基于最小能耗的无线传感器网络路由算法

　　无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。同时，网络中的节点拥有感知能力、无线通信能力以及计算能力。由于无线传感器网络具有不依赖与任何预设网络设施等特点，所以在军事应用、大型设备监控和环境监测和预报等领域，传感器网络都有着广泛的应用前景。传感器网络中节点分布数量众多，且能量是由容量有限的电池供电，更换不易。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。所以如何设计节能高效的路由策略是延长网络生存周期的重要手段。

　　近些年来，一些节能高效的路由算法相继被提出。文献通过引入长期睡眠机制，防止网络中的某些节点因为过早耗尽能量而死亡，引起网络无效。文献设计了一种无线传感器网络通信架构ADOCA，有效地改善了无限传感器网络通信的有效性。文献提出了一种基于多蚁群无线传感器网络路由算法，采用多种蚁群并行搜索，并在种群中采用基于目标函数值的启发式信息素分配策略和根据目标函数自动调整蚂蚁搜索路径。文献中针对SPR路由算法进行改进，提出了EB-SPR算法。将网络构造成层次结构，节点根据上一层邻节点能量水平优先使用能量多的节点作为下一跳来转发数据包，但是这种算法中节点需要时刻维护各个邻节点能量信息，增加了数据传输量。文献提出了最早的分层路由协议之一，LEACH算法。通过循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能耗、提高网络整体生存时间的目的。本文提出了一种新的基于最小能耗的无线传感器网络路由算法，并对网络中能量过低的节点采取休眠处理，延长了网络的生命周期。

　　1 无线传感器网络能量消耗研究和路由分析

　　1.1 无线传感器网络能量消耗研究

　　传感器网络节点主要有传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块。随着技术的进步，目前传感器模块和处理器模块能耗越来越低。但是，传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1 b信息到100 m距离需要的能量大约相当于执行3 000条指令消耗的能量。

　　本文假设一个简单的无线通信电路模型，其中发送和接收电路消耗能量Eelec=50 nJ/b，发送放大器消耗能量εamp=100 pJ/(b/m2)。所以，使用该模型从节点A传输kb信息至距离为d的节点B时，节点A消耗的能量为ETx(k，d)=Eeleck+εampkd2，接收该信息，节点B消耗的能量为ERx(k)=Eeleck。如图1所示。

　　无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图2中可看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。