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摘要：由于无线传感器网络具有能量有限的特点，如何高效地使用能源已成为人们研究的热点。本文提出了一种不规则无线传感器网线能量有效的路由算法。在该算法中，内环节点直接与基站进行通信；外环节点按照上述有向环形理论模型形成一个有序的区域梯队，把邻节点等级值、邻节点的当前剩余能量值和两簇头节点之间的距离作为选择下一接收节点的共同参考值，使数据能够按照一条最佳的路径朝基站这一固定的方向进行传输，减小不必要的开销，达到节约能量、提高能源效率的目标，最终延长网络的生命周期。
关键词：不规则；分层；有向环形；能量有效
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0260-02
无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中的作用非常关键，已成为国际竞争的制高点。传感器节点体积微小，主要通过自身携带的电池供电，因此它的电源能量、通信能力、计算能力及存储能力都是非常有限的。在无线传感器网络各项技术中，最为核心的技术挑战是如何降低能耗、延长网络使用寿命，因为能源是传感器节点稀缺而宝贵的资源。为了提高网络的能量有效性，广大的研究工作者在节点的硬件设计、MAC协议及路由协议设计方面做了广泛的工作，尤其以路由协议为重。路由协议的目的是在源节点和目的节点之间建立可靠的路由，保证数据的传输[1]。根据算法所采用的理论模型，无线传感器网络路由协议主要有两类： 平面路由协议和层次路由协议[2]。
为了提高网络的能量有效性，广大的研究工作者在基于分簇的思想上提出了许多改进的算。文献[3]提出了DDCH算，利用“能量核”选择一条自源节点到目的节点的局部最短路径来进行数据的传输。该算法具有较低的时间复杂度和较好的可扩展性。文献[4]提出了DEEC算法，算法中引入了休眠机制，簇头之间通过建立路由树以多跳方式将收集到的数据经根节点发送到sink节点。该算法各节点的角色划分非常细致，需要增加许多额外的能量消耗，使算法变得复杂。文献[5]对最小ID分簇算法进行了改进，但难于找到一个最佳的簇内节点数，且各节点的发射功率不同，导致节点的能量消耗也不相同，进一步加剧网络的不规则性。文献[6]提出了一种节能的分簇路由算法，采用虚拟的矩形分层模型，体现了数据传输的有向性。文献[7]提出了一种非均匀的节点部署算法，采用圆环形理论模型，采用节点部署方法来改善网络的不规则性。文献[8]提出的PAB算法是一个功率可调节的算法，由于是在動态调整功率的网络中使用剪裁算法，需要发送节点在数据包头中添加发送节点的功率，具有一定的通信开销。文献[9]提出的EFB算法是一个基于传输范围覆盖的算法，在密度较大网络中具有较好的性能，而在较稀疏的网络中，由于只使用了部分邻居节点信息，减少的冗余转发节点并不显著。
本文综合了以上算法的优点，以无线传感器网络中节点分布不均匀导致网络中的能量消耗不均衡、网络生命周期缩短等特点为研究背景，利用节点的定位、有向搜索路径、分簇并在簇内及簇间进行数据融合等技术，提出了一种不规则无线传感器网线能量有效的路由算法。其基本思想是通过相对地理位置建立分层有向环形模型，采用单跳通信和多跳通信相结合的方式进行数据传输，从而更好地提高能量的使用效率，使网络的能量消耗趋于均衡，最终达到延长网络生命周期的目标。
1 一种不规则无线传感器网络能量有效路由算法
（1） 分层环形模型的建立
首先，基站以一个较小的额定功率发射一段信号，接收到信号的节点为距离基站较近的节点，可采用单跳传输的通信模式直接与基站进行通信，其余的节点划分为第二层次，采用分簇、多跳短距离传输的通信模式与基站进行通信。第二层次节点主动向基站发送自身的当前剩余能量及相对地理位置等信息，基站提取这些信息并依据最优分簇数划分对应的分簇，选择最优的簇头节点并对其进行通告，然后将每个节点的区域标识发送给其余节点。这样各节点只要在网络的初始建立阶段与基站进行一次通信就能够将分层环形理论模型的层次划分好，如图1所示，简化了初始阶段的工作任务并节约了内层环形节点的能量，减少了与基站通信的节点数量，从而减小了数据的延时，有效的节约能量，提高能源的利用效率。
