賈斌　谷孝東

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源能量非常有限，節(jié)點(diǎn)一旦能量過低就無法正常工作，由此甚至導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，因此有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能、能量均衡成為WSN研究的一個重點(diǎn)。該文提出一種WSN節(jié)點(diǎn)基于節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量、歷史統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量、每個周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來預(yù)測節(jié)點(diǎn)自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，以使鄰居節(jié)點(diǎn)在選擇路由節(jié)點(diǎn)時避免選擇傳輸能力較低的節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致傳輸任務(wù)失敗、引用網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器 節(jié)點(diǎn) 能量 流量 能力 預(yù)測

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0137-02

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）和管理節(jié)點(diǎn)[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、能量供應(yīng)模塊和無線通信模塊等4部分組成[1]。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點(diǎn)的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為上述模塊的正常運(yùn)行提供能量，通常采用微型電池供電。

對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗研究一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一，該文首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有關(guān)節(jié)點(diǎn)能耗研究的情況，然后提出一種基于節(jié)點(diǎn)能力的路由選擇方法。

1 WSN節(jié)點(diǎn)能耗研究概述

目前已有眾多有關(guān)無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗的研究，分別涉及傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能、基于能耗進(jìn)行分簇和基于能耗進(jìn)行路由選擇等方面，下面分別進(jìn)行簡述，以期為讀者提供一種技術(shù)概況。

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能

無線通信節(jié)點(diǎn)由發(fā)送、接收或空閑狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)時，由于狀態(tài)切換會消耗能量并產(chǎn)生時延，因此，合適的切換策略至關(guān)重要，如果切換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會增加能耗。文獻(xiàn)[1]給出了只有在兩種狀態(tài)之間的時長超過門限時才可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時，文獻(xiàn)[1]還給出了節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送個字節(jié)的數(shù)據(jù)時所消耗的能量為：，接收個字節(jié)所消耗的能量為：。

1.2 基于能耗進(jìn)行分簇

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于剩余能量的簇頭預(yù)測方法，在該方法中，簇頭節(jié)點(diǎn)接收來自簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)和剩余能量，簇頭對簇內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的剩余能量值進(jìn)行記錄。在簇頭預(yù)測階段，簇頭通過計算每個簇成員節(jié)點(diǎn)的值來預(yù)測新的簇頭，其中值通過下式得到：。根據(jù)簇頭預(yù)測原則，原簇頭將選擇最小的成員節(jié)點(diǎn)作為新一輪次中的簇頭。

LEACH是一種基于分簇的路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)輪流作簇頭，均衡了網(wǎng)絡(luò)中能量的消耗[3]。針對LEACH協(xié)議的不足之處，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于能量消耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化算法，該方法通過確定簇頭節(jié)點(diǎn)個數(shù)，通過確定節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了簇頭節(jié)點(diǎn)分布平衡，有效降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1.3 基于能耗進(jìn)行路由選擇

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于存在多個匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以匯報給任何一個匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣就面臨路徑選擇的問題，如果路徑選擇不當(dāng)，同樣會存在某個節(jié)點(diǎn)的能量消耗過于嚴(yán)重而導(dǎo)致的整個網(wǎng)絡(luò)的能耗不均衡的問題。文獻(xiàn)[5]針對上述問題，提出了一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，在該方法中，傳輸分組的節(jié)點(diǎn)可以在剩余能量較高的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇期望傳輸次數(shù)最小的鄰居作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，或者可以選擇能夠到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)中的能量級別最高的下一跳節(jié)點(diǎn)。通過這種機(jī)制，可以減少每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯牟⒕夤?jié)點(diǎn)間的能量消耗，同時每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)了多條路徑，提高傳輸可靠性。

為在數(shù)據(jù)路由時能夠選擇合適的傳感器節(jié)點(diǎn)，解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)電源能量、計算、通信和存儲能力受限等問題，文獻(xiàn)[6]提出了一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點(diǎn)選擇方法，在該方法中，先構(gòu)建一個能量消耗模型以評估任意時刻每個節(jié)點(diǎn)的能量剩余量，綜合考慮節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性與節(jié)點(diǎn)能量值，從能量值高于允許能量最低值的所有非選擇節(jié)點(diǎn)中選擇一個與選擇節(jié)點(diǎn)集合相關(guān)性最小的節(jié)點(diǎn)，將其加入至選擇節(jié)點(diǎn)集合中，直至所有非選擇節(jié)點(diǎn)的能量值均低于允許能量最低值。由于該算法能結(jié)合實(shí)際情況確保每個節(jié)點(diǎn)的能量不被耗盡，從而有效地減少了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量和能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的整體生存周期。

