基于最大生存周期的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量模型研究

　　1 引 言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wireless sensor network)是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域，他在環(huán)境監測、軍事、醫療健康、家庭智能監控和其他商業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現需要自組織(Ad hoc)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，盡管已有許多Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議和算法，但并不能滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò )的需求。具體來(lái)說(shuō)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò )，傳感器網(wǎng)絡(luò )有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。

　　(1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)數目高出Ad hoc網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目幾個(gè)數量級，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò )的可擴展性提出了要求。

　　(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的特點(diǎn)就是能量受限。傳感器節點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構以及各層協(xié)議設計時(shí)，節能是設計的主要考慮目標之一。

　　(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的環(huán)境的特殊性，無(wú)線(xiàn)信道不穩定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)受損的概率遠大于傳統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò )的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò )的損壞不會(huì )影響到全局任務(wù)的進(jìn)行。

　　(4)傳感器節點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構變化快，對于拓撲結構的維護路由協(xié)議的設計帶來(lái)了嚴峻的挑戰。

　　在過(guò)去幾年里，能量高效和網(wǎng)絡(luò )最大生存周期路由算法已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，文獻[4]中提出能量預測方法，利用剩余能量選擇從匯聚節點(diǎn)到事件區域的路由，但沒(méi)有考慮信息在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的最短距離(而在無(wú)線(xiàn)系統中，傳輸距離長(cháng)短直接與能量消耗大小有關(guān))，容易造成信息傳輸時(shí)延和能量的浪費。文獻[5，6]中提出用于稀疏網(wǎng)絡(luò )拓樸的最小能量路由分布式算法，文獻[7，8]中提出基于覆蓋區域節點(diǎn)離散化的近似方法。上面提到的工作集中在網(wǎng)絡(luò )總能量消耗的最小化，然而正如文獻[9]中指出，這種方法可能導致網(wǎng)絡(luò )中的某些節點(diǎn)很快死亡，從而縮短網(wǎng)絡(luò )生存周期。我們在文中提出了基于最大生存周期的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的能量模型，通過(guò)配置節點(diǎn)能量計算模型，引人一個(gè)標志Flag和長(cháng)期睡眠狀態(tài)機制來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器絡(luò )中節點(diǎn)的能量均衡，從而使網(wǎng)絡(luò )生存周期最大化。

　　2 系統能量模型

　　用無(wú)向圖G(V，L)描述一個(gè)靜態(tài)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型，其中V是節點(diǎn)集合，L是邊的集合。假設網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)已經(jīng)采用GPS或其他方法確定地理位置(為了描述方便，節點(diǎn)i的地理位置XSINK用(Xi，Yi)表示，匯聚節點(diǎn)SINK點(diǎn)的地理位置用(XSINK，YSINK))。如果兩個(gè)節點(diǎn)i，j可以在允許的通信范圍之內實(shí)現彼此問(wèn)相互直接通信，我們用邊連接節點(diǎn)i，j，用Ni表示節點(diǎn)i所有鄰接點(diǎn)的集合。為了說(shuō)明方便，假設網(wǎng)絡(luò )是連通的且所有邊都是可以相互通信的，即V中的任意2個(gè)節點(diǎn)i，j之間一定存在一條路徑。

　　2.1 節點(diǎn)能量計算模型

　　設節點(diǎn)i檢測到事件，向中間節點(diǎn)j發(fā)送信息，則對于一個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信的簡(jiǎn)單模型而言，節點(diǎn)i發(fā)送單位信息需要的能量Et(i)表示為式(1)：

　　其中et是傳輸每比特信息消耗的能量(包括啟動(dòng)時(shí)消耗的能量)，單位是能量/b，ed是無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中的單位能量損耗，et和ed的值由節點(diǎn)發(fā)送器特性決定。參數n是信道路徑丟失指數，依賴(lài)于RF環(huán)境，n值一般是2或4，r是傳輸距離，B是無(wú)線(xiàn)信號比特率，在我們的研究中是固定的。

　　節點(diǎn)j接收單位信息所需的能量Er(j)是固定的，表示為式(2)：

　　Er(j)=erB (2)

　　其中er是接收每比特信息消耗的能量，單位是能量/b，目前可用的典型值為：et=50*10-9J/b，er=50*10-9J/b，ed=100*10-12J/b/m2(在n=2時(shí))，B=1 Mb/s。

　　現在考慮在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中一跳路徑中的能量損耗情況，假設在源節點(diǎn)i產(chǎn)生Ai厄蘭信息量、距離下一跳節點(diǎn)j的距離是dij，則節點(diǎn)i向節點(diǎn)j發(fā)送Ai厄蘭信息消耗的能量可表示為式(3)：

　　節點(diǎn)j接收節點(diǎn)i發(fā)來(lái)的Ai厄蘭信息需要消耗的能量表示為式(4)：

　　Er(j，i)=erBAi (4)

