王海濤

(南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

作為物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Networks，WSNs)已得到了廣泛應(yīng)用[1]。無線傳感網(wǎng)是由部署在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息進(jìn)行有效感知、采集和處理[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)量的增加，能耗已成為制約無線傳感網(wǎng)功效充分發(fā)揮的重要瓶頸之一[3]，能耗不僅直接影響無線傳感網(wǎng)的生存時(shí)間，而且與環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)。迄今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無線傳感網(wǎng)的節(jié)能問題展開了諸多研究，主要采取了網(wǎng)絡(luò)分簇組織、協(xié)作中繼、節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度、數(shù)據(jù)聚集和負(fù)載平衡等措施來減低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能耗。其中，節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度作為一種行之有效的降低網(wǎng)絡(luò)能耗的機(jī)制，備受業(yè)內(nèi)學(xué)者關(guān)注[4]。

無線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)一般可分為“發(fā)送”、“接收”、“空閑”和“休眠”四種模式，其中發(fā)送模式下節(jié)點(diǎn)能耗最大，接收和空閑模式下只需偵聽信號(hào)，節(jié)點(diǎn)能耗相對(duì)較少，而休眠模式下節(jié)點(diǎn)僅保留定時(shí)器工作，能耗最少。簡(jiǎn)單起見，也可將節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為工作(包括發(fā)送、接收和空閑)和休眠兩種模式。因此，通過合理調(diào)度節(jié)點(diǎn)由工作模式轉(zhuǎn)入休眠模式來降低網(wǎng)絡(luò)能耗一直是業(yè)界研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制是指在保持網(wǎng)絡(luò)正常服務(wù)性能的前提下，通過合理組織和安排分布在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作/休眠狀態(tài)，以便有效均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載并顯著降低網(wǎng)絡(luò)能耗，從而達(dá)到增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)效能和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目標(biāo)[5]。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能需求視具體應(yīng)用場(chǎng)景而大相徑庭，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括覆蓋度、連通性、吞吐量和時(shí)延等[6]。為了保證對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的完全覆蓋，通常傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度較高，距離較近的鄰居節(jié)點(diǎn)往往存在覆蓋冗余，并且許多節(jié)點(diǎn)處于空閑監(jiān)聽模式而造成不必要的能量消耗。因此，無線傳感網(wǎng)中可行的節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度策略一般是指在確保一定網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通性的基礎(chǔ)上，由節(jié)點(diǎn)自主決策選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)輪流在休眠和工作兩種模式間切換的策略。

本文主要針對(duì)目標(biāo)檢測(cè)類應(yīng)用場(chǎng)景，研究適合無線傳感網(wǎng)的高能效節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度策略。首先，比較分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作；然后，探討有效度量休眠調(diào)度策略優(yōu)劣的性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，通過綜合考量節(jié)點(diǎn)的剩余能量及其鄰居節(jié)點(diǎn)的覆蓋情況，設(shè)計(jì)了一種基于休眠決策優(yōu)先級(jí)的分布式節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制 (Priority Based Distributed Sleep Scheduling，PBDSS)，在滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的前提下能夠有效平衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載，提高節(jié)點(diǎn)能量效率和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 相關(guān)工作

無線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)有限的能量限制了其計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力，這些限制成為設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不得不考慮的約束條件[3]。因此，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度策略時(shí)也必須在考慮這些約束條件的基礎(chǔ)上盡量?jī)?yōu)化關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能指標(biāo)[7]?，F(xiàn)有的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度方法都以提高節(jié)點(diǎn)能量效率和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命為首要目標(biāo)。

按調(diào)度計(jì)算方式，節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度可采用集中式或分布式策略[8]。集中式方法通常需要由一個(gè)計(jì)算中心負(fù)責(zé)收集全網(wǎng)狀態(tài)信息，然后根據(jù)既定的調(diào)度算法生成調(diào)度策略/規(guī)則，并廣播給全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。集中式調(diào)度方法的性能通常優(yōu)于分布式調(diào)度方法，但資源耗費(fèi)高、擴(kuò)展性差且實(shí)現(xiàn)困難。相比而言，分布式調(diào)度方法允許節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身或周圍節(jié)點(diǎn)狀況，對(duì)自身工作狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展性較好。鑒于無線傳感網(wǎng)缺乏統(tǒng)一的調(diào)度中心，加之傳感器節(jié)點(diǎn)資源非常受限，無線傳感網(wǎng)更適合采用分布式的節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度方法。

