摘要：通過分析無線傳感器網絡的電路模型和能量消耗情況，結合LEACH算法，提出一種基于最小能耗的無線傳感器網絡路由算法。網絡運行時首先將其劃分為若干個子區域，再進行簇首節點的選取，這樣取代了傳統LEACH算法對整片網絡隨機選取簇首節點的做法，使得簇首節點分布更加均勻。同時，在選取簇首節點之前對每個節點的刺余能量進行判斷，低于闞值的采取休眠處理，這樣保證了簇首節點選取的有效性。以上兩點措施使區域內節點負載分配更加合理，有效地提升了整個網絡的生存時間。
關鍵詞：無線傳感器網絡；能耗；簇首節點；閾值
0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統。同時，網絡中的節點擁有感知能力、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、大型設備監控和環境監測和預報等領域，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，節點根據上一層鄰節點能量水平優先使用能量多的節點作為下一跳來轉發數據包，但是這種算法中節點需要時刻維護各個鄰節點能量信息，增加了數據傳輸量。文獻提出了最早的分層路由協議之一，LEACH算法。通過循環的方式隨機選擇簇首節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中，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，傳感器節點傳輸信息時要比執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，其中發送和接收電路消耗能量Eelec=50 nJ／b，發送放大器消耗能量εamp=100 pJ／(b／m2)。所以，使用該模型從節點A傳輸kb信息至距離為d的節點B時，節點A消耗的能量為ETx(k，d)=Eeleck+εampkd2，接收該信息，節點B消耗的能量為ERx(k)=Eeleck。如圖1所示。
無線通信模塊存在發送、接收、空閑和睡眠4種狀態。無線通信模塊在空閑狀態一直監聽無線信道的使用情況，檢查是否有數據發送給自己，而在睡眠狀態則關閉通信模塊。從圖2中可看到，無線通信模塊在發送狀態的能量消耗最大，在空閑狀態和接收狀態的能量消耗接近，略少于發送狀態的能量消耗，在睡眠狀態的能量消耗最少。
1．2 LEACH路由協議分析
最早的分簇路由協議是由Wendi等三人在2000年提出的LEACH算法，全稱為“低功耗自適應集簇分層型協議”。LEACH算法的每一輪操作分為兩個運行階段：簇建立階段和簇穩定運行階段。由于簇建立階段是屬于額外的通信需求，所以穩定運行的持續時間要遠大于建立階段持續的時間。
在簇建立階段，傳感器節點隨機生成一個0，1之間的隨機數，并且與閾值T(n)做比較，如果小于該閾值，則該節點就會當選為簇首。T(n)按照下面公式計算：
式中：P為節點成為簇首節點的百分數；r為當前輪數；G為在這一輪中未當選簇首的節點集合。
簇首節點選定后，廣播自己成為簇首的消息，節點根據接收到的消息的強度決定加入哪個簇，并告知相應的簇首，完成簇的建立過程。然后，簇首節點采用TDMA的方式，為簇內成員分配傳送數據的時隙。以上LEACH算法存在一個很大的缺陷，即協議沒有說明蔟首節點的數目怎么分布才能遍及于整個網絡。因此，很可能出現被選的簇首節點集中在網絡某一區域的現象，這樣就會使得一些節點的周圍沒有任何簇首節點。同時，由于簇首節點是隨機選擇的，有可能出現某個節點剩余能量過低而不能成為簇首節點，從而導致網絡失效。
2 基于最小能耗的無線傳感器網絡路由算法
2．1 算法拓撲結構
圖3所示為無線傳感器網絡路由算法的拓撲結構。整個網絡的節點被分為匯聚節點、簇首節點和普通節點。網絡由若干個子區域組成，子區域自主產生簇首節點，區域內的其他節點和簇首節點通信并通過簇首節點將數據傳輸給匯聚節點。
2．2 算法描述
為了改進上述LEACH算法存在的缺點，本文采用了以下方法：網絡開始運行時，首先通過類似文獻中的擴散法將整個網絡劃分為若干個子區域，然后再在各個子區域內隨機選取簇首節點，這樣可以保證簇首節點更加均勻地分布在整個網絡中。同時，設定節點剩余能量閾值Eth，每次選取簇首節點之前，對剩余能量低于閾值的節點采取休眠處理。這樣保證了簇首節點選取的可用性，有效地提高了網絡的生存時間。圖4為簇首節點形成流程圖。網絡開始運行時，依然將節點工作時間按周期劃分為簇首節點建立階段t1和穩定運行時間t2。t1階段網絡首先在各個子區域內隨機產生簇首節點，新簇首節點產生后廣播告知整個網絡。此時，普通節點在接收到信息后開始發送入簇信息，簇首節點則為其分配通信時隙。圖5為整個算法的流程圖，在建立新的簇首節點和傳輸網絡后，簇內節點開始將數據信息發送給簇首節點，并在其內部進行數據融合后轉發給匯聚節點，網絡開始穩定運行。經過t2后，網絡開始重新選取簇首節點，此時要注意，每個節點都將判斷自己的剩余能量，對低于閾值的采取休眠處理并廣播告知其他節點。
3 結語
在分析LEACH算法和無線傳感器網絡的能量模型的基礎上，本文提出了一種改進算法。在隨機選取簇首節點之前，首先把網絡劃分為若干個子區域，這樣可以將簇首節點分步得更加均勻，同時設定剩余能量閾值Eth，在每次選取簇首節點之前對剩余能量低于Eth的節點進行休眠處理，有效地提升了整個網絡的生命周期。