房 方，李景峰，李 杰

（信息工程大學(xué)，河南 鄭州450004）

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等多種技術(shù)所形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其重要應(yīng)用之一是對(duì)目標(biāo)事件進(jìn)行檢測(cè)［1］。在此類應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般被部署在自然環(huán)境惡劣或者受敵方控制的危險(xiǎn)區(qū)域，更換電池比較困難，因此，如何高效利用能量來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期就成為設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)其正常工作時(shí)必須謹(jǐn)慎考慮的原則之一［2］。傳感器節(jié)點(diǎn)將單位比特?cái)?shù)據(jù)傳輸100m的能耗約等于執(zhí)行3000條本地操作的能耗，換句話說(shuō)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信的能耗占到其運(yùn)行總能耗的90%以上［3］，因此研究傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模式以及不同角色節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中的能耗特點(diǎn)，對(duì)于用戶有針對(duì)性地選擇傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期具有十分重要的意義。文獻(xiàn)［4］提出了一種適用于單跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量?jī)?yōu)化與平衡算法，能量?jī)?yōu)化也就是說(shuō)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體能耗最小，能量平衡則意味著傳感器節(jié)點(diǎn)能耗相同，系統(tǒng)失效前不會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)失效的問(wèn)題。文獻(xiàn)［5］提出了一種較為精確的傳輸感器節(jié)點(diǎn)能耗模型和一種使能量?jī)?yōu)化的設(shè)計(jì)方案，但該模型僅局限在物理層上。文獻(xiàn)［6］將傳感器模塊和處理器模塊設(shè)定為常量性能耗，并建立傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型，分別在單跳和多跳傳輸模式下對(duì)網(wǎng)絡(luò)總能耗和單節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［7］提出了一種應(yīng)用魯洛三角形的k度覆蓋算法RTCA，在滿足傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署并保證節(jié)點(diǎn)覆蓋要求的同時(shí)減少了活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。文獻(xiàn)［8］運(yùn)用基于能量指標(biāo)和距離指標(biāo)的簇首選舉方法建立了一種跨層自適應(yīng)周期簇間路由性能模型，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)周期。

綜上所述，現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗研究均沒(méi)有按照節(jié)點(diǎn)傳輸方式進(jìn)行分類比較，不能根據(jù)用戶需求提供較為節(jié)能的節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制。本文以規(guī)模相等單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景，首先將現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式劃分為推模式和拉模式［9］兩類；然后，以Wendi B.Heinzelman等人提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量模型為基礎(chǔ)［10］，分別描述了同一簇內(nèi)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式中，簇首節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的能耗計(jì)算方法。通過(guò)分析得到不同數(shù)據(jù)傳輸模式下節(jié)點(diǎn)能耗計(jì)算公式的有效性，并計(jì)算出不同模式下的節(jié)點(diǎn)能耗，方便用戶根據(jù)不同需求選擇傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，最大限度地延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 系統(tǒng)模型

本文以等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景，該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，具體描述如下：

（1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被部署到檢測(cè)區(qū)域后，全網(wǎng)被劃分為若干個(gè)規(guī)模相等、互不交疊的簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)和n個(gè)普通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

（2）普通節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)單跳直接和簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。普通節(jié)點(diǎn)之間不能通過(guò)單跳直接進(jìn)行通信，但可以對(duì)單跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行某種形式的監(jiān)聽(tīng)。

（3）傳感器節(jié)點(diǎn)采用 Wendi B.Heinzelman等人提出的能耗模型［10］。發(fā)送端能耗包含兩部分：無(wú)線電路消耗能量和發(fā)射放大器消耗能量；接收端能耗主要是接收電路能耗。

圖1 等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于收發(fā)端之間的不同距離，我們把節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能耗分為自由空間模型和多徑衰落信道模型［11］。公式表達(dá)如下

式中：Ee——傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊收發(fā)單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗，εfs、εmp——發(fā)送放大器在兩種模型中傳輸單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗。