由于節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制主要通過延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間或增加休眠節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制務(wù)必要考慮網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通性等指標(biāo)，并可能需要在多個(gè)指標(biāo)之間進(jìn)行合理折中[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種考慮了感知區(qū)域覆蓋度的節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度方法，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入休眠前先隨機(jī)延遲一段時(shí)間，有效避免了由于多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)休眠造成的覆蓋盲區(qū)/覆蓋空洞(即沒有被任何節(jié)點(diǎn)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域)。文獻(xiàn)[11]提出了根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)位置來消除網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋的節(jié)點(diǎn)休眠策略，若一個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域被其鄰居節(jié)點(diǎn)完全覆蓋，則該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入體眠模式。文獻(xiàn)[12]對(duì)上述機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，提出了基于覆蓋概率的節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制，如果某節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域能以超出預(yù)定的概率被其他節(jié)點(diǎn)覆蓋，則該節(jié)點(diǎn)可以休眠。與此類似，文獻(xiàn)[13]提出了面向部分網(wǎng)絡(luò)覆蓋的節(jié)點(diǎn)休眠喚醒機(jī)制，通過喚醒部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成主干網(wǎng)，然后再按需喚醒這些節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)來滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。文獻(xiàn)[14]主要研究基于休眠的中繼選擇策略，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋度、連通性與總能耗之間的合理折中。此外，文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的分布式節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度算法，節(jié)點(diǎn)采用基于異步定期休眠喚醒的任播轉(zhuǎn)發(fā)策略，在保證不增加能耗的基礎(chǔ)上期望最小化端到端的時(shí)延。

上述研究工作基于不同需求和度量指標(biāo)設(shè)計(jì)了多種用于無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制，并且大都采用表現(xiàn)更好的分布式休眠調(diào)度策略。但是，上述休眠調(diào)度研究工作仍未合理地平衡網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和節(jié)點(diǎn)能耗，并且在實(shí)施休眠調(diào)度過程中沒有充分利用網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和考慮網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

將無線傳感網(wǎng)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)定為二維矩形區(qū)域A，并且傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)感知的信息可通過多跳中繼的方式傳送到位于監(jiān)測(cè)區(qū)域中心的匯聚節(jié)點(diǎn)(基站)，如圖1 所示。初始部署時(shí)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都處于工作狀態(tài)并可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┩耆采w，并假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，即具有相同的初始能量、感知范圍和通信范圍，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)一經(jīng)部署便不再移動(dòng)。此外，假設(shè)節(jié)點(diǎn)可以通過某種方式(GPS 或其他定位技術(shù))獲悉自身地理位置，并且可以計(jì)算自身的能耗以估計(jì)其剩余能量。

專業(yè)課教師只重視技能，思政老師只注重課堂教學(xué)，這都是長(zhǎng)期以來人們對(duì)于大學(xué)生思想政治教育存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為這只是思政老師的事。 實(shí)際上，在專業(yè)課教學(xué)中有許多思政教育資源，如本專業(yè)的歷史淵源和文化傳統(tǒng)，從事本專業(yè)應(yīng)具備的科學(xué)研究精神和人文素養(yǎng)， 這些與專業(yè)相關(guān)的問題都與思政內(nèi)容有關(guān)，教師在教學(xué)中還可以通過自己的操作示范以及學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生親身體驗(yàn)專業(yè)規(guī)范和要求，為學(xué)生樹立良好的榜樣。