2 基于節(jié)點(diǎn)能力的路由節(jié)點(diǎn)選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個能量受限的網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)的選擇必須要考慮到節(jié)點(diǎn)中當(dāng)前所剩余的能量。上述文獻(xiàn)中雖然涉及根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的能量信息選擇路由節(jié)點(diǎn)，但均沒有涉及根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的歷史流量信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量預(yù)測節(jié)點(diǎn)自身在下一周期的傳輸能力，該文基于此，提出一種傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的歷史流量信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量預(yù)測節(jié)點(diǎn)自身在下一周期的傳輸能力，并將該能力通告給其鄰居節(jié)點(diǎn)，使得鄰居節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的能力信息確定是否選擇該節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，這樣能夠保證傳輸任務(wù)的順利進(jìn)行，避免了傳輸能力較低的傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了傳輸任務(wù)卻不能完成傳輸任務(wù)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.1 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測下一周期的傳輸流量

該文中，源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)的過程稱為一個傳輸周期，除了源節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之外的節(jié)點(diǎn)稱為中間節(jié)點(diǎn)。假設(shè)某個中間節(jié)點(diǎn)已完成了K次傳輸，即經(jīng)過了K個傳輸周期，該節(jié)點(diǎn)計算發(fā)送單位數(shù)據(jù)流量所消耗的能量，接收單位數(shù)據(jù)流量所消耗的能量為，計算方法可采用文獻(xiàn)[1]給出的方法。

統(tǒng)計K個傳輸周期中每個傳輸周期內(nèi)該中間節(jié)點(diǎn)已發(fā)送和接收的數(shù)量流量，設(shè)已發(fā)送的流量分別為，已

接收的流量為，則平均每個傳輸周期內(nèi)該中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送的流量為，接收的平均流量為，不考慮節(jié)點(diǎn)的其他能量損耗，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)已經(jīng)消耗的能量為。

設(shè)中間節(jié)點(diǎn)的初始能量為，則當(dāng)前該節(jié)點(diǎn)的剩余能量為。中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測下一傳輸周期本節(jié)點(diǎn)的發(fā)送流量和接收流量，一種預(yù)測方法是直接將前K個周期的平均發(fā)送流量B和平均接收流量C作為下一周期內(nèi)的發(fā)送流量和接收流量。也可以采用如下方法：

設(shè)K個周期內(nèi)相鄰兩個周期之間的發(fā)送流量差為，其平均值是，相鄰周期接收的數(shù)量流量差為，其平均值是，設(shè)第K-1周期該中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的真實(shí)的流量分別為和則下一周期該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送流量預(yù)測值為，下一周期該節(jié)點(diǎn)的接收流量預(yù)測值為。

2.2 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測下一周期內(nèi)自身的傳輸能力

中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)測的下一周期的發(fā)送流量和預(yù)測的接收流量計算下一周期需要消耗的能量：。

如果≤，則表示該中間節(jié)點(diǎn)有能力完成下一周期的傳輸任務(wù)，但可能不能完成下一周期后的再次傳輸。如果，則表示該中間節(jié)點(diǎn)有可能不能完成下一周期的傳輸任務(wù)，如果選擇該節(jié)點(diǎn)作為下一次傳輸?shù)穆酚晒?jié)點(diǎn)，則可能因該節(jié)點(diǎn)不能完成傳輸任務(wù)而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

2.3 中間節(jié)點(diǎn)通告自身的傳輸能力

中間節(jié)點(diǎn)將自身的傳輸能力信息通告給自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，在通告信息中表明自身是否可能完成下一次的傳輸任務(wù)，例如：用1表示可以完成下一次的傳輸任務(wù)，用0表示存在不能完成下次傳輸任務(wù)的風(fēng)險。這樣，其他節(jié)點(diǎn)在接收到該中間節(jié)點(diǎn)的通告消息后，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)通告的能力信息，可確定是否需要選擇該中間節(jié)點(diǎn)作為下一跳的路由節(jié)點(diǎn)，可避免該中間節(jié)點(diǎn)被選擇為路由節(jié)點(diǎn)但卻不能完成傳輸任務(wù)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 結(jié)語

該文對傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能、基于能耗進(jìn)行分簇以及基于能耗進(jìn)行路由選擇等方面的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理分析，在此基礎(chǔ)上提出一種WSN節(jié)點(diǎn)基于節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量、歷史統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量、每個周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來預(yù)測節(jié)點(diǎn)自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，以使鄰居節(jié)點(diǎn)在選擇路由節(jié)點(diǎn)時避免選擇傳輸能力較低的節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致傳輸任務(wù)失敗、引用網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明該方法在一定程度上能夠延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

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