基于能量均衡的無線傳感器網絡算法的改進

　　分析此式可以看出，由于節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點成為簇頭節點的可能性，但同時也減小了整個網絡中能夠擔當簇頭節點的機會。針對這一現象，本文將節點當前剩余能量和當前網絡平均能量兩個參數綜合考慮進去。

　　式中，是節點當前的剩余能量，是當前網絡平均能量。這樣一來，即保證了節點被選為簇頭節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點數與期望數相同。

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

　　式中，是無線傳感器網絡覆蓋區域面積， N 是區域內節點數量， 是信號放大器的放大倍數， 是每發送或接收1比特數據，電路自身消耗的能量， 是簇頭節點的最遠覆蓋距離。

　　2.2 改進算法的具體實現

　　算法進行優化后詳細描述如下。

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

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

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

　　4)成為簇頭的節點，要以一定的功率發送簇頭告知信息，但不是全網廣播。該消息只包括簇頭節點的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)成員節點根據接收到的ADV 消息的信號強弱來選擇一個信號強的簇頭節點，并向其發送一個請求加入的消息，該消息只包括節點的ID 和簇頭節點的ID。

　　6)簇頭花費一定時間來等待接收成員節點的加入簇信息，之后將停止接收并根據所收到的信息數量來安排簇內節點發送消息的TDMA 時隙。簇頭將TDMA 時隙以最小功率發送給簇內成員，以確保成員節點與簇頭節點通信時不會產生沖突。這樣網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，開始進行數據的傳輸階段。每個節點按照既定規則在自己的 TDMA 時隙內發送收集到的信息。基站在收到各個簇頭發送來的整合信息后，分析傳感到的數據并反應到上層人機交流界面上。根據信息中包含的簇頭和節點的ID 以及其發送信息時的功率強度，估計下一輪發送消息時網絡中節點的平均能量，并將此信息廣播到網絡，為下一輪循環做準備。至此，本輪結束。

圖 1 改進后的簇建立階段算法流程圖