圖1 目標(biāo)區(qū)域監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

感知范圍是指節(jié)點(diǎn)能有效感知環(huán)境信息的區(qū)域，而通信范圍是節(jié)點(diǎn)一跳傳輸所能達(dá)到的區(qū)域，一般分別將它們?cè)O(shè)定為以傳感器節(jié)點(diǎn)為中心，以某個(gè)值r和R為半徑的圓形區(qū)域，并且節(jié)點(diǎn)的感知范圍一般小于通信范圍(參看圖1)。假定目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)集合為S＝{s1，s2，…，sn}，令某目標(biāo)點(diǎn)p的位置坐標(biāo)是(x，y)，如果p與傳感器節(jié)點(diǎn)si之間的歐氏距離小于或等于節(jié)點(diǎn)si的感知半徑，即d(p，si)≤r，則點(diǎn)p被節(jié)點(diǎn)si覆蓋。據(jù)此，可得出節(jié)點(diǎn)si的感知(覆蓋)范圍集合為:SC(si)＝{p∈A｜d(p，si)≤r}。如果節(jié)點(diǎn)sj與si之間的歐氏距離滿足d(si，sj)≤R，則sj是si的通信鄰居(Communication Neighbor，CN)。由此，得出節(jié)點(diǎn)si的通信鄰居節(jié)點(diǎn)集合為:CN(si)＝{sj∈S｜d(sj，si)≤R}。類似的，如果sk與si之間的感知范圍存在交疊區(qū)域，即滿足d(sk，si)＜2r，則稱節(jié)點(diǎn)sk是si的感知鄰居節(jié)點(diǎn)(Sensing Neighbor，SN)。由此，可以得到si的感知鄰居節(jié)點(diǎn)集合為:SN(si)＝{sk∈S｜d(sk，si)＜2r}。為了確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的連通性，使傳感器節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)信息能夠有效通過多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，要求節(jié)點(diǎn)的通信范圍至少是感知范圍的兩倍[16]。

值得注意的是，無線傳感網(wǎng)中基于全覆蓋策略的休眠調(diào)度機(jī)制對(duì)于靠近目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域邊界的節(jié)點(diǎn)來說顯然不太合理。舉例來說，圖1 中的節(jié)點(diǎn)A、B、C 均是靠近網(wǎng)絡(luò)區(qū)域邊界的節(jié)點(diǎn)(它們的感知區(qū)域超出目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域)，由于這些鄰近邊界的節(jié)點(diǎn)覆蓋的是目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊界部分，加之其鄰居節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，很難滿足完全被覆蓋的條件而進(jìn)入休眠狀態(tài)。顯然，長(zhǎng)時(shí)間的工作會(huì)造成這些鄰近邊界的節(jié)點(diǎn)過早耗盡能量，進(jìn)而使得邊界區(qū)域成為覆蓋盲區(qū)。長(zhǎng)此以往，節(jié)點(diǎn)覆蓋的監(jiān)控區(qū)域?qū)?huì)逐步向目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的中心收縮，這種現(xiàn)象被稱為“邊界效應(yīng)”[17]。邊界效應(yīng)會(huì)顯著影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度，降低網(wǎng)絡(luò)的可用性。因此，為了盡可能避免無線傳感網(wǎng)出現(xiàn)邊界效應(yīng)問題，節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制應(yīng)允許部分鄰近邊界的節(jié)點(diǎn)在滿足相對(duì)較低覆蓋度的條件下轉(zhuǎn)入休眠模式以均衡節(jié)點(diǎn)的能耗，從而有效消除覆蓋盲區(qū)和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

2.2 能耗模型

無線信號(hào)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，通常采用如下的自由空間模型來計(jì)算傳播損耗[18]:

式中:Lp為路徑損耗，d為傳播距離，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。一般情況下，無線通信傳輸?shù)哪芰肯呐c通信距離的關(guān)系如下:

式中:k是一個(gè)常量系數(shù)，參數(shù)n一般需滿足2≤n≤4。n的取值與很多因素有關(guān)，如天線信道質(zhì)量、障礙物和噪聲干擾等。

節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的能耗計(jì)算公式如下:

式中:L表示接收的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，Eelec表示無線收發(fā)電路處理單位數(shù)據(jù)所消耗的能量。

在無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗通常根據(jù)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的距離d，分別采用自由空間模型和多徑衰落模型，如式(4)所示:

