无线传感器网络能量均衡问题的研究
无线传感器网络能量均衡问题的研究区域内不到无线网络
摘要：在使用无线传感器网络进行数据传输时经常会碰到网络空洞问题。为了避免网络空洞问题，提升无线传感器网络整体的使用寿命，我们提出一种基于网络划分的分簇路由算法。在该算法中，我们先将网络按照距离的距离划分为近距离和远距离两部分。在远距离节点中依据节点的邻居节点数目，剩余能量和距离距离选择簇首节点，进行分簇路由。仿真实验表明该算法在平衡节点能耗、提升网络生存时间等方面发挥了显著作用。
关键词：能量平衡；无线传感器网络；分簇路由
中图分类号：TP393.0 文献标识码：A
1 引言（Introduction）
无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的特殊的数据采集、传输、接收以及处理的网络系统。在该网络中，通过将传感器节点部署到目标区域的各个角落来进行对目标区域内特定数据的采集工作，随后通过无线传输的方法将各个节点采集到的数据传输给节点，并由节点完成对数据的后续加工处理，从而实现对目标区域进行实时监控的目标。特别地，无线传感器网络在不适宜人类活动的场所发挥
着不可替代的应用。然而随着无线传感
器网络推广和应用，人们发现能量问题是其实际应用中必须解决的难题。无线传感器中每个传感器节点体积有限，难以配置大容量的供电设备，致使每个传感器节点的能量有限，如果单个节点的能量耗尽，那么它将不再参与后续的数据的转发、接收工作，我们将这类节点称为“死亡节点”。特别地，在数据的传输过程中，存在这样一类节点：它们由于其自身位置的特殊的原因，会比周围其他节点更多次的进行数据转发和接收，从而提前死亡。它们死亡后周边区域内的节点会因为不到替代的中继节点而无法将数据发送给节点。我们将这类问题称为无线传感器网络的传输空洞问题。当传送空洞范围无限扩大时，网络的连通性就会被破坏，造成远端节点即使有能量也无法将数据传送给，或者必须使用大能耗的远距离单跳传输方式传输，最终导致整个网络提前死亡。为了避免和解决传输空洞问题，学者们进行了广泛的研究，尝试了各种策略。研究表明分簇路由算法在平衡能量消耗、节省能量等方面比平面路由算法有更好的表现。如图1所示，分簇路由将网络分割成不同的节点簇，每个簇包含一个簇首节点和若干个簇成员节点。簇成员节点将信息以单跳发送给簇首节点，而簇首节点则负责对簇内节点发送的数据进行数据融合，去掉冗余的数据，将融合后的数据转发给接簇外的节点。一般情况下，簇首节点距离节点距离较远，而
研究表明，在远距离无线传输的情况下，使用多跳传输比单跳传输更节省能量，所以分簇路由实际上是通过由簇首节点组成的骨干网络将各分簇内的数据转发给节点的。不难发现，簇首节点在分簇
路由算法中发挥中至关重要的作用，簇首节点会比簇内其他节点耗费更多的能量。因此分簇路由往往依据特定的标准定期重新选择新的簇首节点，并以此生成新的簇重新进行分簇路由传输。簇首节点的选择方法是影响分簇算法效果的关键因素。优秀的簇首选择算法可以生成高效的节点簇，大大降低生成节点簇的能量消耗，平衡整个网络的节点能量消耗。与此同时，距离较近的节点也会由于其位置的原因，比其他的节点更多的参与到数据的转发过程中，能量开销也比其他节点大。显然良好的分簇路由算法应该避免近距离节点成为簇首节点，因为这样会大幅度增加近距离节点的能量开销，容易产生网络空洞。本文的主要思想是根据节点距离的距离对网络进行划分，近距离节点不参与分簇路由，直接使用单跳传输与交互；远距离节点则根据其剩余能量、周围的网络拓扑特征等多个因素制定簇首选择的方案，并以此为依据建立簇并进行分簇路由，将数据从各簇成员节点通过由簇首节点组成的骨干网转发给节点。
本文第2节介绍相关工作；第3节给出系统模型；第4节全面阐述网络划分方法以及分簇算法；第5节对路由算法进行仿真对比，说明本文提出的算法的有效性；第6节给出论文的结论。
图1 分簇路由结构图
Fig.1 The structure of the cluster-routing
2 相关工作（Related work）
近年来，学者们先后提出几类典型的基于分簇的分层路由协议。比如LEACH[1]、LEACH-C[2]、HEED[3]等。其中LEACH算法根据同等概率随机选取小部分节点成为簇首，所有的节点按照该概率轮流成为簇首。簇首选择完毕，其他的节点将按照位置关系选择合适的簇首节点生成簇。在LEACH中，这些簇的大小是相同的。簇首节点直接通过单跳的方式将数据发送给。研究表明该算法在能耗和能量均衡使用方面存在弊端。相比之下HEED算法在选择簇首节点时则优先考虑候节点的剩余能量，初步生成一个符合剩余能量条件的备选节点集合。然后依据备选集合中各节点的簇内通信开销来选择最终的簇首节点。该算法需要在竞争半径内发送过多的消息，能量开销较大。上述的算法的思想都是让所有的节点都有近似相同的概率成为簇首节点，同时兼顾簇内节点向簇首节点传输的开销均衡，通过不断重新划分簇来均衡不同节点的能量消耗，达
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