當(dāng)收發(fā)端之間的距離小于門限值d0時(shí)，節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗使用自由空間模型；若兩者之間距離大于等于d0，則節(jié)點(diǎn)能耗使用多徑衰落信道模型。其中d0＝sqrt （εfs／εmp），參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。由于εfs＝10pJ／bit×m2，εmp＝0.0013pJ／bit×m4［10］，所以d0取整后約為87m。

由于式（2）中設(shè)定簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)采用單跳通信方式，所以這里采用自由空間模型，即傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收l(shuí)比特?cái)?shù)據(jù)并傳遞距離d時(shí)，能耗分別為

2 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模式

通過(guò)分析，本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模式劃分為兩種，即拉模式和推模式。

2.1 拉模式

簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)均感知數(shù)據(jù)，但由簇首節(jié)點(diǎn)指定某個(gè)普通節(jié)點(diǎn)上傳其感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸模式稱為拉模式。具體過(guò)程描述如下：

普通節(jié)點(diǎn)自網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行后就始終感知目標(biāo)事件，但不主動(dòng)向基站報(bào)告。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)A收到基站向全網(wǎng)發(fā)出的目標(biāo)事件查詢請(qǐng)求后，選擇簇內(nèi)任一普通節(jié)點(diǎn)x，讓其傳遞目標(biāo)事件感知數(shù)據(jù)Dx給自己。當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)x上傳數(shù)據(jù)時(shí)，x的某個(gè)單跳鄰居節(jié)點(diǎn)y，對(duì)Dx進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，并且與自身感知數(shù)據(jù)Dy進(jìn)行比較，如果｜Dx－Dy｜＞THs（THs是預(yù)先設(shè)定的感應(yīng)閾值），那么節(jié)點(diǎn)y將向簇首節(jié)點(diǎn)A發(fā)送警告消息，其中含有自身感知數(shù)據(jù)Dy。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)A收到的警告消息大于等于t（t＜n）個(gè)時(shí)，將丟棄Dx，并將這t個(gè)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將融合結(jié)果作為本簇感知數(shù)據(jù)DA。如果收到的警告小于t個(gè)，那么簇首節(jié)點(diǎn)A就將Dx作為本簇感知數(shù)據(jù)DA。根據(jù)均值原則，本文中我們?nèi)的值為n／2（n為偶數(shù)）或（n＋1）／2（n為奇數(shù)）。

傳感器節(jié)點(diǎn)拉模式傳輸數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.2 推模式

和拉模式不同，在推模式中，感知數(shù)據(jù)是由簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)在感知數(shù)據(jù)結(jié)束后主動(dòng)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)的，具體過(guò)程描述如下：

普通節(jié)點(diǎn)自網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行后就始終感知目標(biāo)事件，當(dāng)目標(biāo)事件發(fā)生時(shí)，簇內(nèi)全體普通節(jié)點(diǎn)都將自身感知數(shù)據(jù)傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)A，A將收到的n個(gè)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將融合結(jié)果作為本簇感知數(shù)據(jù)DA。

傳感器節(jié)點(diǎn)推模式傳輸數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)拉模式傳輸數(shù)據(jù)

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)推模式傳輸數(shù)據(jù)

3 節(jié)點(diǎn)能耗的計(jì)算

3.1 拉模式中節(jié)點(diǎn)能耗計(jì)算

3.1.1 普通節(jié)點(diǎn)的能耗

在拉模式中，普通節(jié)點(diǎn)的能耗主要來(lái)自五方面：一是感知目標(biāo)事件所產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)的能耗；二是接收簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送的選擇某個(gè)普通節(jié)點(diǎn)作為指定上傳節(jié)點(diǎn)的能耗；三是被選節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送感知數(shù)據(jù)的能耗；四是作為被選節(jié)點(diǎn)的單跳鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)、驗(yàn)證被選節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的能耗；五是當(dāng)發(fā)現(xiàn)被選節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)不合法時(shí)，單跳鄰居節(jié)點(diǎn)向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送警告消息的能耗。下面討論這些能耗的計(jì)算方法。

設(shè)普通節(jié)點(diǎn)x產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為ls比特，感知單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗為E1，則節(jié)點(diǎn)x感知數(shù)據(jù)的能耗Es為