3 休眠調(diào)度機(jī)制描述

3.1 假設(shè)條件

本文設(shè)計(jì)的分布式休眠調(diào)度機(jī)制命名為基于優(yōu)先級(jí)的分布式調(diào)度(Priority Based Distributed Sleep Scheduling，PBDSS)。PBDSS 主要針對(duì)目標(biāo)區(qū)域監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，并且遵循第2 節(jié)描述的網(wǎng)絡(luò)模型和能耗模型。節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身獲取的感知鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，計(jì)算其感知區(qū)域被感知鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋的比率(簡(jiǎn)稱覆蓋度)，并且可以根據(jù)初始能量和能耗使用情況計(jì)算出自己的剩余能量，進(jìn)而能夠根據(jù)剩余能量和覆蓋度自主決定是否進(jìn)行休眠調(diào)度。此外，簡(jiǎn)單起見，暫不考慮信道條件惡化或分組傳輸沖突等原因引起的消息丟失情況。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則

本文提出的PBDSS 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，在滿足對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域預(yù)定的覆蓋度和節(jié)點(diǎn)連通性需求的基礎(chǔ)上，最小化處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以便盡可能降低全網(wǎng)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。如前所述，節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制需要合理權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)能耗和覆蓋度兩個(gè)指標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足既定覆蓋度的條件下最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，或在網(wǎng)絡(luò)能量消耗一定的條件下最大化監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋度。

PBDSS 的設(shè)計(jì)遵循兩條基本原則:一是在保證目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域一定程度覆蓋(允許個(gè)別覆蓋盲區(qū)的出現(xiàn)，但網(wǎng)絡(luò)整體覆蓋度必須達(dá)到閾值)的前提下，使處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量盡量少，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗；二是要盡量均衡節(jié)點(diǎn)間的能耗，允許相鄰節(jié)點(diǎn)盡可能輪流休眠和工作，從而既能夠盡量避免某些節(jié)點(diǎn)提前耗盡能量，同時(shí)一定程度上可防止兩個(gè)或多個(gè)互為鄰居的節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)而出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的覆蓋盲區(qū)。具體而言，如果節(jié)點(diǎn)的覆蓋度滿足預(yù)設(shè)門限則可以自主決定轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，并且盡可能使剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先(以較大的概率)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。此外，為了減少節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制引入的控制開銷，還應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。

3.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)前，評(píng)價(jià)無線傳感網(wǎng)性能常用的指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)壽命、能量效率、覆蓋度和連通性等。網(wǎng)絡(luò)壽命能較好反映系統(tǒng)整體可用性，是度量休眠調(diào)度機(jī)制優(yōu)劣最常用的一項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)，也是評(píng)估無線傳感網(wǎng)整體性能最有效的指標(biāo)之一。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)壽命有不同的定義標(biāo)準(zhǔn)，如可以基于有效節(jié)點(diǎn)數(shù)、目標(biāo)區(qū)域覆蓋度、連通性等指標(biāo)來定義網(wǎng)絡(luò)壽命[7]。相比而言，基于有效節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)壽命定義較為簡(jiǎn)單，通常采用網(wǎng)絡(luò)從工作開始到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效的時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)壽命。另外，也可以綜合考慮覆蓋度和連通性來確定網(wǎng)絡(luò)壽命，覆蓋度能保證節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效覆蓋，同時(shí)連通性能保證節(jié)點(diǎn)采集到的信息能可靠傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。

能量效率通常定義為單位能量可以發(fā)送的有效信息量，也可定義為單位能量可維持的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，后者等效于網(wǎng)絡(luò)壽命。覆蓋度是指在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，某一目標(biāo)區(qū)域能被多少節(jié)點(diǎn)有效感知或被節(jié)點(diǎn)有效感知的百分比，如k度覆蓋和全覆蓋等[19]。休眠調(diào)度機(jī)制在保證一定覆蓋度的前提下，通過讓部分工作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠，可以降低節(jié)點(diǎn)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都可相互連通時(shí)，稱網(wǎng)絡(luò)是連通的。部分節(jié)點(diǎn)休眠可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)連通性，因此節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度有時(shí)還需保證網(wǎng)絡(luò)連通性以便使節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。

