基于能量均衡的无线传感器网络路由算法

【摘要】路由选择对于无线传感器网络的使用时间会产生直接的影响，因此需要重视新型路由算法的研究和分析，并且从能量均衡的无线传感器原理出发。本文主要提出一种新型的WSN路由算法，通过将前向区域划分为几个子区域的方式，然后选择能量方差最小的区域作为路由算法选择的区域，后续再依据概率机制选择下一跳的节点。在实际的研究和实践过程中发现，这种新型的WSN路由算法的运用，能够有效地均衡网络中不同节点的能源消耗情况，从外部角度上来看，这一算法的应用能够有效地延长网络的生命周期，具有较高的性价比。

【关键词】能量均衡;无线传感器;网络路由;路由算法;研究分析

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                              DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.23.033

众所周知，国内现代社会经济发展迅速，科学技术也实现了快速的发展，其重要表现之一就是创安淇、计算机网络通信等方面实现了快速的发展，同时在大量感知信息和数据的处理方面具有较高的需求，此时无线传感器的出现能够在很大程度上满足需求，已经成为了现代计算机网络中的重要技术手段，但是无线传感器具有计算能力稍弱、存储空间有限等等不足，导致在各种能力上具有一定的限制，因此需要重视基于能量均衡的无线传感器网络路由算法的研究工作，以此来有效地使用能源和拓展无线网络的生命，这对于国内无线传感器领域和路由算法领域的发展都具有重要意义和作用。所以，在接下来的文章中就将针对基于能量均衡的无线传感器网络路由算法进行详尽阐述，除此之外还会提出一定的具有针对性和建设性的意见。

1. 关于无线传感器网络的概述

所谓的无线传感器网络就是由数量众多的传感器所组成的，其中每一个无线传感器节点都是由四个部分组成的，分别是数据采集模块、数据处理模块、控制模块和能量供给模块。无线传感器网络是一种新型网络，与传统的无线网络之间具有比较大的区别，由于这些区别的存在，导致无线传感器网络的研究重点也发生了一定的变化，主要体现在能量、路由、层次设计和安全等等问题之上;

能量问题：由于无线传感器网络主要由众多的传感器节点组成，而每一个传感器节点的能量主要来自于节点中自带的电池，简单来说，节点的能量自身具有较大的限制，自然生存实践也会受限。因此，在无线传感器网络的工作、运营过程中如何科学合理地提升网络能量的运用是一个非常重要的问题;

路由问题：网络中的相关数据和信息都需要实时进行传输和处理，由于无线传感器网络中的传感器节点比较多，分布也比较广泛，在这种情况下，传统的路由协议就出现了较大的局限性，这也是后续进行无线传感器网络设计所需要考虑的重点问题;

安全问题：同传统无线网络一样，无线传感器网络的安全性也是非常重要的，经过实际的研究和观察可以发现，无线传输信道中存在的问题在无线传感器网络中也是比较常见的，并且由于无线传感器网络具有较好的发展前景，在未来的网络中会扮演更加重要的角色，因此安全问题是无线传感器网络所面临的重要挑战之一。

而且经过相关的研究和调查可以发现，当代无线传感器网络的应用是十分广泛的，首先可以在生态环境的监测、预报中进行运用，可以使用数种传感器进行各种数据的监测，包含降雨量、河水水位和土壤水分等等;其次，现代交通管理中无线传感器网络也具有一定的运用，可以针对路面的尘土情况、积水情况、噪音等等进行全面的实时监测工作，进而达到道路保护、环境保护和行人健康保护的目的，因此在后续的发展过程中需要重视基于能量均衡的无线传感器网络路由算法的选择，实现其“能量均衡”，提升无线传感器网络的整体效果，从中也不难看出，在现代社会发展进程中，基于能量均衡的无线传感器网络具有重要应用价值，尤其是物联网时代的到来，加速了无线传感器网络技术的发展和实施，并逐渐将现代生活引向智能化和便捷化。

2. 无线传感器网絡中的能量问题概述

在无线传感器网络运营过程中，传感器节点是由自身内置的电池进行供电，而电池的容量是十分有限的，这导致传感器的生存周期会受到比较大的限制，而且无线传感器布置在恶劣和危险环境的情况下，工作人员无法接近，个别节点会因此而失效，不能继续进行信息传输，严重情况下会导致网络通信终端，对于现代社会大众的日常工作和生活都会产生比较大的负面影响。因此，对于当代的无线传感器网络来说，如何提高能量的利用效率是一个重点，目前的相关研究主要从两个方面来进行：

首先是尽可能地减少功能：无线传感器网络的应用具有较强的针对性，简单来说无线传感器网络的设计和运用经常是专门进行设计的，因此可以减少无线传感器网络中的不必要功能，以此来实现网络能量的节省，从而延长网络和节点的生存时间，其专用性方面也会得到比较大的提升。

