分析无线传感器网络中能量全局优化精确数据收集获奖科研报告

分析无线传感器网络中能量全局优化精确数据收集获奖科研报告摘要：无线传感器网络（WirelessSensorNetworks简称WSN）是一种分布式传感网络，它由大量传感器节点、汇聚节点和用户管理节点组成，因为微电机系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术等相关技术的飞速发展，导致了WSN的不断发展，并被广泛应用于各个领域。其中环境监控离我们的日常生活最为接近。数据收集是无线传感器网络应用的基本功能，它是将传感器节点放置在监测区域内，通过这些节点之间相互协助，对环境参数或监测对象进行感知进行记录，并将记录传送给用户。在实际的应用中，数据收集的过程就是传感器节点收集数据，并传送到sink节点。常见的数据收集分为相关数据收集和精确数据收集。本文主要对精确数据收集进行分析。

关键词：无线传感器网络;数据收集算法;能量全局化

在多条无线传感器在网络进行数据收集的时候，靠近汇聚点的传感器节点因为其需要转发来自其他节点的数据，导致了该传感器节点能力消耗过快，由于过度使用，加大了该传感器节点的损耗，缩短了使用期限，影响数据的传递。在这一情况下，本文基于精确数据收集的基础上提出了更为全面的全局优化算法EGODGA暨能量（energy）全局（global）优化（optimization）数据（data）收集（gathering）算法（algorithm）。

1EGODGA算法简介

EGODGA算法是一种能够对数据高效收集的模式，能有效地收集传感器节点的数据，它与最短路径算法Djikstra不同，EGODGA算法同时考虑链路代价和节点代价，找出从源节点到目标节点的最快速且消耗低的路径，实现网络能力全局优化。根据有关计算结果表明在相同条件下，Djikstra最短路径算法与精确数据收集算法相比，EGODGA算法可以对通过优化网络拓扑子树的节点数目进行有效计算，实现网络的能力平衡。该算法适用于多跳静态无线传感器网络的全局优化。EGODGA算法综合了其他算法的优势，通过寻找源节点与sink节点间总代价最小的路径，来建设sink附近节点的能量消耗，达到延长网络的使用期限[1]。

2与其他算法的对比

EGODGA算法与其他算法相比有什么优势呢，我们选取了常用的几种无线传感器网络数据收集的算法，例如LET、CCM、LORA_SPT等。LET算法是主要优点是保证网络拓扑中的每个节点到sink节点的耗能最小，但是这个优点有时也是他的缺点，因为如果该算法每颗子树上的节点数目不一致，就会出现节点数目分布不均匀的情况，这种情况就会导致节点能量使用不均勻，如果局部节点转发数据过多，就会造成局部节点的过早死亡;CCM算法是把整个网络作为一个通信代价图来处理，CCM算法自身的动态规划算法与Dijkstra算法相结合，用最小通信代价作为Dijkstra算法的权值，在此基础上产生一个新网络拓扑[2]。该算法的优点是优化了局部耗能，缺点是无法对网络进行全局优化;LORA_SPT算法是基于LET算法的一种算法，它有效的考虑了临近节点的剩余能量，此外还考虑了其他因子[3]。但是该算法在构建权值函数的时候，对于求出各个因子的准确值，还较为困难。而精确数据收集算法可以有效均衡网络耗能，有效延长网络的使用期限，还可以在较短时间内建立网络拓扑。该算法在执行过程中，传感器节点不仅需要考虑链路代价，还需要考虑节点代价，算法以链路代价与节点代价之和作为最小代价路径。在算法运行的过程中，每隔传感器都都会计算到达sink的最小代价路径，当所有结果算出之后，将数据进行综合、根据转移节点的方式得到最终的网络拓扑。这种结构能全面有效的对各项数据进行平衡，提高工作的效率。

3EGODGA算法的设计

网络的使用期限与sink的临近节点有关。EGODGA算法的设计思路是从叶子节点出发，顺着链路找到树枝，根据从下往上倒推，逐级推到sink节点，从而形成一颗能量全局优化的类树[4]。在局部优化的时候，还需要考虑通行链路代价和上级节点的负载情况。

4EGODGA算法的实现

EGODGA算法的实现需要通过sink节点与传感器节点不断进行数据发送，保证sink节点接收数据并不断更新信息。在实现过程中Sink节点需要给所有节点发送数据，并要求所有数据将自身节点位子、自身能量、节点ID等信息发送回sink节点，sink节点收到各节点的信息后，对其进行计算，将计算出来的初始节点代价及链路代价发给所有节点，各节点收到数据后，及时开展计算工作，寻找最小代价路径[5]。在寻找最小路径工作中，sink节点根据节点通报的信息不断更新网络中的节点代价，直至最后建立完整的网络拓扑结构，sink节点统治所有节点停止运算，进入数据收集阶段，在该算法的过程中，节点发送的各项数据里，不仅需要有检测到的任务数据，还需要有传感器节点自身的ID号、路由器、剩余能量信息等。这样有利于sink的运行。

5结束语

EGODGA算法可以构造子树节点数量相对平衡的网络拓扑，使节点能