因?yàn)樵谶@種模式中簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都要感知數(shù)據(jù)（但不主動(dòng)傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)），所以每個(gè)簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的總能耗為

設(shè)簇首節(jié)點(diǎn)A向普通節(jié)點(diǎn)x發(fā)送選擇消息sx，其長(zhǎng)度為lsx，則節(jié)點(diǎn)x接收簇首節(jié)點(diǎn)命令的能耗為

設(shè)普通節(jié)點(diǎn)x傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)A的感知消息Dx長(zhǎng)度為lDx比特，節(jié)點(diǎn)x到A的平均距離為dxA，則節(jié)點(diǎn)x傳遞感知消息的能耗ET為

普通節(jié)點(diǎn)y監(jiān)聽(tīng)Dx相當(dāng)于接收Dx，則依據(jù)式（4），該過(guò)程的能耗E3為

設(shè)普通節(jié)點(diǎn)y將Dx自身感知數(shù)據(jù)Dy進(jìn)行比較時(shí)單位比特的能耗為Ev，則驗(yàn)證Dx是否合法的能耗E4為

若｜Dx－Dy｜＞THs，則節(jié)點(diǎn)y將向簇首節(jié)點(diǎn)A發(fā)送警告消息Ay，其長(zhǎng)度為lAy，設(shè)節(jié)點(diǎn)y到A的平均距離為dyA，節(jié)點(diǎn)y發(fā)送警告消息的能耗E5為

當(dāng)有m（m＜n）個(gè)普通節(jié)點(diǎn)向簇首節(jié)點(diǎn)A發(fā)送警告消息時(shí)，總的能耗E6為

相反，若｜Dx－Dy｜≤THs，則節(jié)點(diǎn)y不再發(fā)送任何消息。

則每個(gè)簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)在一次目標(biāo)事件傳輸過(guò)程中的能耗為

3.1.2 簇首節(jié)點(diǎn)的能耗

在拉模式中，簇首節(jié)點(diǎn)的能耗主要包括三方面：一是向普通節(jié)點(diǎn)x發(fā)送選擇消息；二是接收來(lái)自x的感知消息Dx和來(lái)自x單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的警告消息（接受t個(gè)警告信息后就不再接受警告信息）；三是在Dx不合法時(shí)，根據(jù)收到的t個(gè)警告信息含有的普通節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合作為最終的感知數(shù)據(jù)DA。下面討論簇首節(jié)點(diǎn)能耗的計(jì)算公式。

按照前面的假設(shè)，由于簇首節(jié)點(diǎn)A采用單跳方式和普通節(jié)點(diǎn)x進(jìn)行通信，則簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送選擇消息的能耗E7為

若m＜t，則簇首節(jié)點(diǎn)A接收來(lái)自x的感知數(shù)據(jù)Dx以及m個(gè)警告消息，能耗E8為

若m≥t，則簇首節(jié)點(diǎn)A將接收來(lái)自x的感知數(shù)據(jù)Dx和來(lái)自x單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的t個(gè)警告信息，能耗E9為

再利用這t個(gè)警告信息含有的普通節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，設(shè)簇首節(jié)點(diǎn)A融合單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗為Ea，則A對(duì)t個(gè)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的比特能耗E10為

因此，若m＜t，即簇頭節(jié)點(diǎn)接受指定節(jié)點(diǎn)x的感應(yīng)數(shù)據(jù)，則每個(gè)簇內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)在一次目標(biāo)事件傳輸過(guò)程中的能耗為

若m≥t，即簇首節(jié)點(diǎn)A指定節(jié)點(diǎn)x的感應(yīng)數(shù)據(jù)，則每個(gè)簇內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)在一次目標(biāo)事件傳輸過(guò)程中的能耗為

3.2 推模式中的能耗計(jì)算

3.2.1 普通節(jié)點(diǎn)的能耗

在推模式中，普通節(jié)點(diǎn)的能耗主要來(lái)自兩方面：一是感知目標(biāo)事件產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)的能耗；二是n個(gè)普通節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送感知數(shù)據(jù)的能耗。下面討論這些能耗的計(jì)算方法。

