一种基于冗余度的无线传感器网络节能策略.docx

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一种基于冗余度的无线传感器网络节能策略

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郭海生中兴通讯股份有限公司南京研究所工程师

李龙江电子科技大学通信与信息工程学院副教授

摘要:在无线传感器网络中,传感节点由于采用电池供电,因此寿命有限。如何有效节省传感器节点的能量,延长网络的使用寿命,一直是广泛研究的焦点。文章提出一种适用于高冗余度布置的无线传感器网络结构中,节省传感器节点能量消耗的方法一接续调度法。该方法通过协调点对小区域内节点的调度,使区域内节点依次分时段工作。通过这种接续调度,避免了节点间的冲突和串扰,达到延长整体网络寿命的效果。

关键词:无线传感器网络,冗余部署,节能,接续调度

随着物联网技术的不断发展,无线传感器网络目前已经有了越来越广泛的应用。传感节点由于其体积小、成本低,为构建大规模传感网络提供了可靠保障。为了适应各种复杂的应用环境,传感节点通常采用电池供电,并且使用过程中无法更换电池。这就需要节点的工作寿命越长越好。无线传感网的寿命也取决于普通节点的寿命。在实际无线传感器网络应用中,为了保证感知区域的完全覆盖,在该区域内往往布置具有一定冗余度的节点,以避免感知盲区和空洞存在。这些冗余节点如果同时工作,则它们传递的是该区域相同的信息,因此带来信息上的冗余。虽然这种冗余信息可以通过数据融合等方法处理,但对于传感节点来说,重复地发送冗余信息会大量消耗自身能量,导致过早死亡。

本文从利用网络冗余特性的角度出发,提出的接续调度的节能策略。该策略的主要思想就是通过一定的调度算法,使冗余节点之间依次分时段工作,以减少不必要的能量消耗,达到延长网络寿命的目的。

本文接下来的章节安排如下:第二节中介绍无线传感网的相关节能策略的进展情况。在第三小节中,首先提出了无线传感网的能量模型,基于此能量模型,推导出网络寿命公式,并给出在接续调度算法下寿命延长的定量分析。在第四小节中,通过仿真分析,进一步验证了理论结果的正确性。最后在第五节中,给出了最终的结论。

1相关研究工作

关于无线传感器网络节能的研究很多,基本上可以分为基于MAC协议节能策略、基于路由协议节能策略和基于网络拓扑控制节能策略三大类。

MAC节能是从无线传感器网路MAC协议出发,研究传感网MAC层组网和信道访问过程中的节能技术。S-MAC主要采用了周期性的侦听和睡眠机制,该机制中,每个传感器节点并不是始终处于侦听状态,而是周期性地睡眠一段时间,然后醒来进入活动状态,在活动状态中,如果节点需要发送数据,则应通过竞争实现信道的接入。反之,则对信道进行空闲侦听。文献[2]提出了针对S-MAC协议的改进方案,通过同步RTS发送的机制,有效地减少了节点的空闲侦听时间,节省了网络能量的消耗。文献[3]在S-MAC的基础上,增加了数据报重排序机制,报重排序机制,即能够根据各个节点工作周期的时序关系,动态的调整数据报的发送次序,从而减少数据报的端到端延迟。

基于路由协议的节能方案,除了传统的LEACH协议、PEGASIS协议,还有众多改进协议。文献提出一种DE-LEACH协议,有效避免了低能量且离基站较远的节点与基站直接通信。文献[5]提出了M2LEACH(Mult.i2hopvariantofLEACH,多跳LEACH)算法,簇内的节点不是以单跳的方式传输数据到簇首,而是通过簇内其他节点转发。

基于拓扑控制的节能算法考虑的是通过传感器网络节点布置策略,优化网络能量的消耗。典型的有等算法。

2接续调度算法

2.1网络寿命模型

在传感网中,网络的寿命取决于传感节点的寿命。因此我们考虑用一个任意小区域的节点寿命代表整个网络的寿命。这[来自wWw.Lw5u.coM]里所说的任意小区域是指冗余范围,在该区域内的节点互为冗余节点,比如一跳内的相邻节点,可以看作是互为冗余的节点。

对传感节点来说,能量的消耗主要有数据发送能耗、数据接收能耗和空闲能耗。在无休眠机制的传感网中,最简单的情况就是每个节点都在各自发数据,在同一个小区域内所有节点最终同时死亡。然而在实际网络中,同一个小区域内的节点通常都是一跳内的节点,同时发送数据可能存在冲突,更多的情况是,每次只有一个节点发送数据,其他节点处于接收或空闲状态,虽然也要消耗一部分能量,但比发送能耗要少,这就是通常说的串扰问题,因此不可能同时死亡。

2.2接续调度算法

基于冗余度的接续调度算法是通过在传感网内部形成各个不同的小区域,在各自的小区域内实现节点间的依次调度,来达到该小区域的节点寿命最大化,从而使整个网络的寿命得到最大延长的机制。冗余节点间的调度是通过协调点来完成的。如图1所示。在感知区域内有若干个协调点,每个协调点负责各自范围内的冗余节点之间的接续调度。协调点根据所在区域内冗余节点的个数,确定各个节点

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