基于最大生存周期的無線傳感器網(wǎng)絡能量模型研究

　　1 引 言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network)是一個熱點的研究領域，他在環(huán)境監(jiān)測、軍事、醫(yī)療健康、家庭智能監(jiān)控和其他商業(yè)領域有著廣泛的應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)需要自組織(Ad hoc)網(wǎng)絡技術，盡管已有許多Ad hoc網(wǎng)絡的協(xié)議和算法，但并不能滿足傳感器網(wǎng)絡的需求。具體來說，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡，傳感器網(wǎng)絡有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。

　　(1)無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目高出Ad hoc網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目幾個數(shù)量級，這就對傳感器網(wǎng)絡的可擴展性提出了要求。

　　(2)自組織傳感器網(wǎng)絡最大的特點就是能量受限。傳感器節(jié)點受環(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)絡體系結構以及各層協(xié)議設計時，節(jié)能是設計的主要考慮目標之一。

　　(3)由于傳感器網(wǎng)絡應用的環(huán)境的特殊性，無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡的損壞不會影響到全局任務的進行。

　　(4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡拓撲結構變化快，對于拓撲結構的維護路由協(xié)議的設計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　在過去幾年里，能量高效和網(wǎng)絡最大生存周期路由算法已經(jīng)受到越來越多的關注，文獻[4]中提出能量預測方法，利用剩余能量選擇從匯聚節(jié)點到事件區(qū)域的路由，但沒有考慮信息在網(wǎng)絡中傳輸?shù)淖疃叹嚯x(而在無線系統(tǒng)中，傳輸距離長短直接與能量消耗大小有關)，容易造成信息傳輸時延和能量的浪費。文獻[5，6]中提出用于稀疏網(wǎng)絡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(qū)域節(jié)點離散化的近似方法。上面提到的工作集中在網(wǎng)絡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)絡中的某些節(jié)點很快死亡，從而縮短網(wǎng)絡生存周期。我們在文中提出了基于最大生存周期的無線傳感器網(wǎng)絡的能量模型，通過配置節(jié)點能量計算模型，引人一個標志Flag和長期睡眠狀態(tài)機制來實現(xiàn)無線傳感器絡中節(jié)點的能量均衡，從而使網(wǎng)絡生存周期最大化。

　　2 系統(tǒng)能量模型

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

　　2.1 節(jié)點能量計算模型

　　設節(jié)點i檢測到事件，向中間節(jié)點j發(fā)送信息，則對于一個無線電通信的簡單模型而言，節(jié)點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(包括啟動時消耗的能量)，單位是能量/b，ed是無線傳輸過程中的單位能量損耗，et和ed的值由節(jié)點發(fā)送器特性決定。參數(shù)n是信道路徑丟失指數(shù)，依賴于RF環(huán)境，n值一般是2或4，r是傳輸距離，B是無線信號比特率，在我們的研究中是固定的。

　　節(jié)點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)，B=1 Mb/s。

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

　　節(jié)點j接收節(jié)點i發(fā)來的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(jié)點i的初始能量為Er(i)=Er，網(wǎng)絡經(jīng)過一段時間的運行后，節(jié)點i在T1時刻前共執(zhí)行了n1次的信息發(fā)送，n2次的信息接受(設此時節(jié)點i的能量還沒低于閥值，且每次接收和發(fā)送信息的單位是Ai厄蘭)，則節(jié)點i在T1時刻的剩余能量可用式(5)表示：

　　我們的目標是設計一個在Er(i)不低于Ev(節(jié)點能量閥值，可據(jù)實際情況設置)的情況下，讓節(jié)點處于不同的工作狀態(tài)以節(jié)約能量，通過不同的節(jié)點分發(fā)數(shù)據(jù)流來防止某些節(jié)點過早的死亡、均衡節(jié)點能量和延長網(wǎng)絡的生存周期。

　　2.2 無線傳感器節(jié)點的能量消耗模型

　　無線傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。圖1是Deborah Estrin在Mobicom 2002會議上的特邀報告中所描述的傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況。

　　隨著VLSI，MEMS技術的進步，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線通信模塊上。而無線通信模塊存在發(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。無線通信模塊在發(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，無線傳感器網(wǎng)絡必須利用節(jié)點工作狀態(tài)的轉換，使節(jié)點在網(wǎng)絡正常運作下盡快進入睡眠狀態(tài)，并關閉通信模塊，達到高效利用能量，使網(wǎng)絡的生存周期達到最大化。

　　2.3 傳感器節(jié)點狀態(tài)轉換模型

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點在不同的狀態(tài)具有不同的能量消耗，我們基于EPGR算法中的節(jié)點狀態(tài)模型，提出帶標志的傳感器節(jié)點轉換模型，模型中節(jié)點共有6種工作狀態(tài)：

　　睡眠狀態(tài) 傳感器模塊關閉，通信模塊關閉，能量消耗最小;

　　感知狀態(tài) 傳感器模塊開啟，通信模塊關閉，節(jié)點感知事件發(fā)生;

　　偵聽狀態(tài) 傳感器模塊開啟，通信模塊空閑;

　　接收狀態(tài) 傳感器模塊開啟，通信模塊接收;

　　發(fā)送狀態(tài) 如果Flag=0則表明節(jié)點的Er(i)低于Ev，傳感器模塊關閉，通信模塊關閉，節(jié)點轉入長期睡眠狀態(tài)，不相應任何事件;如果Flag=1傳感器模塊開啟，通信模塊發(fā)送;

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　　長期睡眠狀態(tài) 表示該節(jié)點能量已低于閥值，不相應任何事件。

　　圖2中的Ts是睡眠狀態(tài)定時器，Ti偵聽狀態(tài)定時器，Tj感知狀態(tài)定時器。

　　在帶標志的傳感器節(jié)點轉換模型中，開始時設置所有節(jié)點的Flag=1，在傳感器工作的過程中，通過傳遞的能量來判斷Er(i)是否低于Ev，如果Er(i)低于Ev，則說明該節(jié)點能量處于快耗盡的邊緣，此時置Flag=0，讓該節(jié)點處于長期睡眠狀態(tài)，改由其他節(jié)點來發(fā)送信息;如果Er(i)不低于Ev，表示該節(jié)點處于正常的工作狀態(tài)，可以進行相關的操作，此時Flag=1。在節(jié)點收到信息以后，通過Flag標志的值來決定該節(jié)點是否發(fā)送或者轉發(fā)收到的信息。

　　通過引入的Flag標志和長期睡眠機制來防止網(wǎng)絡中的某些節(jié)點因為過早耗盡能量而死亡，引起網(wǎng)絡無效，從而大大提高無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點能量的均衡消耗，最大限度地延長網(wǎng)絡的生存時間，從而使無線傳感器網(wǎng)絡在現(xiàn)有的能量受限條件下，發(fā)揮更大、更久的作用。

　　3 結 語

　　在分析了無線傳感器網(wǎng)絡的應用和特性的基礎上，從節(jié)點能量計算模型，節(jié)點的能量消耗模型和狀態(tài)轉換模型3個方面論述了無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)能量模型。本文的創(chuàng)新點是：在EPRG算法中的節(jié)點狀態(tài)轉換模型中引人一個標志Flag和長期睡眠狀態(tài)機制來防止網(wǎng)絡中的某些節(jié)點因為過早耗盡能量而死亡，結合文中提出的能量計算模型來實現(xiàn)無線傳感器絡中節(jié)點的能量均衡，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡生存周期的最大化。