無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗問題的探討

引言

近幾年來，隨著各種技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推進，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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高、網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化、自 組織等特點，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、智能交通 等領(lǐng)域。

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

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

但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一個致命的問題，就是續(xù)航。由 于大量的微傳感器被拋撒在無人的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，所以沒有辦 法給它更換電池或充電，當能量被消耗完時，微傳感器將失效。 但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，用戶關(guān)心的是在整個 監(jiān)測區(qū)域中監(jiān)測對象所感知的信息，希望能夠獲取不同監(jiān)測位 置的信息，所以要盡可能地均衡能量消耗，使絕大部分傳感 器能夠工作到整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)集體失效的那一刻。所以如何 最大化整個無線網(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 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)點的地位都是平等的，每個節(jié)點具有的 能量和各個方向的能耗都是相等的。以“輪”的方式隨機選 擇簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將獲取的非簇頭節(jié)點感知的信息傳遞給 匯聚節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗均衡地分攤到網(wǎng)絡(luò)中的每 一個傳感節(jié)點，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的能量消耗，來達到 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，每個傳感 節(jié)點產(chǎn)生一個0~1的隨機數(shù)，如果這個隨機數(shù)小于T(n)，那 么該節(jié)點就是簇頭叫T(n)的計算公式為：

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

簇頭節(jié)點選舉成功后，向周圍的節(jié)點宣布自己是本輪的簇 頭節(jié)點，非簇頭節(jié)點將根據(jù)接收到的信號強弱來決定加入到哪 個簇，并通知要加入的簇頭節(jié)點。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點采 集數(shù)據(jù)，傳遞給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合后傳給匯聚 節(jié)點。圖2所示是LEACH層次路由算法示意圖。

2.1自動退避的簇頭選舉機制

在該路由算法中，采用“輪”的方式隨機選舉簇頭，有 效地均衡了傳感器節(jié)點的能量消耗，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 生存周期。但是在這樣一個過程中，對于能量比較有限的傳 感節(jié)點而言，也是同樣要消耗能量的。傳感節(jié)點可以根據(jù)自己 剩余能量與原有能量的對比結(jié)果，來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, 則自動退避簇頭的競爭以免消耗過多的能量，保存實力完成 基本的信息感知功能，更好地服務(wù)于整個無線傳感器網(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)是無線傳感網(wǎng)中的一項非常重要的技術(shù)。 傳感器節(jié)點的能量比較有限，而且經(jīng)過大量的實踐證明，節(jié)點 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗要遠大于計算和正常工作的能耗。 為了有效地提高傳感節(jié)點的生存周期，采用設(shè)定閥值的方式。

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

由于分布于待檢測區(qū)域的傳感器，所感知的是周圍環(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 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)點根據(jù)信號的強 弱來尋找自己合適的簇頭節(jié)點，通過自動退避的簇頭選舉機制 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)點和 簇頭節(jié)點的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是 待檢測區(qū)域中的多個簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間還是采用一跳的 方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這在一定程度上加劇了簇頭節(jié)點的能量 消耗。在這里提出基于能量的多路徑路由算法，可以有效地 提高多個簇頭源節(jié)點和目標節(jié)點之間的數(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)點和匯聚節(jié)點間將 建立多條可達路徑，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點的能量情況給每 條路徑相應(yīng)的選擇概率，在簇頭節(jié)點傳送融合后的數(shù)據(jù)時就 根據(jù)概率隨機選擇一條路徑叫通過這樣一種方式，將待檢 測區(qū)域中的多個簇頭節(jié)點的一跳數(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)點的能量損耗, 另一方面綜合考慮多個簇頭節(jié)點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，延長了 網(wǎng)絡(luò)生存周期。

4結(jié)語

本文采用自動退避的簇頭選舉機制、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優(yōu)化了 LEACH層次路 由算法，不僅降低和均衡了傳感器節(jié)點和整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的 能量消耗，而且優(yōu)化了從簇頭節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪?量消耗。

20211119_6197c835757b6__無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗問題的探討