jù)，因而不會依靠全網(wǎng)唯一標(biāo)示進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)中多個傳感器節(jié)點(diǎn)，因而整體的運(yùn)轉(zhuǎn)過程主要由多個傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接到少數(shù)Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流上面，通過感知數(shù)據(jù)情況，了解數(shù)據(jù)通信模式以及流向，把數(shù)據(jù)當(dāng)成信息和消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

二、B-LEACH算法

（一）選擇LEACH算法改進(jìn)的緣由

選擇主要考慮兩方面因素，目前使用的路由器由于協(xié)議消耗量比較少，并且分布比較均衡，因而能夠延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，也可以適度平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。層次路由協(xié)議在減少參與路由計算節(jié)點(diǎn)的情況下，可以先適度減少路由表的尺寸，讓交換路由信息滿足通信的開銷。層次路由的本質(zhì)是以簇為基礎(chǔ)形成的各類策略，選舉中產(chǎn)生穩(wěn)定性好的子網(wǎng)絡(luò)，可以避免拓?fù)鋵β酚善鳟a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化影響。

（二）LEACH算法概述

這是一種以微電子為基礎(chǔ)的傳感系統(tǒng)，與低能耗數(shù)模電子器件，低能耗射頻和廉價微型傳感器發(fā)展相一致。使用過程受到硬件條件限制，廉價傳感器與昂貴傳感器相比精度較差，但是其性能中的小微和廉價讓成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)在一定的區(qū)域范圍內(nèi)使用，節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)用數(shù)量優(yōu)勢彌補(bǔ)精準(zhǔn)度方面的不足，因而網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容錯能力也會逐步提升。

（三）LEACH算法的細(xì)節(jié)

LEACH算法在每一輪都開展計算，每一輪開始過程中都包含初始化和穩(wěn)定化階段。初始化節(jié)點(diǎn)能夠形成簇，穩(wěn)定階段開展數(shù)據(jù)傳輸，在節(jié)約開銷的前提下，穩(wěn)定階段的時間需要長于初始化階段。

主要描述LEACH算法的一輪工作過程。第一，在確立簇首節(jié)時，要求每一個成員都找到簇首節(jié)點(diǎn)。當(dāng)工作階段逐步穩(wěn)定會，簇成員節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)其通訊情況主要是以幀為劃分單位，每一幀中，成員節(jié)點(diǎn)能夠把信息發(fā)送給特定的時隙數(shù)據(jù)內(nèi)，由于不同的時隙持續(xù)時間不等，但是每一幀要保證所有的成員節(jié)點(diǎn)都給簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，不同的幀其長度設(shè)置情況都取決于簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

LEACH協(xié)議是一個最優(yōu)化的使用協(xié)議，考慮到的場景是將傳感器的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分散，當(dāng)分布到特有區(qū)域后，把這些節(jié)點(diǎn)搜集的信息發(fā)送給區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)接收器上面。LEACH協(xié)議的核心是分布式的成簇計算，該技術(shù)能夠自己適應(yīng)成簇算法，并且做首位置算法的輪換驗算。

三、結(jié)語

分析無線路由節(jié)能的基礎(chǔ)上主要以LEACH算法為研究重點(diǎn)，提出當(dāng)前研究的關(guān)鍵和核心。在建立結(jié)束每輪固定簇首后，建立與之相對應(yīng)的簇類，由于簇首有著較大的開銷，所以在保障簇首節(jié)點(diǎn)均勻分布的情況下，要求運(yùn)用LEACH的周期性特點(diǎn)重新成簇，推選出簇首節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前無線傳感技術(shù)是具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，因而需要通過網(wǎng)絡(luò)分組簇組，做好簇化管理。

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基金項目：甘肅省科技計劃資助（1304GKCC044）

甘肅省高等學(xué)校科研項目（2015B—198）

作者簡介：高立兵（1974-），男，甘肅金昌人，講師，碩士，研究方向：計算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用。