3.4 工作流程

類似于無線傳感網(wǎng)中經(jīng)典的LEACH 協(xié)議[20]，PBDSS 調(diào)度策略下節(jié)點(diǎn)也按輪次執(zhí)行休眠調(diào)度。每個(gè)輪次開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自主調(diào)度并且轉(zhuǎn)入三種運(yùn)行狀態(tài)之一:未決策狀態(tài)、工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，并且在本輪次內(nèi)節(jié)點(diǎn)所處狀態(tài)將保持不變，直到下一個(gè)輪次節(jié)點(diǎn)基于定時(shí)器重新執(zhí)行休眠調(diào)度。每個(gè)輪次開始，所有節(jié)點(diǎn)都置于未決策狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將定期向所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含自身位置和ID 信息的Hello 消息，定期發(fā)送Hello 消息的周期TS需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)密度和應(yīng)用需求來合理設(shè)置。節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的鄰居節(jié)點(diǎn)信息和自身狀況計(jì)算其在本輪次的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，并將優(yōu)先級(jí)消息廣播給鄰居節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可優(yōu)先做出是否進(jìn)入休眠狀態(tài)的決策。為了消除覆蓋冗余和均衡節(jié)點(diǎn)能耗，那些自身感知區(qū)域被鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋比率高且剩余能量相對(duì)少的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該獲得更高的休眠調(diào)度優(yōu)先級(jí)?；谏鲜龇治?，可以將任意節(jié)點(diǎn)si的調(diào)度優(yōu)先級(jí)P(si)設(shè)置為:P(si)＝CA(si)/RE(si)。其中，CA(si)為節(jié)點(diǎn)si的覆蓋度，RE(si)為節(jié)點(diǎn)si的剩余能量。如果節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)相同，則規(guī)定ID 號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行休眠調(diào)度。節(jié)點(diǎn)的覆蓋度可以根據(jù)文獻(xiàn)[13]中基于鄰居節(jié)點(diǎn)的位置和感知范圍信息計(jì)算得出，節(jié)點(diǎn)的剩余能量可以根據(jù)前述的能耗模型計(jì)算得到。

基于對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)廣播的優(yōu)先級(jí)消息的接收和比對(duì)，節(jié)點(diǎn)si可以將鄰居節(jié)點(diǎn)分為兩組:一組是比si調(diào)度優(yōu)先級(jí)低的鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，記為L(zhǎng)SN(si)；另一組是優(yōu)先級(jí)比si高的鄰居節(jié)點(diǎn)的集合(即si的優(yōu)先級(jí)低于該鄰居集合)，記為HSN(si)。然后，節(jié)點(diǎn)si按照如圖2 所示的休眠調(diào)度工作流程來決策自身是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖2 PBDSS 調(diào)度策略下節(jié)點(diǎn)的工作流程

首先，節(jié)點(diǎn)si僅考慮LSN(si)組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)對(duì)自身感知區(qū)域的覆蓋程度，若能滿足預(yù)先設(shè)定的覆蓋度要求，則節(jié)點(diǎn)si選擇進(jìn)入休眠狀態(tài)；否則，節(jié)點(diǎn)si并不會(huì)立刻選擇進(jìn)入工作狀態(tài)而是隨機(jī)等待一定時(shí)長(zhǎng)tr，tr取0 到TS之間的隨機(jī)值，即tr＝Random(0，TS)。這樣做的原因在于，如果HSN(si)組內(nèi)已有節(jié)點(diǎn)確定進(jìn)入工作狀態(tài)(發(fā)送active message)，那么節(jié)點(diǎn)si需要同時(shí)考慮HSN(si)和LSN(si)組內(nèi)的工作節(jié)點(diǎn)對(duì)自身感知區(qū)域的覆蓋，然后再進(jìn)行決策。若在tr時(shí)間內(nèi)能夠滿足覆蓋閡值要求，則si即可進(jìn)入休眠狀態(tài)，否則，si進(jìn)入工作狀態(tài)，并發(fā)送active massage。所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完休眠調(diào)度策略后，均會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)或者工作狀態(tài)，并保持這一狀態(tài)直到這一輪次結(jié)束，而下一輪次開始后又會(huì)進(jìn)入新的決策階段(輪次周期時(shí)長(zhǎng)需要基于節(jié)點(diǎn)的分布狀況進(jìn)行合理確定)。

