1 引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种新型的无线通信网络，它融合了通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术，由大量的传感器节点通过无线介质连接构成，采用自组织的形式配置微型的智能传感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中目标信息。无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。 所谓能量有效性是指该网络在有限的能量条件下能够处理的服务请求数量。由于无线传感器网络的节点采用微型电池供电，且放置在恶劣的环境中工作，一般很难进行充电或是替代，系统的能量资源非常有限，因此，研究和设计满足能量有效性的通信协议是无线传感器网络技术迫切需要解决的问题。 本文从能量有效性的角度出发，针对无线传感器网络中网络层的通信协议的特点进行详细地分析，说明如何设计能够节约系统能量消耗，延长网络生命时间的路由协议。2网络层能量有效性的分析 在路由建立、维护以及数据传输阶段，传感器节点之间采取单跳通信还是多跳通信的方式，直接影响着网络的能量消耗状况，如果设计不合理，将会导致网络中节点的能量分布不均匀，缩短网络的生存时间。能量有效性对网络层路由协议的设计提出了更高的要求。2.1能量消耗导致“热点问题” “ 热点问题”（Hot Spot Problem）是指在路由的建立、维护以及和数据传送的过程中，可能使某一些节点过多的消耗能量，而导致过早死亡；如果这些节点位于网络的连通关键位置，则会使整个网络将会陷入瘫痪状态，无法完成正常的感知任务。根据网络中采取的不同的通信方式，出现热点问题的情况会有所不同。 在单跳通信的传感器网络中，无论是采用平面路由还是分层路由，数据都是由传感器节点直接传输到汇聚节点sink，由于节点具有相等的初始能量且大小受限，因此，距离汇聚节点较远的传感器节点消耗的能量较大，加之无线传播环境的恶化的影响，更容易造成能量的严重损失，因此，这些节点就成为了“热点”，如果这些节点位于监测目标的附近，将直接导致监测任务的执行。 在多跳通信的传感器网络中，同样也存在“热点”。这些节点位于汇聚节点sink较近的位置，它们一方面负责将自身的数据传输给汇聚节点，另一方面要为距离sink较远的节点提供转发数据的服务，其在单位时间发送的数据密度要比其它节点多1倍，因此，能耗也要多1倍。这样，如果网络中传感器节点数目较多时，对于距离汇聚节点较近的节点就需要耗费大量的能量，距离越近，能耗越多。如果这些节点过早地能量耗尽，网络的连通性就无法得到保证，距离sink较远的传感器节点不能及时地把数据发送过来，严重影响了通信的进程。3 路由协议的节能设计 如上所述，在路由协议的设计中应尽量减少和避免热点问题的发生，保证网络中节点能耗的均匀分布。路由协议的设计思想可以从不同角度分类，如：平面路由和分层路由。本文以分层路由为例，说明如何进行节能设计。 分层路由协议的设计思想是对网络中的节点进行层次划分，若干相邻节点构成一个簇，每个簇内有一个簇首（Cluster Header）。簇与簇之间可以通过簇首进行通信。簇首之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网进行转发。分簇的方法可以分布式控制系统，使网络整体规模变得比较灵活，同其它平面算法比较，它可以减少路由表的大小，降低承担路由的节点数目，节约节点能量消耗，并有效延长了网络的生命周期，因此，分层路由本身就具有节能的优势。 在现有分簇算法中，簇内（Intra-Cluster）通常采用的是单跳通信，而簇间（Inter-Cluster）采用多跳的方式。但仔细分析，这种设计方法存在一定的缺陷。究其原因，对于簇内来说，由于节点的位置是随机分布，即使同处一个簇内的节点在地理位置也有远近之分，如果有一部分节点距离簇首比较远，在与簇首通信的过程中将会比其它簇内节点消耗更多的能量，当无线传播环境比较恶劣（链路损耗因子 ）时，这种能量消耗会更大。随着通信的进行，这些节点有很高的概率成为“热点”，从而过早的死亡。因此，簇内通信采取单跳的方式并不是一种最好的选择，这需要根据具体的网络状况来决定。簇间采用多跳通信的方式，使得距离汇聚节点的簇首可以通过在sink附近的其它簇首将数据传递过来，但正如热点问题中所述，距离sink较近的节点其由于负担过重而能量消耗殆尽。图1通过变化曲线说明了在单跳和多跳通信中，节点的能量消耗与簇首距离之间的关系，可以看出这两种方式都有可能导致系统能量的不均匀分布，缩短网络的生存时间。 图1 节点能量消耗与簇首距离之间的关系 为避免在簇内和簇间通信中出现热点问题，在设计分簇算法时，可以从以下方面进行考虑。第一，当无线传播环境变得恶化时，簇内通信应该采用多跳的方式，这种设计思想是将一个簇的区域半径以R的厚度等分成n个环，如图2右半部分所示。图2 簇内两种不同的通信方式簇内节点均分布在n个环中，节点与簇首的通信采用多跳的方式，环内的节点为环外节点提供数据转发服务，即第n个环内的节点要对于来自第n个环外发送给簇首的数据包提供转发服务；这样可以减少距离簇首较远节点的能量消耗，而将原来直接传送给簇首所消耗的能量分担到其它距离簇首较近的节点中间，有利于节点能量分布趋于一致，达到延长网络生存时间的目的。