基于混合势能场的改进能量均衡路由算法

朱敏 方旭 梁吉申 周俊

摘要：针对无线传感器网络中能量有效性路由算法存在的缺陷，研究设计一种能量均衡消耗的路由算法。借鉴经典物理学中势能场的概念建立深度势能场、剩余能量势能场和能量密度势能场，在混合势能场的作用下选择下一跳传输节点，避免出现大部分现存路由算法出现的网络分区现象，可以有效实现网络节点负载平衡、整网能源消耗均衡、网络运行时间延长。

关键词：无线传感器网络；能量均衡；深度；剩余能量；能量密度

中国分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0061-02

1引言

近年来，物联网（Internet of Thing，IOT）是一个炙手可热的话题。作为物联网关键技术之一的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs），在物联网产业化的浪潮中也得到了快速的发展。作为一门融合了智能传感、无线通信、嵌入式系统等多门技术的新兴的信息获取和处理技术，作为信息采集的无线传感器网络在军事通信、环境监测、医疗健康、空间探测、智能家居等领域都有广阔的应用前景。

在无线传感器网络中，各节点均依靠电池供电，以电池作为能源。而传感器节点的部署区域环境复杂，甚至有些节点位置人员到达困难，频繁更换电池无疑将加大网络的管理和运行成本。因此如何实现能源的均衡、高效利用也就成了研究的热点。

均衡节点的能量消耗是节约能源的一个重要措施，能量的均衡消耗可最大限度地延长网络的运行周期，这也成为了无线传感网路由协议设计的最基本的原则之一。大部分现存的路由协议都是试图找到将数据传给汇聚节点消耗能量最少的路径（即最短路径），但基于这样的路由协议，数据包传输时将会造成路径的多次重复选择、而使该路径上的节点成为转发中的重负载节点，同时也加快了该路径上各节点的能量消耗；而当一些关键节点一旦能量耗尽，则可能导致网络的瘫痪，例如，能量耗尽的节点将网络隔离成两个或多个互相不可达的区域，导致网络出现通信的盲区。这时，虽然大多数节点仍然能够正常工作，但是从总体上说，网络已经无法满足用户的要求，从而使网络处于失效状态。这种由于能量消耗的不均衡性大大地缩短了网络的运行周期，提高了运行的成本。

2基于混合势能场的能量均衡路由算法

步骤1.网络初始化：所有节点的深度、剩余能量以及能量密度分别被初始化成一个固定值，并将汇聚节点的深度默认设置成0；

步骤2.汇聚节点向各第一跳节点发送其在步骤1中设置的深度值0；

步骤3.各第一跳节点在收到步骤2发送的深度信息0的基础上加1作为各节点的深度，并更新各节点初始化的深度，同时发送该节点的状态信息，包括深度和剩余能量；

步骤4.接收到信息的节点建立路由表，并根据接收到信息将发送信息的节点的深度以及剩余能量记录在路由表里；其中尚未获得深度值的节点根据收到的信息计算其深度（在信息里记录的深度值的基础上加1），并更新各节点初始化的深度，同时发送其状态信息；

步骤5.判断网络中是否所有的节点都确定了深度：如果是，继续步骤6；如果否，则转到步骤4继续操作；

步骤6.根据能量模型计算各节点的能量消耗，更新各节点初始化的剩余能量以及路由表中各节点的剩余能量；

步骤7.根据能量密度定义计算各节点的能量密度，更新各节点初始化的能量密度；

步骤8.各节点向邻居节点发送其能量密度信息；

步骤9.收到信息的节点将发送信息的节点的能量密度记录在路由表中；

步骤10.判断节点是否产生或者收到数据包：如果是，节点被唤醒建立路由栈，节点信息被记录在路由栈中转到步骤11；如果否，则继续处于睡眠状态等待被唤醒；

步骤11.根据该节点路由表中记录的各节点的状态信息建立各节点剩余能量势能场以及能量密度势能场，并用α、β两个参数加权叠加成混合势能场；

步骤12.选择产生或者收到数据包的节点的父节点和兄弟节点作为数据包传输的下一跳候选节点；

步骤13.计算产生或者收到数据包的节點与其父节点和兄弟节点的势能差；

步骤14.在候选节点中选择势能差值最大的节点作为数据包传输的下一跳节点；

步骤15.判断是否产生路由环路和冗余跳数：根据路由栈中记录数据包传输经过的节点的信息判断该下一跳节点的深度与数据包传输经过的上两个节点的深度是否完全一样，如果是，将这个节点从下一跳候选节点中删除，返回步骤14继续操作；如果否，则将数据包传输给此节点，并将该节点地址记录在路由栈中。

步骤16.判断汇聚节点是否收到数据包：如果是，继续步骤17；如果否，转到步骤11继续选择数据包传输的下一跳节点；

步骤17.根据能量模型计算各节点发送接收数据包消耗的能量，更新路由表中各节点的剩余能量；

步骤17.根据能量密度定义计算各节点的能量密度，更新路由表中各节点的能量密度；

步骤18.判断网络中是否出现死亡节点，如果是，则返回步骤1；如果否，则返回步骤10继续数据的采集和转发。

基于混合势能场改进的能量均衡路由算法通过建立深度势能场将下一跳候选节点限制在父节点和兄弟节点之间，从而确保数据包不会后传有效减少传输延迟。通过建立剩余能量势能场有效保护能量较低的节点，建立能量密度势能场来驱使数据包总是向着能量密度高的区域传送。通过权重系数加权将能量密度势能场以及剩余能量势能场叠加成一个混合场，在混合势能场的作用下选择势能差值最大的节点作为下一跳节点以达到能量均衡的效果。基于路由栈可以记录数据包传输过程经过的节点的信息，我们设计了数据包传输过程中连续三次经过的节点深度不能完全一样的机制，消除了数据传输过程中存在的路由环路和减少了冗余跳数，从而确保网络顺畅、高效运行。