引言

近幾年來，隨著各種技術的發(fā)展和應用的推進，傳感器 正在向微型化、網(wǎng)絡化、集成化和智能化方向快速發(fā)展。在 實際的應用中，由于微傳感器的成本低、覆蓋范圍較小，所以 通常需要大量的微傳感器協(xié)同工作，無線傳感器網(wǎng)絡應運而生。 無線傳感器網(wǎng)絡具有規(guī)模大、密度高、網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化、自 組織等特點，被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、智能交通 等領域。

1無線傳感網(wǎng)絡的體系結構

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)通常 由傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié) 點組成，如圖1所示。大量傳感器節(jié)點隨機分布在待監(jiān)測區(qū)域, 這些傳感器節(jié)點通過無線通信的方式自組織成網(wǎng)絡，并將感 知到的數(shù)據(jù)信息進行一定的處理分析后傳遞給匯聚節(jié)點，然 后通過衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖说墓芾砉?jié)點。

但是無線傳感器網(wǎng)絡有一個致命的問題，就是續(xù)航。由 于大量的微傳感器被拋撒在無人的監(jiān)測區(qū)域內，所以沒有辦 法給它更換電池或充電，當能量被消耗完時，微傳感器將失效。 但是無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，用戶關心的是在整個 監(jiān)測區(qū)域中監(jiān)測對象所感知的信息，希望能夠獲取不同監(jiān)測位 置的信息，所以要盡可能地均衡能量消耗，使絕大部分傳感 器能夠工作到整個無線傳感網(wǎng)絡集體失效的那一刻。所以如何 最大化整個無線網(wǎng)絡的生命周期，如何在保證完成工作的情況 下節(jié)省能量消耗將成為研究的重中之重％

2 LEACH層次路由

LEACH(low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是無 線傳感器網(wǎng)絡中典型的低功耗自適應的層次路由協(xié)議。該協(xié) 議假定所有的傳感器節(jié)點的地位都是平等的，每個節(jié)點具有的 能量和各個方向的能耗都是相等的。以“輪”的方式隨機選 擇簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將獲取的非簇頭節(jié)點感知的信息傳遞給 匯聚節(jié)點，將整個網(wǎng)絡的能量消耗均衡地分攤到網(wǎng)絡中的每 一個傳感節(jié)點，從而均衡網(wǎng)絡中各個節(jié)點的能量消耗，來達到 提高網(wǎng)絡生存周期的目的。

LEACH路由算法在操作中采用“輪”的方法，每一輪由 初始階段和穩(wěn)定階段組成。在每一輪的初始階段，每個傳感 節(jié)點產生一個0~1的隨機數(shù)，如果這個隨機數(shù)小于T(n)，那 么該節(jié)點就是簇頭叫T(n)的計算公式為：

其中，為簇頭數(shù)占總傳感節(jié)點數(shù)的百分比,是當前的選舉輪數(shù), G是最近1/p輪不是簇頭的節(jié)點集。

簇頭節(jié)點選舉成功后，向周圍的節(jié)點宣布自己是本輪的簇 頭節(jié)點，非簇頭節(jié)點將根據(jù)接收到的信號強弱來決定加入到哪 個簇，并通知要加入的簇頭節(jié)點。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點采 集數(shù)據(jù)，傳遞給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合后傳給匯聚 節(jié)點。圖2所示是LEACH層次路由算法示意圖。

2.1自動退避的簇頭選舉機制

在該路由算法中，采用“輪”的方式隨機選舉簇頭，有 效地均衡了傳感器節(jié)點的能量消耗，延長了無線傳感器網(wǎng)絡的 生存周期。但是在這樣一個過程中，對于能量比較有限的傳 感節(jié)點而言，也是同樣要消耗能量的。傳感節(jié)點可以根據(jù)自己 剩余能量與原有能量的對比結果，來決定自己是否參與簇頭的 選舉。如果剩余能量比較多，那么可以參與簇頭的選舉，反之, 則自動退避簇頭的競爭以免消耗過多的能量，保存實力完成 基本的信息感知功能，更好地服務于整個無線傳感器網(wǎng)絡。 2.2設定閥值的數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合技術是無線傳感網(wǎng)中的一項非常重要的技術。 傳感器節(jié)點的能量比較有限，而且經(jīng)過大量的實踐證明，節(jié)點 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗要遠大于計算和正常工作的能耗。 為了有效地提高傳感節(jié)點的生存周期，采用設定閥值的方式。

傳感器節(jié)點采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，根據(jù)節(jié)點中所設定的閥 值和浮動范圍值確定是否要將該數(shù)據(jù)上傳，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)是 在以閥值為中心的上下浮動范圍內時，不上傳數(shù)據(jù)；反之，如 果超出了上下浮動范圍，那么通過簇頭上傳該數(shù)據(jù)，修改管理 中心數(shù)據(jù)庫里的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為新的閥值繼 續(xù)監(jiān)測。

由于分布于待檢測區(qū)域的傳感器，所感知的是周圍環(huán)境 中的一些模擬信息，而模擬量有連續(xù)變化的特征。基于這種實 際情況，基于閥值的數(shù)據(jù)融合策略可以極大降低上傳的數(shù)據(jù) 信息量，從而能夠節(jié)省自身的能量消耗。

2.3基于能量的多路徑路由

在LEACH層次路由算法中，非簇頭節(jié)點根據(jù)信號的強 弱來尋找自己合適的簇頭節(jié)點，通過自動退避的簇頭選舉機制 以及設定閥值的數(shù)據(jù)融合技術，可以大大降低非簇頭節(jié)點和 簇頭節(jié)點的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是 待檢測區(qū)域中的多個簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間還是采用一跳的 方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這在一定程度上加劇了簇頭節(jié)點的能量 消耗。在這里提出基于能量的多路徑路由算法，可以有效地 提高多個簇頭源節(jié)點和目標節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，均衡能 量消耗。圖3所示就是基于能量的多路徑路由。

能量感知是根據(jù)簇頭節(jié)點的可用能量以及傳輸鏈路上的 能量狀況選擇合適的路徑。這樣在簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點間將 建立多條可達路徑，在此基礎上，根據(jù)節(jié)點的能量情況給每 條路徑相應的選擇概率，在簇頭節(jié)點傳送融合后的數(shù)據(jù)時就 根據(jù)概率隨機選擇一條路徑叫通過這樣一種方式，將待檢 測區(qū)域中的多個簇頭節(jié)點的一跳數(shù)據(jù)傳送轉換為基于能量的多 路徑路由，一方面由于距離的縮短減少了簇頭節(jié)點的能量損耗, 另一方面綜合考慮多個簇頭節(jié)點的剩余能量狀況和能量消耗情 況選擇合適的傳送路徑，從而有效節(jié)省了能量消耗，延長了 網(wǎng)絡生存周期。

4結語

本文采用自動退避的簇頭選舉機制、設定閥值的數(shù)據(jù)融 合技術以及基于能量的多路徑路由策略優(yōu)化了 LEACH層次路 由算法，不僅降低和均衡了傳感器節(jié)點和整個無線傳感網(wǎng)絡的 能量消耗，而且優(yōu)化了從簇頭節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪?量消耗。

20211119_6197c835757b6__無線傳感器網(wǎng)絡中能耗問題的探討