1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的能量有效性設(shè)計摘要 本文主要結(jié)合分層路由協(xié)議尤其是分簇算法，探討了在路由建立和數(shù)據(jù)傳輸過程中如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗分布情況并考慮無線傳播環(huán)境的影響，設(shè)計滿足能量有效性路由協(xié)議。關(guān)鍵詞 無線；傳感器；能量；有效性；網(wǎng)絡(luò)；分簇1 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種新型的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它融合了通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)，由大量的傳感器節(jié)點通過無線介質(zhì)連接構(gòu)成，采用自組織的形式配置微型的智能傳感器節(jié)點，通過節(jié)點的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中目標信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境與軍事監(jiān)控，地震與氣候預測以及外層空間

2、探索等許多方面都具有廣泛的應用前景。 所謂能量有效性是指該網(wǎng)絡(luò)在有限的能量條件下能夠處理的服務請求數(shù)量。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點采用微型電池供電，且放置在惡劣的環(huán)境中工作，一般很難進行充電或是替代，系統(tǒng)的能量資源非常有限，因此，研究和設(shè)計滿足能量有效性的通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迫切需要解決的問題。 本文從能量有效性的角度出發(fā)，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議的特點進行詳細地分析，說明如何設(shè)計能夠節(jié)約系統(tǒng)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命時間的路由協(xié)議。2網(wǎng)絡(luò)層能量有效性的分析 在路由建立、維護以及數(shù)據(jù)傳輸階段，傳感器節(jié)點之間采取單跳通信還是多跳通信的方式，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的能量消耗狀況，如果設(shè)計不合

3、理，將會導致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量分布不均勻，縮短網(wǎng)絡(luò)的生存時間。能量有效性對網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的設(shè)計提出了更高的要求。2.1能量消耗導致“熱點問題” “ 熱點問題”（Hot Spot Problem）是指在路由的建立、維護以及和數(shù)據(jù)傳送的過程中，可能使某一些節(jié)點過多的消耗能量，而導致過早死亡；如果這些節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的連通關(guān)鍵位置，則會使整個網(wǎng)絡(luò)將會陷入癱瘓狀態(tài)，無法完成正常的感知任務。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中采取的不同的通信方式，出現(xiàn)熱點問題的情況會有所不同。 在單跳通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無論是采用平面路由還是分層路由，數(shù)據(jù)都是由傳感器節(jié)點直接傳輸?shù)絽R聚節(jié)點sink，由于節(jié)點具有相等的初始能量且大小受限，因此，距離匯聚

4、節(jié)點較遠的傳感器節(jié)點消耗的能量較大，加之無線傳播環(huán)境的惡化的影響，更容易造成能量的嚴重損失，因此，這些節(jié)點就成為了“熱點”，如果這些節(jié)點位于監(jiān)測目標的附近，將直接導致監(jiān)測任務的執(zhí)行。 在多跳通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，同樣也存在“熱點”。這些節(jié)點位于匯聚節(jié)點sink較近的位置，它們一方面負責將自身的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，另一方面要為距離sink較遠的節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的服務，其在單位時間發(fā)送的數(shù)據(jù)密度要比其它節(jié)點多1倍，因此，能耗也要多1倍。這樣，如果網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點數(shù)目較多時，對于距離匯聚節(jié)點較近的節(jié)點就需要耗費大量的能量，距離越近，能耗越多。如果這些節(jié)點過早地能量耗盡，網(wǎng)絡(luò)的連通性就無法得到保證，距離

5、sink較遠的傳感器節(jié)點不能及時地把數(shù)據(jù)發(fā)送過來，嚴重影響了通信的進程。3 路由協(xié)議的節(jié)能設(shè)計 如上所述，在路由協(xié)議的設(shè)計中應盡量減少和避免熱點問題的發(fā)生，保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗的均勻分布。路由協(xié)議的設(shè)計思想可以從不同角度分類，如：平面路由和分層路由。本文以分層路由為例，說明如何進行節(jié)能設(shè)計。 分層路由協(xié)議的設(shè)計思想是對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行層次劃分，若干相鄰節(jié)點構(gòu)成一個簇，每個簇內(nèi)有一個簇首（Cluster Header）。簇與簇之間可以通過簇首進行通信。簇首之間的連接構(gòu)成上層骨干網(wǎng)，所有簇間通信都通過骨干網(wǎng)進行轉(zhuǎn)發(fā)。分簇的方法可以分布式控制系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)模變得比較靈活，同其它平面算法比較，它可以

6、減少路由表的大小，降低承擔路由的節(jié)點數(shù)目，節(jié)約節(jié)點能量消耗，并有效延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因此，分層路由本身就具有節(jié)能的優(yōu)勢。 在現(xiàn)有分簇算法中，簇內(nèi)（Intra-Cluster）通常采用的是單跳通信，而簇間（Inter-Cluster）采用多跳的方式。但仔細分析，這種設(shè)計方法存在一定的缺陷。究其原因，對于簇內(nèi)來說，由于節(jié)點的位置是隨機分布，即使同處一個簇內(nèi)的節(jié)點在地理位置也有遠近之分，如果有一部分節(jié)點距離簇首比較遠，在與簇首通信的過程中將會比其它簇內(nèi)節(jié)點消耗更多的能量，當無線傳播環(huán)境比較惡劣（鏈路損耗因子 ）時，這種能量消耗會更大。隨著通信的進行，這些節(jié)點有很高的概率成為“熱點”，從而過早的死