假设网络的分布区域的半径为A，共有m个簇，每个簇的半径为 则进入第n个环的数据包的个数为： ，因此，每个环内的节点除 了传送自己的数据外，还要为环外的节点提供转发服务，在一个工作周期所消耗的能量可以表达为式（1） 其中K1 、 K2分别为簇内通信和簇间通信的链路损耗因子；Ef 为数据融合消耗的能量；li 和 ui分别是发射机电路消耗的能量和用于克服传播损耗射频功率放大消耗的能量。式(1)中第一部分为簇首传送数据到Sink所消耗的能量；第二部分为节点传送自己的数据所消耗的能量；第三部分为簇首进行数据融合所消耗的能量；最后一部分表示在所有环中，节点提供转发服务所消耗的能量。总的能量消耗E是参数m和R的函数，通过采取实验仿真的方法，对于给定m和R的值，可以求解出能量的最小值，结果表明，当簇内的无线通信环境变得恶化时，即 取值变大时，簇内多跳通信的方式可以进一步降低能量的消耗。 第二，如果簇间通信采用多跳方式，而造成簇首之间的能量分布严重不均时，可以采取不等分簇的方法，这种方法的设计思想是根据距离汇聚节点的远近调整簇半径的大小。如式（2）所示： 其中C为（0，1）之间的常数， 分别为网络中节点距离汇聚点的最大与最小距离， 为节点si 与汇聚点之间的距离， 是所允许的最大簇半径（预先进行设定）。从式（2）可以得出对于距离Sink比较近的簇首节点来说，由于缩小了簇半径，其簇内成员节点数目也相应变小，这样可以减轻簇内能量消耗的负担，保留一部分能量用于簇间的通信，从而使网络中的节点能量消耗分布相对均匀，减少热点问题的发生。当网络的生存时间定义为第一个节点死亡时网络所工作的轮数时，采用不等分簇的方法可将将网络的生存时间提高10%－20%。 第三，根据相关文献对多层体系式通信网络结构研究中所指出的：通信的花费（Cost）是随着网络的层数的增加而降低。同理应用到无线传感器网络中，随着分层数目的增加，节点能量的消耗也会相应降低，但是，如果分层的数目过多的话，可能会造成系统的额外的开销，因此，在降低能量消耗和减少系统开销之间应该保持一个很好的平衡。另外，簇首的选择也应采用合理、公平的方法，例如，通过采用轮询的方式，使得网络中的节点都有机会担当簇首，可以保证能量消耗的分布一致。4 总结 综上所述，无线传感器网络是一种能量有限的网络，如果网络中的某些节点能量消耗过快，则会使节点在短时间内失效，从而导致有效传感区域变小，影响传感结果。同时在无线传感器网络中，能量比带宽等其它性能指标更重要。如何有效减少并平衡网络中各个节点的能量消耗，从而使得网络寿命最大化，是协议设计的关键之一。无线传感器网络节点的处理、存储和通信能力有限，因此，不适宜采用传统计算机网络中的设计思想。综合考虑无线传感器网络自身特点和应用需求，设计紧凑、节能而简单的协议是应遵循的重要原则。参考文献[1] V. Mhatre and C. Rosenberg, “Design Guidelines for Wireless Sensor Networks: Communication, Clustering and Aggregation”, Adhoc Networks Journal,Elsevier Science,2004,Vol.2,Issue 1,pp 45-63. Chengfa Li, Mao Ye and Guihai Chen, “An Energy-Efficient Unequal Clustering Mechanism for Wireless Sensor Networks” S. Bandyopadhyay, E.J. Coyle, “An Energy Efficient Hierarchical Clustering Algorithm for Wireless Sensor Networks”, in Proceedings of INFOCOM, March 2003. V. Mhatre, C. Rosenberg, “Homogeneous vs Heterogenous Clustered Networks:A Comparative Study”, in Proceedings of IEEE ICC 2004,June 2004. Hill J. Szewczyk R, Woo A, Hollar S. “System architecture directions for networks sensor”, in Proceedings of the 9 th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, 2000,93-104. Pottie G, Kaiser W,“Wireless Sensor Networks”, Communications of the ACM, 2000,43(5):51-58. L. Van Hoesel and a .A lightweight medium access protocol (LMAC) for wireless sensor networks. In 1st Int. Workshop on Networked Sensing Systems (INSS 2004), Tokyo, Japan ,June 2004
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