無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗問(wèn)題的探討

引言

近幾年來(lái)，隨著各種技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推進(jìn)，傳感器 正在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化方向快速發(fā)展。在 實(shí)際的應(yīng)用中，由于微傳感器的成本低、覆蓋范圍較小，所以 通常需要大量的微傳感器協(xié)同工作，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、自 組織等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、智能交通 等領(lǐng)域。

1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)通常 由傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié) 點(diǎn)組成，如圖1所示。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在待監(jiān)測(cè)區(qū)域, 這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式自組織成網(wǎng)絡(luò)，并將感 知到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的處理分析后傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，然 后通過(guò)衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖说墓芾砉?jié)點(diǎn)。

但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)致命的問(wèn)題，就是續(xù)航。由 于大量的微傳感器被拋撒在無(wú)人的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，所以沒(méi)有辦 法給它更換電池或充電，當(dāng)能量被消耗完時(shí)，微傳感器將失效。 但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，用戶(hù)關(guān)心的是在整個(gè) 監(jiān)測(cè)區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象所感知的信息，希望能夠獲取不同監(jiān)測(cè)位 置的信息，所以要盡可能地均衡能量消耗，使絕大部分傳感 器能夠工作到整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)集體失效的那一刻。所以如何 最大化整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的生命周期，如何在保證完成工作的情況 下節(jié)省能量消耗將成為研究的重中之重％

2 LEACH層次路由

LEACH(low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中典型的低功耗自適應(yīng)的層次路由協(xié)議。該協(xié) 議假定所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有的 能量和各個(gè)方向的能耗都是相等的。以“輪”的方式隨機(jī)選 擇簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將獲取的非簇頭節(jié)點(diǎn)感知的信息傳遞給 匯聚節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗均衡地分?jǐn)偟骄W(wǎng)絡(luò)中的每 一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，來(lái)達(dá)到 提高網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。

LEACH路由算法在操作中采用“輪”的方法，每一輪由 初始階段和穩(wěn)定階段組成。在每一輪的初始階段，每個(gè)傳感 節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0~1的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于T(n)，那 么該節(jié)點(diǎn)就是簇頭叫T(n)的計(jì)算公式為：

其中，為簇頭數(shù)占總傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比,是當(dāng)前的選舉輪數(shù), G是最近1/p輪不是簇頭的節(jié)點(diǎn)集。

簇頭節(jié)點(diǎn)選舉成功后，向周?chē)墓?jié)點(diǎn)宣布自己是本輪的簇 頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)將根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)決定加入到哪 個(gè)簇，并通知要加入的簇頭節(jié)點(diǎn)。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點(diǎn)采 集數(shù)據(jù)，傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳給匯聚 節(jié)點(diǎn)。圖2所示是LEACH層次路由算法示意圖。

2.1自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制

在該路由算法中，采用“輪”的方式隨機(jī)選舉簇頭，有 效地均衡了傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 生存周期。但是在這樣一個(gè)過(guò)程中，對(duì)于能量比較有限的傳 感節(jié)點(diǎn)而言，也是同樣要消耗能量的。傳感節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自己 剩余能量與原有能量的對(duì)比結(jié)果，來(lái)決定自己是否參與簇頭的 選舉。如果剩余能量比較多，那么可以參與簇頭的選舉，反之, 則自動(dòng)退避簇頭的競(jìng)爭(zhēng)以免消耗過(guò)多的能量，保存實(shí)力完成 基本的信息感知功能，更好地服務(wù)于整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2.2設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。 傳感器節(jié)點(diǎn)的能量比較有限，而且經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明，節(jié)點(diǎn) 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗要遠(yuǎn)大于計(jì)算和正常工作的能耗。 為了有效地提高傳感節(jié)點(diǎn)的生存周期，采用設(shè)定閥值的方式。

傳感器節(jié)點(diǎn)采集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)中所設(shè)定的閥 值和浮動(dòng)范圍值確定是否要將該數(shù)據(jù)上傳，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是 在以閥值為中心的上下浮動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，不上傳數(shù)據(jù)；反之，如 果超出了上下浮動(dòng)范圍，那么通過(guò)簇頭上傳該數(shù)據(jù)，修改管理 中心數(shù)據(jù)庫(kù)里的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為新的閥值繼 續(xù)監(jiān)測(cè)。

由于分布于待檢測(cè)區(qū)域的傳感器，所感知的是周?chē)h(huán)境 中的一些模擬信息，而模擬量有連續(xù)變化的特征?；谶@種實(shí) 際情況，基于閥值的數(shù)據(jù)融合策略可以極大降低上傳的數(shù)據(jù) 信息量，從而能夠節(jié)省自身的能量消耗。

2.3基于能量的多路徑路由

在LEACH層次路由算法中，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng) 弱來(lái)尋找自己合適的簇頭節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制 以及設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以大大降低非簇頭節(jié)點(diǎn)和 簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是 待檢測(cè)區(qū)域中的多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間還是采用一跳的 方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這在一定程度上加劇了簇頭節(jié)點(diǎn)的能量 消耗。在這里提出基于能量的多路徑路由算法，可以有效地 提高多個(gè)簇頭源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，均衡能 量消耗。圖3所示就是基于能量的多路徑路由。

能量感知是根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的可用能量以及傳輸鏈路上的 能量狀況選擇合適的路徑。這樣在簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間將 建立多條可達(dá)路徑，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量情況給每 條路徑相應(yīng)的選擇概率，在簇頭節(jié)點(diǎn)傳送融合后的數(shù)據(jù)時(shí)就 根據(jù)概率隨機(jī)選擇一條路徑叫通過(guò)這樣一種方式，將待檢 測(cè)區(qū)域中的多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的一跳數(shù)據(jù)傳送轉(zhuǎn)換為基于能量的多 路徑路由，一方面由于距離的縮短減少了簇頭節(jié)點(diǎn)的能量損耗, 另一方面綜合考慮多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀況和能量消耗情 況選擇合適的傳送路徑，從而有效節(jié)省了能量消耗，延長(zhǎng)了 網(wǎng)絡(luò)生存周期。

4結(jié)語(yǔ)

本文采用自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制、設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融 合技術(shù)以及基于能量的多路徑路由策略?xún)?yōu)化了 LEACH層次路 由算法，不僅降低和均衡了傳感器節(jié)點(diǎn)和整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的 能量消耗，而且優(yōu)化了從簇頭節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪?量消耗。

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