（2） 分层有向环形模型的建立
对于传输距离大于节点通信半径R0的第二层次节点，设定固定的变量d0，每相隔一个单位的d0节点的等级值自动增加1，如图2所示，在环1和环2之间的节点其等级值为1，在环2和环3之间的节点等级值为2，依此类推……形成一个存在一定梯度关系的环。数据传输时总是传向一个等级值比自己低的节点，这样能够使数据的传输沿一个固定的方向传向基站，从而达到节约资源、延长网络生命周期的目的。
（3） 数据通信
在该算法中，内环节点直接与基站进行通信；外环节点按照上述有向环形理论模型形成一个有层次的环，环内根据通信半径进行分簇，在每个簇头节点内建立一张邻居节点的路由信息表，如表1所示：
把邻节点等级值、邻节点的当前剩余能量值和两簇头节点之间的距离作为选择下一接收节点的共同参考值，使数据能够按照一条最佳的路径朝基站这一固定的方向进行传输，减小不必要的开销，达到节约能量、提高能源效率的目标，最终延长网络的生命周期。
2 仿真实验及性能分析
由200个传感器节点组成，节点随机分布在被监测区域面积大小为100m×100m的区域内。节点初始能量1.5J，数据包长度500Bytes，发送和接收数据的能量消耗为50nJ/bit。
图3的实验结果表明由于本文所提出的算法第一个节点的死亡时间比基于LEACH的固定聚类路由算法有明显的延迟，节点全部死亡的时间也有明显的延迟。
图3的实验结果表明由于本文所提出的算法的能量有效率相对于基于LEACH的固定聚类路由 算法来说有一定的提高。 因此，本文中所提出的算能更有效的延长网络的生命周期，使能量的消耗更加均匀地分配到所有节点，达到节约能量、提高能源效率的目标，最终延长了网络的生命周期。
3 结论
本文所提出的一种不规则无线传感器网络能量有效路由算法，主要考虑了无线传感器网络中节点分布不均匀导致网络中的能量消耗不均衡、数据传输可能出现无序性的特点，采用分层有向环形模型，数据传输引入邻节点等级值、邻节点的当前剩余能量值和两簇头节点之间的距离作为参考依据。该算法有效地提高了能源的利用效率，达到了延长网络生命周期的目标。
参考文献：
[1]吴春婧，郑明春.传感器网络中节能路由算法研究[D].山东师范大学， 2007：10-19.
[2]陈治平，王雷.无线传感器网络中路由算法研究进展[J].福建工程学院学报， 2005，3（6）： 600-607.
[3]林亚平，王雷，陈宇，等.传感器网络中一种分布式数据汇聚层次路由算法[J].电子学报，2004，11（32）：1801-1805.
[4]孙国栋，廖明宏.一个用于傳感器网络的分布式节能组簇方法[J].哈尔滨工业大学学报，2006，9（38）：1431-1435.
[5]赵静，陈向东.通过功率控制建立密度自适应的分簇无线传感器网络[J].传感技术学报，2006，6（19）：2751-2759.
[6]赵巧梅，陈治平，易叶青.一种节能的分簇路由算法研究[J].科学技术与工程， 2008，8（13）：3526-3535.
[7]袁辉勇，刘伟群，刘永逸，龚翱.传感器网络中一种非均匀的节点部署算法[J].传感技术学报，2008，21（6）：1039-1042.
[8]Chen X，Faloutsos M，Krishnamurthy S. Power adaptive broadcasting with local information in ad hoc networks. In： Proc of the l1th IEEE Int’I Conf. on Network Protocols，2003：168-178.
