賈斌　谷孝東

摘 要：無(wú)線(xiàn)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(guò)低就無(wú)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(gè)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(jì)的數(shù)據(jù)流量、每個(gè)周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來(lái)預(yù)測(cè)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?chē)泥従庸?jié)點(diǎn)，以使鄰居節(jié)點(diǎn)在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)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(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器 節(jié)點(diǎn) 能量 流量 能力 預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wú)線(xiàn)通信模塊等4部分組成[1]。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線(xiàn)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(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗研究一直是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一，該文首先介紹無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(jiǎn)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(wú)線(xiàn)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(shí)，由于狀態(tài)切換會(huì)消耗能量并產(chǎn)生時(shí)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(wú)法節(jié)能，反而會(huì)增加能耗。文獻(xiàn)[1]給出了只有在兩種狀態(tài)之間的時(shí)長(zhǎng)超過(guò)門(mén)限時(shí)才可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時(shí)，文獻(xiàn)[1]還給出了節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量為：，接收個(gè)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(cè)方法，在該方法中，簇頭節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)和剩余能量，簇頭對(duì)簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量值進(jìn)行記錄。在簇頭預(yù)測(cè)階段，簇頭通過(guò)計(jì)算每個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)的值來(lái)預(yù)測(cè)新的簇頭，其中值通過(guò)下式得到：。根據(jù)簇頭預(yù)測(cè)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(duì)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化算法，該方法通過(guò)確定簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，通過(guò)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1.3 基于能耗進(jìn)行路由選擇

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于存在多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以匯報(bào)給任何一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣就面臨路徑選擇的問(wèn)題，如果路徑選擇不當(dāng)，同樣會(huì)存在某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)于嚴(yán)重而導(dǎo)致的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗不均衡的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]針對(duì)上述問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(jí)別最高的下一跳節(jié)點(diǎn)。通過(guò)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(shí)每個(gè)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(shí)能夠選擇合適的傳感器節(jié)點(diǎn)，解決無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)電源能量、計(jì)算、通信和存儲(chǔ)能力受限等問(wèn)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(gè)能量消耗模型以評(píng)估任意時(shí)刻每個(gè)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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)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(méi)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(cè)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(cè)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(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.1 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)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(guò)程稱(chēng)為一個(gè)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(chēng)為中間節(jié)點(diǎn)。假設(shè)某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)已完成了K次傳輸，即經(jīng)過(guò)了K個(gè)傳輸周期，該節(jié)點(diǎn)計(jì)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(jì)算方法可采用文獻(xiàn)[1]給出的方法。

統(tǒng)計(jì)K個(gè)傳輸周期中每個(gè)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(gè)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(cè)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(cè)方法是直接將前K個(gè)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(gè)周期內(nèi)相鄰兩個(gè)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(cè)值為，下一周期該節(jié)點(diǎn)的接收流量預(yù)測(cè)值為。

2.2 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)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(cè)的下一周期的發(fā)送流量和預(yù)測(cè)的接收流量計(jì)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(gè)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(xiǎn)。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(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)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(jì)的數(shù)據(jù)流量、每個(gè)周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來(lái)預(yù)測(cè)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?chē)泥従庸?jié)點(diǎn)，以使鄰居節(jié)點(diǎn)在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)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(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該方法在一定程度上能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

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