上述PBDSS 調(diào)度策略的計(jì)算量主要在于計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)其感知區(qū)域的覆蓋度，根據(jù)已有文獻(xiàn)的分析，較好的覆蓋度計(jì)算方法的復(fù)雜度為O(dlg(d))，其中d為無線傳感網(wǎng)的平均節(jié)點(diǎn)度[15]。

4 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

仿真實(shí)驗(yàn)基于OMNet++(Objective Modular Network TestBed in C++)仿真軟件，OMNet++是一款開源的基于組件的模塊化離散事件仿真器，主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真，具有完善的圖形界面接口和嵌入式仿真內(nèi)核[21]。本仿真實(shí)驗(yàn)使用的模擬軟件版本是OMNeT++5.6。仿真過程中，設(shè)定無線傳感網(wǎng)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?00 m×500 m 的正方形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署1000 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)的感知半徑為10 m，通信半徑為20 m。在區(qū)域中心設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)且其能量不受限。在每一個(gè)輪次，節(jié)點(diǎn)將感知到的環(huán)境信息通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送到位于區(qū)域中心的匯聚節(jié)點(diǎn)。為了便于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)壽命，假定每一個(gè)輪次的時(shí)間均為一個(gè)單位時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)壽命則可以通過執(zhí)行的輪次數(shù)來量化。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，初始能量設(shè)為50 個(gè)單位能量，假設(shè)每一個(gè)輪次中節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)消耗1個(gè)單位能量，處于休眠狀態(tài)則不消耗能量，并且當(dāng)能量耗盡時(shí)該節(jié)點(diǎn)即失效。

4.2 比較對(duì)象和評(píng)價(jià)指標(biāo)

仿真實(shí)驗(yàn)主要比較提出的PBDSS 調(diào)度策略與具有代表性的無線傳感網(wǎng)休眠調(diào)度策略在覆蓋度、網(wǎng)絡(luò)壽命和能量效率三項(xiàng)性能指標(biāo)上的優(yōu)劣。PBDSS 調(diào)度策略的覆蓋度閾值θ 設(shè)定為0.8，作為比較對(duì)象的休眠調(diào)度機(jī)制選擇Zairi 等[5]提出的經(jīng)典的基于剩余能量的貪心調(diào)度策略(Energy Remaining Greedy Scheduling，ERGS)，ERGS 的主要思想是在保證網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋的前提下允許不必要的冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量，并且ERGS 休眠調(diào)度策略僅考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量一個(gè)因素。簡(jiǎn)便起見，網(wǎng)絡(luò)壽命采取前述較為簡(jiǎn)單的定義，即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)因能量耗盡失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命即終止。此外，仿真實(shí)驗(yàn)中給出的仿真數(shù)據(jù)均為進(jìn)行20 次仿真實(shí)驗(yàn)取平均值后得到的結(jié)果。

4.3 仿真結(jié)果分析

首先，觀察不同休眠調(diào)度策略下目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋度隨網(wǎng)絡(luò)壽命(第一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效前執(zhí)行的輪次數(shù))的變化情況，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，本文提出的PBDSS 策略下的網(wǎng)絡(luò)壽命可持續(xù)90 個(gè)輪次，而ERGS 策略下的網(wǎng)絡(luò)壽命僅能維持50 個(gè)輪次。造成ERGS 策略下網(wǎng)絡(luò)壽命較短的主要原因在于ERGS 要求網(wǎng)絡(luò)全覆蓋而導(dǎo)致明顯的網(wǎng)絡(luò)邊界效應(yīng)，某些監(jiān)測(cè)邊界區(qū)域可能只被少量節(jié)點(diǎn)(甚至一個(gè)節(jié)點(diǎn))覆蓋，該節(jié)點(diǎn)在每個(gè)輪次都無法進(jìn)入休眠狀態(tài)而過快耗盡能量，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)空洞的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)壽命(以第一個(gè)節(jié)點(diǎn)耗盡能量的時(shí)刻來衡量)終止。從覆蓋度來看，ERGS 策略下網(wǎng)絡(luò)始終保持完全覆蓋，而PBDSS 策略下的覆蓋度隨著時(shí)間推移不斷減少，但整個(gè)生命周期內(nèi)均可確保目標(biāo)區(qū)域的覆蓋度不低于85%(大于設(shè)定的閾值θ)。因此，某種意義上也可以說PBDSS 策略以犧牲適當(dāng)?shù)母采w度顯著延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖3 網(wǎng)絡(luò)壽命隨網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的變化情況