[9]Cai Y， Hua K， Phillips A. Leveraging 1 hop neighborhood knowledge for efficient flooding in wireless ad hoc networks. In： Proc of the 24th IEEE Int’l Performance Computing and Communications Conf，2005：347-354.
关键词：不规则；分层；有向环形；能量有效
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0260-02
无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中的作用非常关键，已成为国际竞争的制高点。传感器节点体积微小，主要通过自身携带的电池供电，因此它的电源能量、通信能力、计算能力及存储能力都是非常有限的。在无线传感器网络各项技术中，最为核心的技术挑战是如何降低能耗、延长网络使用寿命，因为能源是传感器节点稀缺而宝贵的资源。为了提高网络的能量有效性，广大的研究工作者在节点的硬件设计、MAC协议及路由协议设计方面做了广泛的工作，尤其以路由协议为重。路由协议的目的是在源节点和目的节点之间建立可靠的路由，保证数据的传输[1]。根据算法所采用的理论模型，无线传感器网络路由协议主要有两类： 平面路由协议和层次路由协议[2]。
为了提高网络的能量有效性，广大的研究工作者在基于分簇的思想上提出了许多改进的算。文献[3]提出了DDCH算，利用“能量核”选择一条自源节点到目的节点的局部最短路径来进行数据的传输。该算法具有较低的时间复杂度和较好的可扩展性。文献[4]提出了DEEC算法，算法中引入了休眠机制，簇头之间通过建立路由树以多跳方式将收集到的数据经根节点发送到sink节点。该算法各节点的角色划分非常细致，需要增加许多额外的能量消耗，使算法变得复杂。文献[5]对最小ID分簇算法进行了改进，但难于找到一个最佳的簇内节点数，且各节点的发射功率不同，导致节点的能量消耗也不相同，进一步加剧网络的不规则性。文献[6]提出了一种节能的分簇路由算法，采用虚拟的矩形分层模型，体现了数据传输的有向性。文献[7]提出了一种非均匀的节点部署算法，采用圆环形理论模型，采用节点部署方法来改善网络的不规则性。文献[8]提出的PAB算法是一个功率可调节的算法，由于是在動态调整功率的网络中使用剪裁算法，需要发送节点在数据包头中添加发送节点的功率，具有一定的通信开销。文献[9]提出的EFB算法是一个基于传输范围覆盖的算法，在密度较大网络中具有较好的性能，而在较稀疏的网络中，由于只使用了部分邻居节点信息，减少的冗余转发节点并不显著。
本文综合了以上算法的优点，以无线传感器网络中节点分布不均匀导致网络中的能量消耗不均衡、网络生命周期缩短等特点为研究背景，利用节点的定位、有向搜索路径、分簇并在簇内及簇间进行数据融合等技术，提出了一种不规则无线传感器网线能量有效的路由算法。其基本思想是通过相对地理位置建立分层有向环形模型，采用单跳通信和多跳通信相结合的方式进行数据传输，从而更好地提高能量的使用效率，使网络的能量消耗趋于均衡，最终达到延长网络生命周期的目标。
1 一种不规则无线传感器网络能量有效路由算法
（1） 分层环形模型的建立
首先，基站以一个较小的额定功率发射一段信号，接收到信号的节点为距离基站较近的节点，可采用单跳传输的通信模式直接与基站进行通信，其余的节点划分为第二层次，采用分簇、多跳短距离传输的通信模式与基站进行通信。第二层次节点主动向基站发送自身的当前剩余能量及相对地理位置等信息，基站提取这些信息并依据最优分簇数划分对应的分簇，选择最优的簇头节点并对其进行通告，然后将每个节点的区域标识发送给其余节点。这样各节点只要在网络的初始建立阶段与基站进行一次通信就能够将分层环形理论模型的层次划分好，如图1所示，简化了初始阶段的工作任务并节约了内层环形节点的能量，减少了与基站通信的节点数量，从而减小了数据的延时，有效的节约能量，提高能源的利用效率。