其次就是重视路由协议的设计和相关技术的运用，这一点对于无线传感器网络水平的提升是比较重要的。例如，物理层就可以依据实际情况采取超宽带无线通信技术，依据实践来看是否能够取得很好的效果和作用。

另外，在分析无线传感器网络中的能量问题过程中，还需要考虑到能量与路由之间的关系，由于无线传感器网络的路由是以数据为中心的，因此路由协议不仅需要考虑到传输质量，同时还需要考虑到无线传感器网络自身的特点，目前来看无线传感器网络中的能量与路由之间存在“双边关系”：

首先能量会对路由产生制约，因为传感器节点的能量主要来源于能量模块，当能量模块中的能量消耗殆尽，传感器节点就相当于死亡节点。如果死亡节点在死亡时没有进行数据和信息传输的情况下，对于此时的路由并不会产生影响，但是如果给节点进行了传输任务，那么对于网络的影响比较大，并且这种情况在路由过程中是不被允许的。

其次路由对于能量的消耗具有巨大的影响，因此在无线传感器网络设计的过程中，所选取的最优路径不仅需要数据的传输时间比较少，同时还需要确保消耗的能量比较低，这对于无线传感器网络的运行是极为重要的。

3. 无线路由算法研究概述

3.1 无状态贪婪周边转发路由GPSR协议

在贪婪周边无状态路由协议GPSR中，源节点在发起数据包发送的时候，在数据包上标识了目的节点的位置。在节点需要转发数据包，而需要选择下一跳节点的时候，作出局部最优的贪婪选择。无状态贪婪周边转发路由GPSR协议的运用，主要利用的是局部优化的贪婪思想，这种传感器节点并不需要对网络拓扑进行相对应的维护工作，简单来说，无状态贪婪周边转发旅游GPSR协议具有比较小的路由开销，具体的贪婪转发过程如下图所示：

但是这种局部最优算法在实际的应用过程中，经常会出现过快消耗无线传感器网络中某一个节点的单点能量，由此系统会出现过快失效的情况。简单来说，无状态贪婪周边转发路由GPSR协议的时间复杂性比较低，但是未能考虑到周边邻居的能量状态变化情况，容易出现过早失效的情况，这种情况也被称为是路由空洞（存在一种网络拓扑结构，向目的节点数据包的过程中，需要选择距离目的节点非最近的节点作为下一跳路由。）难以满足网络需求，这也是这一算法后续需要进行优化和完善的重要内容。

3.2 DEER算法

所谓的DEER算法，其实是一种提前预测算法，能够针对系统链路中最佳总跳数的数据传输效率节点作为当前链接的转发节点，后续在逐步选择下一跳的节点，由此逐渐形成整条的传输链路。

在实际的基于能量均衡的无线传感器网络中DEER算法的运用能够取得很好的效果和作用，可以使得网络中的端到端之间服务质量比较高，同时也比较可靠，但是DEER算法的运用也会带来较多的资源能量消耗，因此在运用这一算法的过程中更加需要重视设计，避免出现能量消耗过快的情况。

3.3 HREEMR算法

HREEMR算法可以形成多条源节点道SINK节点的路由路径，并且选择其中的一条路径作为数据信息转发的主要路径进行使用，同时如果选择的主要路径出现失效的情况下，可以选择备用的路径形成主路径的替代品，从中不难看出，HREEMR算法的应用上适用性比较强，但是在维护多条路由路径方面会形成比较大的开销，难以实现高性价比的特点，同时，在能量上的消耗上也比较大，因此需要更加重视能源均衡设计工作。

3.4 非均匀分布路由算法

在前文已经进行了一定的提及，无线传感器网络在实际的运行过程中非常容易出现节点能量消耗不均衡的情况，严重情况下还会出现死亡节点的情况，在这种情况下非均匀分布的路由算法应运而生，实现非均匀分布路由算法的运用，可以在无线传感器网络当中建立最小的跳数场，选择最低的能量消耗路径，这样就能够实现一定程度上的能量均衡，有利于数据信息传输过程中实现最优化的能量消耗路径。依据实践效果上来看，非均匀分布路由算法的运用，可以使得无线传感器网络的寿命和能量均衡方面实现较大的提升，但是在能量消耗方面本质上未能得到对应的改善，一般情况下不能满足能源消耗的三角不等式。

3.5 基于模糊梯度能量均衡路由協议

基于模糊梯度能量均衡路由协议的特点在于平衡节点的能量消耗设计，为了使得无线传感器网络系统中的平衡，基于模糊梯度能量均衡路由协议首先在各个节点之间建立对应的梯度值，并且使用具有等级选择策略功能、质量评价功能等函数继模糊分类，进而选择下一跳的转发节点，简单来说，基于模糊梯度能量均衡路由协议的运用使得无线传感器网络可以使用低能量节点的能量分流，从而实现网络系统中的能量均衡。但是基于模糊梯度能量均衡路由协议也具有一定的缺点，那就是路由协议自身的维护和计算节点过程变得更加复杂，对于相关工作人员也提出了崭新且更高的要求。

