传感器网络中能耗均衡的节点优化分析

摘 要：降低网络能耗，延长网络的寿命，对于传感器网络来说有着重要意义，这是传感器网络设计中最主要的目标。分簇这种方法能够明显降低网络能耗，单跳通信是传统传输方式，以此方法传输数据时，由于距离基站太远，过程中能耗过大，簇头会因此死亡。各个节点的能耗会对网络生命周期带来很大影响，因此，设计出高效节能的路由是眼下的重要课题，因此均分簇算法应运而生，这种方法能显著降低节点能耗，利用分割线对网络分簇，优化节点位置，利用定时器选出最佳簇头，与基站进行多跳通信，这样一来，有效降低了节点的消耗，延长网络生存周期。

关键词：传感器网络；能耗均衡；节点优化

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

传感器网络由多种功能且能够自行组织的节点所组成，这些自行组织的节点以随机分布的形式存在与网络之中，相互之间进行合作以收集信息，将这些信息打包发送给观察者。节点所在区域多为高危地带，很难人为供电，所以只能使用电池来提供能源，但是这些节点消耗能源的速度是非常快的，电池很难承受这样的消耗速率，所以会很快被耗尽，这样一来，提高节点的能量利用效率是亟待解决的一项重要问题，解决这个问题之后，网络寿命将得到有效延长。

1 LEACH协议中有关降低节点能耗的内容

在此协议相关算法中，网络中的节点会自发形成簇，之后在这些簇中选择一个最佳簇作为簇头，其他的普通节点将会传递自身所携带的信息传输给簇头，由融合之后再传给基站。为了增加簇头的使用寿命，减少其能耗，此算法创造除了轮的概念，具体来讲就是所有节点都参与到这个过程中，轮流担任簇头，这其中包含两个过程，即簇的建立阶段以及稳定运行阶段。

第一顺序无线电模型是传感器网络中最常使用的能量模型，在节点发送kbit数据时所用到的公式为：

公式中k是发送时的二进制位数，d是发送距离，d0为发送距离门限值，，EELEC为射频能耗系数，为电路中放大器能耗系数。节点接受lbit数据的能耗为：Erx（l）=Eelec*l。

传输与接收数据的过程中都会消耗能量，所以，想要降低节点能耗就需要找到最佳的簇头，这样才能有效降低数据交流中所消耗的能量，而想要将簇头节点的位置均衡分割需要将网络进行均匀分割，因此，这时最关键的问题就是如何将网络均分，而且在均分的网络中将最佳簇头节点找出来，这才是降低能耗的最佳途径。

在网络均分之后，其中的簇群也是均匀分布的，因此，簇头节点也是均匀分布的，这样就能够减少节点能耗，所以，将网络均匀分布的方法，以及选择出簇头的所依赖的客观因素，都是需要着重考虑的地方，这些所依赖的基本思路为：①用分割线进行划分网络，以达到均分的目的；②选择簇头需要看的是剩余能量与综合距离。

分割线的确定与选择比较困难和繁琐，而且最佳的分割位置也因此很难确定，粒子群算法从大局着眼，全局进行搜索，可以迅速搜索出分割线的最佳位置，实现很简单，所以，引入此算法，将分割线的确定与选择变得简单化，但也存在一定的缺点，粒子群算法容易局限于一个区域中，只能判断出局部最佳分割线，所以，粒子的更新速度需要进行优化。

2 能量均衡的均匀分簇算法（EBEC）

（1）网络模型。EBEC算法是运用基站进行整体控制的方法，其过程包括建立簇群和传输数据，建立簇群又包括均匀分簇和选择簇头。

网络具有很多特点，而在一个拥有很多传感器节点并且是均匀分布的网络环境中，其具有以下几点特点：①基站一般都位于中心地带，在区域确定并且部署完基站和传感器节点之后，二者都会固定位置，不再发生移动；②所有的节点都能够融合数据，因为其都是一样的组成方式，但每个节点又都有其唯一的标识；③每个节点所在的坐标点都是可监测的，并且它们的链路是对称的。

（2） 应用粒子群算法进行分簇。分割线的确定是根据网络中的某一点的位置，点的确定是由坐标和x周的夹角来确定，具体为Z=（x，y，θ），（x，y）是位于分割线上的点的坐标，θ是分割线与x轴的夹角。

fitness函数是对个体进行评价的函数 ，公式为：

F达到最大时则是最佳的分割线的位置，其中Csi（i=1，2），分别表示第S次划分区域时区域i的节点个数。

在使用标准的POS算法计算时，对于单个粒子更新时产生的影响没有计算进去，因此，在经过多次试验之后，提出了下面的粒子更新速度公式：

使用来替代个别个体的极值，是这些个体极值的平均值，r1、r2数值不定，但一般在（0、1）之间。在所建立的空间模型中，利用POS算法找到最佳分割线并且将网络分成两个相同大小的空间。用该算法在全部结果中选出最佳解，这就是最佳分割线。判断其最佳的标准是定义出最适合的适应度函数。

3 最大化网络寿命模型

在传感器网络中，传感器节点在收集了一次数据之后，将其传递给簇头，簇头在融合之后将其传输到S ink，这就是一次对于数据收集的过程。假设第i层内节点的寿命为T，在一次数据采集过程中平均消耗的能量为E，因此，网络的最大化寿命模型为：

4 结束语

本文提出能量均衡的均匀分簇算法，通过POS算法求得最优的分割线划分位置，但还不是十分成熟，仍需努力。

参考文献：

[1]蒋畅江，向敏，唐贤伦.基于use的无线传感器网络分簇路由协议田[J].计算机工程，2012.38（17）：59-62.

基金项目：宁夏固原市科技支撑计划课题（固科技发〔2014〕33号）

作者简介：康凯（1982-），男，宁夏固原人，工学硕士，研究方向：计算机网络、物联网技术、大数据。