基于无线传感器网络的基本路由算法在智能电网能耗优化中的应用

李 佳，冯淑媛

（湖南工业职业技术学院,湖南 长沙 410208）

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络[1]。无线传感器网络集成了传感器和无线网络技术，综合了传感器技术、通信技术、嵌入式技术以及分布式信息处理技术等各种交叉学科[2]。无线传感器网络技术作为物联网的关键技术被广泛应用于智能电网系统中。物联网技术通过电力系统的外接网络最终实现人与设备、设备与设备之间的相互通信与信息连接，进一步实现自主信息采集、信息感知、信息识别功能。无线传感器网络最大的技术瓶颈为网络系统中的节点寿命较短，由于节点通常是由电池进行供电，当电池电量耗尽，节点就失效。因此如何通过延长节点的寿命，从而延长整个网络系统的使用寿命，是当前需要迫切解决的难题。通过调整网络中传感器节点的路由算法来优化系统能耗是个可行有效的途径。

1 无线传感器网络的基本路由算法

鉴于偏远地域、恶劣自然环境等情况布线困难，且单纯借助人力几乎无法做到，因此将无线传感器网络应用至智能电网系统中，解决了布线难题。组建一个大规模无线传感器网络，需要部署大量的传感器节点，且无法满足均匀分布的条件，当前的无线传感器网络路由算法研究现状分为如下几类。

1.1 基于最小跳数的路由算法

网络中的节点跳数是指从源节点到sink节点的转发跳数，基于最小跳数的路由算法就是以在网络中信息传输需要经过的最少转发数为依据的路由协议，是一种多路径协议。该算法缓解了洪泛协议的内爆和重叠问题，网络转发数的减少也就减少了数据包的传输量和网络的能耗。但是由于网络中的传感器节点并不是均匀分布的，所以在满足最小跳数的情况下不一定是最短路径，且在没有考虑节点剩余能量的情况下，网络丢包率并不能保证。虽然转发数据包的能耗要远大于传输数据包的能耗，但在恶劣的部署环境下并不能保证最少转发就是最少能耗。

1.2 基于能量有效的路由算法

基于能量有效的路由算法是从节点能耗的有效性和均衡性出发，采用能量距离预测、多路径机制、蚁群算法和事件分簇机制等多个方法。能耗有效性是指在网络传输过程中通过聚合机制的运用，来融合内容相关的节点数据，减少冗余信息传输造成的能耗；能耗均衡性是指保持节点能量的均衡，每个节点都能够传输数据，对节点的剩余能量设定阈值，结合灵活的路由策略使网络传输路径灵活可选，延长网络生存周期。该算法仅考虑了局部范围内的相邻可发现节点间的调度，对整个网络数据传输的时延和丢包并没有考虑。

1.3 基于路径质量的路由算法[3]

路径质量包括节点跳数、综合链路质量和节点能量多方面因素，以此综合考虑作为网络路由选择的标准即为基于路径质量的路由算法。各节点能够根据路由发现分组中包含的路径质量信息选择一条到达sink的最佳路径，进一步改进网络的性能，达到全局最优，但其算法较复杂。

2 在智能电网中的应用

上述3种路由算法，各有其优点和局限性。在智能电网这个大型的无线传感器网络中，由于其特殊性，必须对数据传输的时效性和网络的健壮性加以保证。因此，本文采用第3种基于路径质量的路由算法来进行建模分析。

假设：布置好的传感器节点一经布置便不再移动，节点中的sink节点固定不变，且每个节点均能根据接收到的无线信号强度计算出链路质量。

链路质量（Q）与无线信号强度（S）之间的换算关系是：

这里，Q的值越大，表示链路质量越高。当进行路由选择的时候，在节点跳数和节点剩余能量相当的情况下，优先选择链路质量更高的链路进行数据转发。

如图1，网络中已对所有节点进行了广播分组[5]，sink节点和源节点s固定，从s节点到sink节点有2条链路，路径1和路径2的跳数相同，经由每个节点转发的路径[6]质量如图1所示，且每个中间节点的剩余能量充足。

图1 节点的传感路径

图1 中，从源节点S到sink节点有2条链路，路径1经节点1、2、3至sink节点，S节点到节点1的路径质量为10，节点1到节点2的路径质量为5，节点2到节点3的路径质量为8，节点3到Sink节点的路径质量为8；路径2经节点4、5、6至Sink节点，S节点到节点4，节点4到节点5，节点5到节点6及节点6到Sink节点的路径质量均为8。

在初始阶段，节点S到邻节点1的路径质量为10，到邻节点4的路径质量为8，它会优先选择路径1进行数据转发，但在接下来的转发过程中，可以得出，路径1的整体路径质量为：Q1=QS→1+Q1→2+Q2→3+Q3→Sink=10+5+8+8=31，路径 2的整体路径质量为：Q2=QS→4+Q4→5+Q5→6+Q6→Sink=8+8+8+8=32。

由上述算出，路径2的整体链路质量更优，因此根据算法应该选择路径2来进行数据转发，而不是根据邻节点的路径质量来选择路由。

3 分析和优化

在上述应用中，2条路径的整体链路质量相差不大，在智能电网系统中，因其地理位置的特殊性，传感器分布很有可能会出现多条路径质量均相等的情况，那么在这种情况下又将如何选择路由使得全局更优，这是之后要进一步研究的问题。

链路的路径质量同时也反映了在数据转发过程中的收发质量，包括时延、丢包率等。路径质量较差，则发生丢包的概率也就越大。在上述实验数据中发现，在路径1中Q1→2=5，在这段路径上进行转发的数据大概率会引起丢包，而在智能电网系统中，这种现象是不能出现的，会造成不可预料的损失。这里考虑的一个解决方案是，为每段链路质量设定一个阈值，当低于该阈值时，在转发跳数和节点剩余能量都相当的情况下，断开该链路的连接减少能量开销。

图2 节点的传感路径

如图2，设定链路的路径质量阈值为7，当某一段链路的路径质量＜7时，将断开该条链路的链接减少不必要的链接能耗[7]。在路径1中，Q1→2=5低于阈值7，尽管源节点S 的邻节点路径质量为10，为保全局更优减少开销，同样也要断开路径1的链接。在图2中，路径3的路径质量为Q3=31低于路径2的路径质量Q2=32，网络中仍然选择路径2进行数据转发。

4 结语

本文比较了几种常见的路由算法，提出了一种更适用于智能电网系统的基于路径质量的路由算法，以保证网络系统的全局更优；综合考虑了在网络转发跳数、节点剩余能量相当的情况下的如何进行路由选择，并对该算法进行了优化改进。