圖4 給出了兩種休眠調(diào)度策略下平均休眠節(jié)點(diǎn)數(shù)隨網(wǎng)絡(luò)工作輪次的變化情況。PBDSS 策略在前50 輪次中每輪次平均大概有550 個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠，剩余的約450 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)覆蓋了85%以上的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域。ERGS 策略每輪次平均大概有380 個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠，剩余的約620 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)覆蓋了100%的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域。也就是說，與ERGS 策略相比，PBDSS 策略下每個(gè)輪次的休眠節(jié)點(diǎn)增加了40%以上。此外，PBDSS 策略在隨后的40 個(gè)輪次中休眠節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不斷減少，但依然保持在平均300 個(gè)節(jié)點(diǎn)以上。

圖4 平均休眠節(jié)點(diǎn)數(shù)隨網(wǎng)絡(luò)工作輪次的變化情況

圖5 對(duì)比了網(wǎng)絡(luò)壽命終止時(shí)兩種休眠調(diào)度策略下所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。可以明顯看出，PBDSS 策略下的剩余能量均值和標(biāo)準(zhǔn)差都遠(yuǎn)小于ERGS。究其原因在于，PBDSS 策略能夠充分利用并均衡節(jié)點(diǎn)的能耗，使網(wǎng)絡(luò)壽命得以延長(zhǎng)；而ERGS 策略要求對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域完全覆蓋，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壽命終止時(shí)，節(jié)點(diǎn)剩余能量偏大且分布很不均衡，造成能量的極大浪費(fèi)。

圖5 所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

最后，對(duì)比分析兩種休眠調(diào)度策略下的節(jié)點(diǎn)能量效率，如圖6 所示。在此將節(jié)點(diǎn)能量效率定義為覆蓋度與工作節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比值，顯然覆蓋度越大且工作節(jié)點(diǎn)數(shù)越少得到的節(jié)點(diǎn)能量效率越高。從圖6可以看出，在有效對(duì)比輪次中(前50 輪次)，PBDSS策略的能量效率總是高于ERGS 策略，并且兩者均隨著輪次數(shù)的增加逐漸降低。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行開始時(shí)節(jié)點(diǎn)有更多機(jī)會(huì)選擇進(jìn)入休眠狀態(tài)，而隨著部分節(jié)點(diǎn)的失效，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量將持續(xù)減少。

圖6 能量效率隨網(wǎng)絡(luò)工作輪次的變化情況

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)無線傳感網(wǎng)目標(biāo)區(qū)域監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，提出了一種高能效的分布式節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度策略。首先，對(duì)現(xiàn)有休眠調(diào)度策略的相關(guān)工作進(jìn)行了調(diào)研分析，指出了其中存在的邊界效應(yīng)問題，并說明了休眠調(diào)度策略需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)壽命、覆蓋度、能量效率和連通性等指標(biāo)。然后，給出了無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型和能耗模型，并設(shè)計(jì)了基于節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)先級(jí)的分布式休眠調(diào)度策略——PBDSS，讓剩余能量較低的冗余節(jié)點(diǎn)能夠以更大概率進(jìn)入休眠以節(jié)省能量。PBDSS 不僅能夠降低信息交互帶來的能量開銷，而且可以較為有效地解決邊界效應(yīng)問題。仿真結(jié)果表明，PBDSS 可以在滿足預(yù)定網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的條件下顯著提高能量效率，通過平衡節(jié)點(diǎn)能耗有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。需要指出的是，PBDSS 主要考慮了網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和能量效率指標(biāo)，較少關(guān)注不同應(yīng)用場(chǎng)景的特定服務(wù)需求，如環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用較為關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和誤碼率。因此，今后將進(jìn)一步考慮在休眠調(diào)度策略中引入QoS 需求約束，在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通性的基礎(chǔ)上，通過合理調(diào)度節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)更好滿足無線傳感網(wǎng)特定應(yīng)用場(chǎng)景的服務(wù)需求。