設(shè)普通節(jié)點(diǎn)i（i＝1，2，…，n）產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為ls比特，感知單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗為E1，則節(jié)點(diǎn)x感知數(shù)據(jù)的能耗Es為式（5）

因?yàn)樵谶@種模式中簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都要感知據(jù)，且要主動(dòng)將數(shù)據(jù)傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)，所以每個(gè)簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的總能耗為式（6）

設(shè)普通節(jié)點(diǎn)i傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)A的感知數(shù)據(jù)Di長(zhǎng)度為lDi比特，節(jié)點(diǎn)i到A的平均距離為diA，則節(jié)點(diǎn)i傳遞感知數(shù)據(jù)的能耗ET為

則，普通節(jié)點(diǎn)上傳感知數(shù)據(jù)的總能耗E11為

因此，在推模式下每個(gè)簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)在一次目標(biāo)事件傳輸過(guò)程中的能耗為

3.2.2 簇首節(jié)點(diǎn)的能耗

在推模式中，簇首節(jié)點(diǎn)的能耗主要包括兩方面：一是接收來(lái)自普通節(jié)點(diǎn)的感知消息，即n個(gè)Di；二是將收到的n個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合作為最終的感知數(shù)據(jù)DA。下面討論簇首節(jié)點(diǎn)能耗的計(jì)算公式。

簇首節(jié)點(diǎn)A接收來(lái)自n個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的感知消息，即n個(gè)Di，能耗為

設(shè)簇首節(jié)點(diǎn)A融合單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗為Ea，普通節(jié)點(diǎn)距離簇首節(jié)點(diǎn)A的平均距離為diA，則A對(duì)n個(gè)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的能耗E13為

因此，在推模式下每一個(gè)簇內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)在一次目標(biāo)事件傳輸過(guò)程中的能耗為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證第4節(jié)提出的不同數(shù)據(jù)傳輸模式下節(jié)點(diǎn)能耗計(jì)算公式的有效性，采用Wendi B.Heinzelman等人提出的能耗模型情況下，得出一組等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗公式，比較節(jié)點(diǎn)在拉模式和推模式兩種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下的能耗。其中，橫軸表示警告消息的個(gè)數(shù)。利用閾值選擇中常用的均值原則，假設(shè)閾值t的值為n／2（n為偶數(shù)）或（n＋1）／2（n為奇數(shù)）。本文的數(shù)據(jù)消息長(zhǎng)度、傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大器能耗以及計(jì)算單位bit的能耗設(shè)置均來(lái)自文獻(xiàn)［10］，其中信道帶寬為1Mb／s，每條數(shù)據(jù)消息長(zhǎng)為500bytes，數(shù)據(jù)包的包頭為25bytes，即節(jié)點(diǎn)感應(yīng)及收發(fā)數(shù)據(jù)lsx＝ls＝lDx＝lAy＝lDi＝4000bits。簇內(nèi)數(shù)據(jù)分為耗能較小的本地運(yùn)算數(shù)據(jù) （包括節(jié)點(diǎn)自身感應(yīng)或計(jì)算的數(shù)據(jù)）以及耗能較大的異地傳輸或接收的數(shù)據(jù)，前者包含感應(yīng)能耗、測(cè)試能耗以及融合能耗，分別表示為Es＝Ev＝Ea＝5nJ／bit；后者包含傳輸及接收數(shù)據(jù)的能耗，表示為Ee＝50nJ／bit［10］。傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大器能耗為ε＝10pJ／bit／m2。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)定每個(gè)簇由1個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)與10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)（n＝10）構(gòu)成且簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均勻分布，此時(shí)t＝5。

在拉模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥5時(shí)，Epull＝（30 m＋428）×10－5J；當(dāng)m＜5時(shí)，Epull＝（50 m＋298）×10－5J。

普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為20m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥5時(shí)，Epull＝（21.6 m＋411.2）×10－5J；當(dāng)m＜5時(shí)，Epull＝（41.6 m＋301.2）×10－5J。

根據(jù)以上結(jié)果，可以得出警告消息個(gè)數(shù)和能耗的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)

