无线传感器网络第二章.ppt

2．无线传感器网络的能耗指标 无线信号在传播过程中随着传播距离增加而发生衰减，采用自由空间模型计算传播损耗如下： 　　　　　　　　　　 (2-5) 式中，Lp为路径损耗；D为传播距离；为信号波长。 针对无线信号传播过程，假设无线传感器网络通信能耗模型为：运行发送器或接收器的无线花费为Eelec=50nJ/bit，发送放大器实现容许放大倍率的无线花费为Eamp=100pJ/bit m-2。 二维空间内，坐标分别为(xi，yi)、(xj，yj)的无线传感节点i、j，通信时信号传播距离计算如下： (2-6) 若节点i向j发送长度为k bit的数据包，则节点i能耗为： 　　　　　 (2-7) 节点j接收此数据包的能耗为： 　　　　　　　　　　　　 (2-8) 节点i与j节点，进行一次数据包传输所消耗的总能量为： 　 　　　　　　　　　 (2-9) 式(2-9)说明两节点相距较远时，直接传输数据会消耗较大能量，采用多跳通信则可节省能量。 2．无线传感器网络的能耗指标 2.3无线传感网络连接可靠性 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 对于无线传感器网络设计，通常会遇到两个关键问题： ①在给定布置区域大小和节点无线收发距离(即通信半径R)的条件下，究竟要布置多少个无线传感器网络节点才能连通一个网络，且连接的可靠性能满足多大的需求； ②给定节点感知覆盖距离(即感知距离半径)的条件下，如何布置节点才能实现对给定区域的有效覆盖和监测。 无线传感器网络连接可靠性是一个稳定运行的无线传感器网络设计必须面临的基本问题，通常有两种主要的理论研究方法和途径：一种是基于图的连接性；另外一种是基于扩散理论的连接性。 通常无线传感器网络用连接概率来表示网络的连接性，而用每个节点邻居数不低于某个特定值来表示网络的连接可靠性需求。这里定义网络连接度为在其通信传输距离范围内的平均邻居节点数，邻居节点数越多，网络连接度越强。网络的连接性是和网络连接度成某种分布关系的。网络连接度CD (Connection Degree)参数可反映网络的连接性。 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 为简化模型，假设无线传感器网络是采用全向天线情况下的同构网络，传输通信半径为R，感知覆盖距离半径为R’，实际网络配置区域为的矩形带状区域，这样CD就集中反映了传感器节点数n、实际物理布置区域大小以及每个节点的无线传输通信半径R三种因素的相互关系，D表示节点密度，L和W分别表示矩形域的长和宽。 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 值得注意的是，无线网络特有的隐藏或暴露终端问题产生的节点干扰距离半径R’(感知距离半径)通常满足条件RR’2R，如公式2-10所示。网络连接度和同频干扰会随着网络节点数增加而增强，同样增大通信距离范围或减小网络布置区域大小也会增大网络连接度和同频干扰。因此，选择适当的网络连接度对网络性能有着重要的意义。 (2-10) 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 影响无线传感器网络可靠连接的另一个重要参数为网络的冗余度。不考虑链路相互干扰等情况，冗余度K越高，网络的连接性越强。从几何拓扑学观点，定义网络的冗余度是指在无穷维节点阵列空间连接的链路节点比。 如图2-23所示，图2-23(a)中表示连接性最弱的冗余度K=1，例如一个环状或线性网络。网格网络冗余度可以是K=1.5，2，3，4等，如图2-13(b)～(e)所示。 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 通过网格扩散(Percolation)方法给出了冗余度如何影响连接性的一个很有效的估计。考虑包含100个节点的对称拓扑网络。暂不管扩散的方向和路径如何，仅考虑最大连接节点数目所占比例Cmax与单个链路故障概率Pd的关系，在给定某个冗余度K，如K=1，2，3和4，可以得到Cmax与单个链路故障概率Pd之间的变化关系，如图2-14所示。 2.3.1无线传感网络连接可靠性分析 2.3.2基于概率和图论的连接可靠性 在图论中，通常根据图顶点之间的边的连接情况，将图分为有向图和无向图两种。无向图是指在图的顶点与顶点之间存在的边是无向边。由于网络拓扑的不确定性，可将无