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微机电技术、传感器技术和无线通信技术的进步,推动了低功耗多功能的传感器的快速发展,使其在微小体积内便能够集成信息采集、数据处理和无线通信等功能。无线传感器网络就是由大量部署在监测区域内的这类传感器节点组成,通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统,从而协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息,并发送给观测者。
目前,无线传感器的许多相关技术仍然处于探索阶段,比如：能源管理、协议设计、数据传输安全性和可靠性、服务质量等问题。只有有效地解决所面临的这些问题,无线传感器网络才能有机会真正应用到军事、医疗、商业、教育、环境等领域,发挥其潜在的巨大价值。
以采集数据为目标的无线传感器网络中,节点大多靠电池供电,能量十分有限,因此,设计能量高效的路由算法对于无线传感器网络实用化具有非常重要的意义。本文围绕能量高效路由算法这一主题,作了一些有益的尝试,主要工作涉及以下5个方面：
(1)阐述了无线传感器网络路由算法的设计目标及其面临的问题和挑战,并对网络层节省能量的方法及其影响因素进行了分析。对现有的一些传感器网络路由算法进行了分类总结,综述了它们的优缺点及其性能问题,最后总结了理想路由算法应该具有的特点以及路由算法未来的研究策略和发展趋势。
(2)通过分析典型的基于链状结构的PEGASIS算法,发现虽然PEGASIS算法在能耗方面比LEACH算法优越,但PEGASIS算法仍然存在着三大不足：一是链的生成算法容易导致相邻节点间产生长链；二是链头节点选取方法容易导致节点间能量消耗分布不均匀；三是每一轮通信结束后都重新选取链头节点,从而增加了通信开销。针对PEGASIS的不足,本文提出了一种称为EEPB的改进算法,EEPB算法通过在建链过程中引入距离门限避免相邻节点间产生长链；通过优先选取剩余能量多、距离基站近的节点担任链头节点来均衡节点间的能量消耗；通过降低链头节点的重选频率来减少通信开销。分析和仿真结果表明,相对经典PEGASIS算法,改进后的算法不但没有增加复杂性,而且在平衡节点能耗和延长网络寿命方面具有更优越的性能。
(3)在上述的改进PEGASIS建链方法的基础上,提出了一种基于双层链结构并由基站集中控制的负载均衡、能量有效的路由算法-LBEERA。此算法充分利用了簇状路由算法和链状路由算法的优点。另外由于通过高能量的基站完成诸多的任务,比如簇的建立、分层链的形成、链头节点和超级链头节点的选举、TDMA机制的产生等。LBEERA算法将传感区域划分为若干个簇,每个簇形成一条低层链,每个低层链的链头节点形成一条高层链。分析和仿真结果表明,LBEERA算法相比LEACH算法和PEGASIS算法在能量有效性和能耗均衡方面具有更优越的性能,相对PEGASIS算法,LBEERA算法也减少了包的传输时延。
(4)无线传感器网络所具有的集中式数据收集、多跳数据传输、多对一流量模式容易导致严重的包碰撞、网络拥塞、包丢失,同样也会导致能量消耗的热点出现,使某些节点甚至整个网络过早死亡。针对上述问题,提出了一种能耗均衡的路由算法,并通过数学分析的方法验证了节点间能耗的差异。能耗均衡算法按节点离基站的距离进行分层,根据中间节点的能量参数和通信开销建立到基站的多径路由,在数据收集过程中除了利用具有最小能耗的最优路径外还偶尔使用一些次优路径；为进一步减少节点能耗,算法还采用了数据聚合机制。分析和仿真结果表明,算法在很大程度上均衡了节点间能耗并延长了网络寿命。
(5)针对区域监测这种应用,提出了一种能量有效的路由算法,此算法在被监测区域内根据源节点的能量参数以及到基站的跳数选取汇聚节点,并且在汇聚节点和基站之间建立多路径路由,根据每条路径的能量情况和通信开销选择其中一条路径进行数据传输。此路由算法不仅利用能耗最优路径还偶尔利用能耗次优路径传输数据。分析和仿真结果表明,提出的算法不仅节省了能耗而且还减少了数据传输时延,适用于区域监测应用领域。
目前,无线传感器网络作为通信领域研究的热点,存在很多问题和难点,其中能量问题尤为突出。如何根据无线传感器网络自身的特点,设计合适的路由算法,有效地减少能量消耗,延长网络寿命,对于无线传感器网络的发展具有重要的意义。