而推模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m和20m時(shí)，能耗分別為540×10－5J和456×10－5J。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)定每個(gè)簇由1個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)與50個(gè)普通節(jié)點(diǎn)（n＝50）構(gòu)成且簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均勻分布，此時(shí)t＝25。

在拉模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥25時(shí)，Epull＝（30 m＋1828）×10－5J；當(dāng)m＜25時(shí)Epull＝（50 m＋1278）×10－5J。

普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為20m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥25時(shí)，Epull＝ （21.6 m＋1811.2）×10－5J；當(dāng)m＜25時(shí)，Epull＝（41.6 m＋1261.2）×10－5J。

根據(jù)以上結(jié)果，可以得出警告消息個(gè)數(shù)和能耗的關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 50個(gè)普通節(jié)點(diǎn)

而推模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m和20m時(shí)，能耗分別為2700×10－5J和2280×10－5J。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)定每個(gè)簇由1個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)與100個(gè)普通節(jié)點(diǎn)（n＝100）構(gòu)成且簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均勻分布，此時(shí)t＝50。

在拉模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥50時(shí)，Epull＝（30 m＋3578）×10－5J；當(dāng)m＜50時(shí)，Epull＝（50 m＋2478）×10－5J。

普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為20m時(shí)，可得：

當(dāng)m≥50 時(shí)，Epull＝ （21.6 m＋3561.2）×10－5J；當(dāng)m＜50時(shí)，Epull＝（41.6 m＋2461.2）×10－5J。

根據(jù)以上結(jié)果，可以得出警告消息個(gè)數(shù)和能耗的關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 100個(gè)普通節(jié)點(diǎn)

而推模式情況下，普通節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離均為50m和20m時(shí)，能耗分別為5400×10－5J和4560×10－5J。

由以上三幅圖和相應(yīng)情況下推模式的能耗可以得出：在等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，我們利用閾值選擇中常用的均值原則將警告消息的閾值t設(shè)為簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的一半，即t＝n／2（n為偶數(shù)）或t＝（n＋1）／2（n為奇數(shù)）。那么，在拉模式下簇內(nèi)t個(gè)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)出警告消息時(shí)的能耗大約等于節(jié)點(diǎn)在推模式下完成同樣的數(shù)據(jù)感知與傳輸所用的能耗。當(dāng)警告消息m＜t時(shí)，使用拉模式較為節(jié)能；當(dāng)警告消息m＞t時(shí)，推模式較為節(jié)能。具體來(lái)說(shuō)，我們可以根據(jù)環(huán)境來(lái)確定使用哪種工作模式，當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在環(huán)境惡劣，諸如高山環(huán)境或節(jié)點(diǎn)分布密度較低時(shí)，同一簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)相差較大，就會(huì)產(chǎn)生較多的警告消息。將警告消息的閾值t設(shè)為簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的一半，則在m＜（1／2）t時(shí)推模式較為節(jié)能；當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在環(huán)境平和，諸如感知某一區(qū)域在特定時(shí)間段的溫度、濕度或節(jié)點(diǎn)分布密度較高時(shí)，同一簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)相差較小，就會(huì)產(chǎn)生較少的警告消息，將警告消息的閾值t設(shè)為簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的一半，則在m＞（1／2）t時(shí)推模式較為節(jié)能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究背景，詳細(xì)討論了簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能耗計(jì)算方法。利用描點(diǎn)作圖法進(jìn)一步說(shuō)明了在等規(guī)模單跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將警告消息的閾值t設(shè)為普通節(jié)點(diǎn)的一半，簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)在拉模式下有t個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出警告消息時(shí)的能耗大約等于節(jié)點(diǎn)在推模式下的能耗。當(dāng)警告消息m＜（1／2）t時(shí)，拉模式下節(jié)點(diǎn)較為節(jié)能；當(dāng)警告消息m＞（1／2）t時(shí)，推模式下節(jié)點(diǎn)較為節(jié)能。因此，我們可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)需求和應(yīng)用，采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸模式，在一定程度上達(dá)到節(jié)省能耗的目的。

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