基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡算法的改進

　　分析此式可以看出，由于節(jié)點的剩余能量總是小于其初始能量的，所以改進后的門限值一定比原T(n)值要小。雖然降低了剩余能量少的節(jié)點成為簇頭節(jié)點的可能性，但同時也減小了整個網(wǎng)絡中能夠擔當簇頭節(jié)點的機會。針對這一現(xiàn)象，本文將節(jié)點當前剩余能量和當前網(wǎng)絡平均能量兩個參數(shù)綜合考慮進去。

　　式中，是節(jié)點當前的剩余能量，是當前網(wǎng)絡平均能量。這樣一來，即保證了節(jié)點被選為簇頭節(jié)點的可能性與其剩余能量的多少相關，又保證了一輪中選舉出來的簇頭節(jié)點數(shù)與期望數(shù)相同。

　　在許多文獻中已經(jīng)證實，網(wǎng)絡中簇頭的個數(shù)也是影響網(wǎng)絡壽命一個的重要因素，因此本文也將簇頭個數(shù)的優(yōu)化方案融入了改進的協(xié)議。本文當中的簇頭最優(yōu)個數(shù)是采用中的方法確定的，如式(4)所示。

　　式中，是無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域面積， N 是區(qū)域內節(jié)點數(shù)量， 是信號放大器的放大倍數(shù)， 是每發(fā)送或接收1比特數(shù)據(jù)，電路自身消耗的能量， 是簇頭節(jié)點的最遠覆蓋距離。

　　2.2 改進算法的具體實現(xiàn)

　　算法進行優(yōu)化后詳細描述如下。

　　1)在簇的建立階段，簇頭由所有節(jié)點自主決定，在每一輪中自行生成k 個簇。k 的值由（4）式?jīng)Q定。

　　2)將每個節(jié)點的剩余能量與上一輪中預計的當前網(wǎng)絡平均能量進行比較，若剩余能量大于網(wǎng)絡的當前平均能量，則有資格成為簇頭候選節(jié)點；否則只能等待簇頭廣播簇類信息。

　　3）能量大于當前網(wǎng)絡平均能量的節(jié)點，判斷自己生成的隨機數(shù)是否小于門限值T(n)（即上文中已作改進的（3）式），若小于則成為簇頭節(jié)點；若大于門限值則為成員節(jié)點，等待簇頭發(fā)送告知信息 。至此，簇頭的選舉階段完成。

　　4)成為簇頭的節(jié)點，要以一定的功率發(fā)送簇頭告知信息，但不是全網(wǎng)廣播。該消息只包括簇頭節(jié)點的ID 和消息標識符。在此之后簇頭將等待簇成員的加入信息。

　　5)成員節(jié)點根據(jù)接收到的ADV 消息的信號強弱來選擇一個信號強的簇頭節(jié)點，并向其發(fā)送一個請求加入的消息，該消息只包括節(jié)點的ID 和簇頭節(jié)點的ID。

　　6)簇頭花費一定時間來等待接收成員節(jié)點的加入簇信息，之后將停止接收并根據(jù)所收到的信息數(shù)量來安排簇內節(jié)點發(fā)送消息的TDMA 時隙。簇頭將TDMA 時隙以最小功率發(fā)送給簇內成員，以確保成員節(jié)點與簇頭節(jié)點通信時不會產(chǎn)生沖突。這樣網(wǎng)絡中某一輪的簇就已建立起來。圖1 為改進后的簇建立階段算法流程圖。

　　7) 簇建立好后，開始進行數(shù)據(jù)的傳輸階段。每個節(jié)點按照既定規(guī)則在自己的 TDMA 時隙內發(fā)送收集到的信息?；驹谑盏礁鱾€簇頭發(fā)送來的整合信息后，分析傳感到的數(shù)據(jù)并反應到上層人機交流界面上。根據(jù)信息中包含的簇頭和節(jié)點的ID 以及其發(fā)送信息時的功率強度，估計下一輪發(fā)送消息時網(wǎng)絡中節(jié)點的平均能量，并將此信息廣播到網(wǎng)絡，為下一輪循環(huán)做準備。至此，本輪結束。

圖 1 改進后的簇建立階段算法流程圖