（2） 分层有向环形模型的建立
对于传输距离大于节点通信半径R0的第二层次节点，设定固定的变量d0，每相隔一个单位的d0节点的等级值自动增加1，如图2所示，在环1和环2之间的节点其等级值为1，在环2和环3之间的节点等级值为2，依此类推……形成一个存在一定梯度关系的环。数据传输时总是传向一个等级值比自己低的节点，这样能够使数据的传输沿一个固定的方向传向基站，从而达到节约资源、延长网络生命周期的目的。
（3） 数据通信
在该算法中，内环节点直接与基站进行通信；外环节点按照上述有向环形理论模型形成一个有层次的环，环内根据通信半径进行分簇，在每个簇头节点内建立一张邻居节点的路由信息表，如表1所示：
把邻节点等级值、邻节点的当前剩余能量值和两簇头节点之间的距离作为选择下一接收节点的共同参考值，使数据能够按照一条最佳的路径朝基站这一固定的方向进行传输，减小不必要的开销，达到节约能量、提高能源效率的目标，最终延长网络的生命周期。
2 仿真实验及性能分析
由200个传感器节点组成，节点随机分布在被监测区域面积大小为100m×100m的区域内。节点初始能量1.5J，数据包长度500Bytes，发送和接收数据的能量消耗为50nJ/bit。
图3的实验结果表明由于本文所提出的算法第一个节点的死亡时间比基于LEACH的固定聚类路由算法有明显的延迟，节点全部死亡的时间也有明显的延迟。
图3的实验结果表明由于本文所提出的算法的能量有效率相对于基于LEACH的固定聚类路由 算法来说有一定的提高。 因此，本文中所提出的算能更有效的延长网络的生命周期，使能量的消耗更加均匀地分配到所有节点，达到节约能量、提高能源效率的目标，最终延长了网络的生命周期。
3 结论
本文所提出的一种不规则无线传感器网络能量有效路由算法，主要考虑了无线传感器网络中节点分布不均匀导致网络中的能量消耗不均衡、数据传输可能出现无序性的特点，采用分层有向环形模型，数据传输引入邻节点等级值、邻节点的当前剩余能量值和两簇头节点之间的距离作为参考依据。该算法有效地提高了能源的利用效率，达到了延长网络生命周期的目标。
参考文献：
[1]吴春婧，郑明春.传感器网络中节能路由算法研究[D].山东师范大学， 2007：10-19.
[2]陈治平，王雷.无线传感器网络中路由算法研究进展[J].福建工程学院学报， 2005，3（6）： 600-607.
[3]林亚平，王雷，陈宇，等.传感器网络中一种分布式数据汇聚层次路由算法[J].电子学报，2004，11（32）：1801-1805.
[4]孙国栋，廖明宏.一个用于傳感器网络的分布式节能组簇方法[J].哈尔滨工业大学学报，2006，9（38）：1431-1435.
[5]赵静，陈向东.通过功率控制建立密度自适应的分簇无线传感器网络[J].传感技术学报，2006，6（19）：2751-2759.
[6]赵巧梅，陈治平，易叶青.一种节能的分簇路由算法研究[J].科学技术与工程， 2008，8（13）：3526-3535.
[7]袁辉勇，刘伟群，刘永逸，龚翱.传感器网络中一种非均匀的节点部署算法[J].传感技术学报，2008，21（6）：1039-1042.
[8]Chen X，Faloutsos M，Krishnamurthy S. Power adaptive broadcasting with local information in ad hoc networks. In： Proc of the l1th IEEE Int’I Conf. on Network Protocols，2003：168-178.
[9]Cai Y， Hua K， Phillips A. Leveraging 1 hop neighborhood knowledge for efficient flooding in wireless ad hoc networks. In： Proc of the 24th IEEE Int’l Performance Computing and Communications Conf，2005：347-354.