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　　設節點(diǎn)i的初始能量為Er(i)=Er，網(wǎng)絡(luò )經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運行后，節點(diǎn)i在T1時(shí)刻前共執行了n1次的信息發(fā)送，n2次的信息接受(設此時(shí)節點(diǎn)i的能量還沒(méi)低于閥值，且每次接收和發(fā)送信息的單位是Ai厄蘭)，則節點(diǎn)i在T1時(shí)刻的剩余能量可用式(5)表示：

　　我們的目標是設計一個(gè)在Er(i)不低于Ev(節點(diǎn)能量閥值，可據實(shí)際情況設置)的情況下，讓節點(diǎn)處于不同的工作狀態(tài)以節約能量，通過(guò)不同的節點(diǎn)分發(fā)數據流來(lái)防止某些節點(diǎn)過(guò)早的死亡、均衡節點(diǎn)能量和延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存周期。

　　2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量消耗模型

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。圖1是Deborah Estrin在Mobicom 2002會(huì )議上的特邀報告中所描述的傳感器節點(diǎn)各部分能量消耗情況。

　　隨著(zhù)VLSI，MEMS技術(shù)的進(jìn)步，傳感器模塊和處理器模塊的功耗變得很低，從圖1中可以看出大部分能量消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊上。而無(wú)線(xiàn)通信模塊存在發(fā)送、接受、空閑、睡眠4種狀態(tài)，不同的狀態(tài)存在不同的能量消耗水平。無(wú)線(xiàn)通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最多，空閑和接受狀態(tài)的能耗接近，而睡眠狀態(tài)的能耗最少。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須利用節點(diǎn)工作狀態(tài)的轉換，使節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )正常運作下盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并關(guān)閉通信模塊，達到高效利用能量，使網(wǎng)絡(luò )的生存周期達到最大化。

　　2.3 傳感器節點(diǎn)狀態(tài)轉換模型

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)在不同的狀態(tài)具有不同的能量消耗，我們基于EPGR算法中的節點(diǎn)狀態(tài)模型，提出帶標志的傳感器節點(diǎn)轉換模型，模型中節點(diǎn)共有6種工作狀態(tài)：

　　睡眠狀態(tài) 傳感器模塊關(guān)閉，通信模塊關(guān)閉，能量消耗最小;

　　感知狀態(tài) 傳感器模塊開(kāi)啟，通信模塊關(guān)閉，節點(diǎn)感知事件發(fā)生;

　　偵聽(tīng)狀態(tài) 傳感器模塊開(kāi)啟，通信模塊空閑;

　　接收狀態(tài) 傳感器模塊開(kāi)啟，通信模塊接收;

　　發(fā)送狀態(tài) 如果Flag=0則表明節點(diǎn)的Er(i)低于Ev，傳感器模塊關(guān)閉，通信模塊關(guān)閉，節點(diǎn)轉入長(cháng)期睡眠狀態(tài)，不相應任何事件;如果Flag=1傳感器模塊開(kāi)啟，通信模塊發(fā)送;

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　　長(cháng)期睡眠狀態(tài) 表示該節點(diǎn)能量已低于閥值，不相應任何事件。

　　圖2中的Ts是睡眠狀態(tài)定時(shí)器，Ti偵聽(tīng)狀態(tài)定時(shí)器，Tj感知狀態(tài)定時(shí)器。

　　在帶標志的傳感器節點(diǎn)轉換模型中，開(kāi)始時(shí)設置所有節點(diǎn)的Flag=1，在傳感器工作的過(guò)程中，通過(guò)傳遞的能量來(lái)判斷Er(i)是否低于Ev，如果Er(i)低于Ev，則說(shuō)明該節點(diǎn)能量處于快耗盡的邊緣，此時(shí)置Flag=0，讓該節點(diǎn)處于長(cháng)期睡眠狀態(tài)，改由其他節點(diǎn)來(lái)發(fā)送信息;如果Er(i)不低于Ev，表示該節點(diǎn)處于正常的工作狀態(tài)，可以進(jìn)行相關(guān)的操作，此時(shí)Flag=1。在節點(diǎn)收到信息以后，通過(guò)Flag標志的值來(lái)決定該節點(diǎn)是否發(fā)送或者轉發(fā)收到的信息。

　　通過(guò)引入的Flag標志和長(cháng)期睡眠機制來(lái)防止網(wǎng)絡(luò )中的某些節點(diǎn)因為過(guò)早耗盡能量而死亡，引起網(wǎng)絡(luò )無(wú)效，從而大大提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能量的均衡消耗，最大限度地延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，從而使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在現有的能量受限條件下，發(fā)揮更大、更久的作用。

　　3 結 語(yǔ)

　　在分析了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用和特性的基礎上，從節點(diǎn)能量計算模型，節點(diǎn)的能量消耗模型和狀態(tài)轉換模型3個(gè)方面論述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統能量模型。本文的創(chuàng )新點(diǎn)是：在EPRG算法中的節點(diǎn)狀態(tài)轉換模型中引人一個(gè)標志Flag和長(cháng)期睡眠狀態(tài)機制來(lái)防止網(wǎng)絡(luò )中的某些節點(diǎn)因為過(guò)早耗盡能量而死亡，結合文中提出的能量計算模型來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器絡(luò )中節點(diǎn)的能量均衡，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )生存周期的最大化。