7、亡。因此，簇內(nèi)通信采取單跳的方式并不是一種最好的選擇，這需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)狀況來決定。簇間采用多跳通信的方式，使得距離匯聚節(jié)點的簇首可以通過在sink附近的其它簇首將數(shù)據(jù)傳遞過來，但正如熱點問題中所述，距離sink較近的節(jié)點其由于負擔過重而能量消耗殆盡。圖1通過變化曲線說明了在單跳和多跳通信中，節(jié)點的能量消耗與簇首距離之間的關(guān)系，可以看出這兩種方式都有可能導致系統(tǒng)能量的不均勻分布，縮短網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 圖1 節(jié)點能量消耗與簇首距離之間的關(guān)系 為避免在簇內(nèi)和簇間通信中出現(xiàn)熱點問題，在設(shè)計分簇算法時，可以從以下方面進行考慮。第一，當無線傳播環(huán)境變得惡化時，簇內(nèi)通信應該采用多跳的方式，這種設(shè)計思想是

8、將一個簇的區(qū)域半徑以R的厚度等分成n個環(huán)，如圖2右半部分所示。圖2 簇內(nèi)兩種不同的通信方式簇內(nèi)節(jié)點均分布在n個環(huán)中，節(jié)點與簇首的通信采用多跳的方式，環(huán)內(nèi)的節(jié)點為環(huán)外節(jié)點提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務，即第n個環(huán)內(nèi)的節(jié)點要對于來自第n個環(huán)外發(fā)送給簇首的數(shù)據(jù)包提供轉(zhuǎn)發(fā)服務；這樣可以減少距離簇首較遠節(jié)點的能量消耗，而將原來直接傳送給簇首所消耗的能量分擔到其它距離簇首較近的節(jié)點中間，有利于節(jié)點能量分布趨于一致，達到延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的分布區(qū)域的半徑為A，共有m個簇，每個簇的半徑為 了傳送自己的數(shù)據(jù)外，還要為環(huán)外的節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)服務，在一個工作周期所消耗的能量可以表達為式（1） 其中K1 、 K2分別為簇

9、內(nèi)通信和簇間通信的鏈路損耗因子；Ef 為數(shù)據(jù)融合消耗的能量；li 和 ui分別是發(fā)射機電路消耗的能量和用于克服傳播損耗射頻功率放大消耗的能量。式(1)中第一部分為簇首傳送數(shù)據(jù)到Sink所消耗的能量；第二部分為節(jié)點傳送自己的數(shù)據(jù)所消耗的能量；第三部分為簇首進行數(shù)據(jù)融合所消耗的能量；最后一部分表示在所有環(huán)中，節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)服務所消耗的能量。總的能量消耗E是參數(shù)m和R的函數(shù)，通過采取實驗仿真的方法，對于給定m和R的值，可以求解出能量的最小值，結(jié)果表明，當簇內(nèi)的無線通信環(huán)境變得惡化時，即 取值變大時，簇內(nèi)多跳通信的方式可以進一步降低能量的消耗。 第二，如果簇間通信采用多跳方式，而造成簇首之間的能量分布嚴

10、重不均時，可以采取不等分簇的方法，這種方法的設(shè)計思想是根據(jù)距離匯聚節(jié)點的遠近調(diào)整簇半徑的大小。如式（2）所示： 其中C為（0，1）之間的常數(shù)， 第三，根據(jù)相關(guān)文獻對多層體系式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究中所指出的：通信的花費（Cost）是隨著網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)的增加而降低。同理應用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，隨著分層數(shù)目的增加，節(jié)點能量的消耗也會相應降低，但是，如果分層的數(shù)目過多的話，可能會造成系統(tǒng)的額外的開銷，因此，在降低能量消耗和減少系統(tǒng)開銷之間應該保持一個很好的平衡。另外，簇首的選擇也應采用合理、公平的方法，例如，通過采用輪詢的方式，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都有機會擔當簇首，可以保證能量消耗的分布一致。4 總結(jié) 綜上所述，

11、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種能量有限的網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點能量消耗過快，則會使節(jié)點在短時間內(nèi)失效，從而導致有效傳感區(qū)域變小，影響傳感結(jié)果。同時在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量比帶寬等其它性能指標更重要。如何有效減少并平衡網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的能量消耗，從而使得網(wǎng)絡(luò)壽命最大化，是協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理、存儲和通信能力有限，因此，不適宜采用傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計思想。綜合考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點和應用需求，設(shè)計緊湊、節(jié)能而簡單的協(xié)議是應遵循的重要原則。參考文獻1 V. Mhatre and C. Rosenberg, “Design Guidelines for Wireless Sens

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