3.6 MCP算法

目前来看，在不同的算法当中，MCP算法最主要的特点就是能够均衡网络中的能量消耗情况，在一开始就可以选择一条节点能量消耗最大的路径。但是MCP算法在实际的应用过程中，其路径跳数也会增加，对数据信息传输的延时造成了一定的影响，并且也没有有效地解决存在的SINK附近能量消耗比较快的这一问题，这是MCP算法在基于能量均衡的无线传感器网络中运用过程中需要重点考虑的一个问题。

4. 基于能量均衡的无线传感器网络路由算法

4.1 GPSR—2算法前向区域划分

GPSR—2算法前向区域划分的过程中，考量到节点的剩余能量情况，从而对其进行利用，有效均衡无线传感器网络中的能量消耗情况，后续整个网络的使用时间得到提升。

但是，在GPSR—2算法前向区域划分阶段，其转发以及单邻区域内的节点落在子前向区域的计算概率并不一样，导致其在实际的应用过程中存在比较大的难度，并且对于理想的能量均衡也会产生一定的影响。

4.2 节点概率传输机制

在无线传感器网络当中存在多个冗余节点，如果采取堆积的方式向其内部的冗余节点进行数据和信息的发送，很容易就会出现内爆情况的发生，而为了避免这种情况的发生，笔者建议采取向前分区域内部的方式，这样就能够在很大程度上避免出现内爆的情况。但是很多路由算法是如何定义的值被选中的节点的概率，换而言之其迫切需要考虑到本地网络所形成的影响，这样才能真正意义上实现所谓的能量均衡。

譬如，在转发节点的子区域不存在邻居节点的情况下，其实就是在路由器的子区域上存在空洞，因此不能使用贪婪转发模式，算法就会开始围绕着需按照另一个转发节点，此时如果具有一个节点满足贪婪转发模式，就可以立刻转换到相对应的贪婪模式周期当中，如果不能则会一直寻找下一跳的转发节点，直至达到相对应的目标节点。

4.3 无线传感器网络路由算法

在基于能量均衡的无线传感器网络设计过程中，一个路由算法的好坏与否，其重要的一个指标就是时间复杂度这一情况，其中IGPSR-1与IGPSR-2的复杂程度并不是很高，因此在应用过程中需要更加注意这一点。

4.4 无线传感器网络路由算法的结果分析

在本文进行研究的过程中，所提及到的网络寿命具体是指网络上运行的第一个节点的能源消耗时间，而在在实际的测试和分析过程中，所发送的数据包的数量其实也是影响无线传感器网络寿命的一个间接指标，因此在实际的研究和分析过程中同样也需要考虑到这一点，因为无线传感器网络寿命的长短是一个重要的性能衡量因素。

伴随着无线传感器网络的应用范围实现了比较大的提升，各种路由算法在一定程度上增加了能量的消耗，并且随着网络节点的增加，系统的能量消耗也变得更多，而在经过实际的研究和分析之后，IGPSR-2的能量消耗比较小，这也间接验证这一算法可以更好地利用无线传感器网络中的能力，同时使其具有更加充分的利用效率。同时还需要知晓的一点是，如果在无线传感器网络中的每一个节点能量消耗变得更加均衡，那么网络整体上是比较稳定的，不容易整个崩溃。

结论：综上所述，就是笔者针对基于能量均衡的无线传感器网络路由算法的相关研究和分析了，从文中阐述内容中不难看出，现代社会发展过程中无线传感器网络的应用范围正在逐渐的提升，与此同时社会大众和时代发展对于无线传感器网络的要求也在逐渐提升。而在限制无线传感器网络的因素当中，能量受限是一个主要的因素，鉴于对于无线传感器网络的采集、计算、存储、能耗等方面的能力提出了更高的要求，在这种情况下，就需要重视路由算法的选择，本文在研究过程中发现，IGPSR-1与IGPSR-2的差异性并不大，其中IGPSR-2路由算法的能源消耗比较小，因此适合在基于能量均衡的无线传感器网络设计过程中进行运用，从而实现无线传感器网络的能量均衡。除此之外，相关的技术工作人员需要重视路由算法的创新优化和开发工作，进而确保无线传感器网络的能量均衡，使得其价值和作用能够完全发挥出来。

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作者简介：姓名：罗远军，出生年月：1971.9，籍贯：广西横县，学历：硕士研究生，职称：讲师，研究方向：移动互联网、大数据、网络体系结构，单位：广西大学计算机与电子信息学院.