1 引 言

　　無線傳感器網絡(wireless sensor network)是一個熱點的研究領域，他在環境監測、軍事、醫療健康、家庭智能監控和其他商業領域有著廣泛的應用前景。無線傳感器網絡的實現需要自組織(Ad hoc)網絡技術，盡管已有許多Ad hoc網絡的協議和算法，但并不能滿足傳感器網絡的需求。具體來說，相對于一般意義上的自組織網絡，傳感器網絡有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。

　　(1)無線傳感器網絡中的節點數目高出Ad hoc網絡節點數目幾個數量級，這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求。

　　(2)自組織傳感器網絡最大的特點就是能量受限。傳感器節點受環境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網絡體系結構以及各層協議設計時，節能是設計的主要考慮目標之一。

　　(3)由于傳感器網絡應用的環境的特殊性，無線信道不穩定以及能源受限的特點，傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點，因此自組織網絡的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網絡的損壞不會影響到全局任務的進行。

　　(4)傳感器節點高密度部署，網絡拓撲結構變化快，對于拓撲結構的維護路由協議的設計帶來了嚴峻的挑戰。

　　在過去幾年里，能量高效和網絡最大生存周期路由算法已經受到越來越多的關注，文獻[4]中提出能量預測方法，利用剩余能量選擇從匯聚節點到事件區域的路由，但沒有考慮信息在網絡中傳輸的最短距離(而在無線系統中，傳輸距離長短直接與能量消耗大小有關)，容易造成信息傳輸時延和能量的浪費。文獻[5，6]中提出用于稀疏網絡拓樸的最小能量路由分布式算法，文獻[7，8]中提出基于覆蓋區域節點離散化的近似方法。上面提到的工作集中在網絡總能量消耗的最小化，然而正如文獻[9]中指出，這種方法可能導致網絡中的某些節點很快死亡，從而縮短網絡生存周期。我們在文中提出了基于最大生存周期的無線傳感器網絡的能量模型，通過配置節點能量計算模型，引人一個標志Flag和長期睡眠狀態機制來實現無線傳感器絡中節點的能量均衡，從而使網絡生存周期最大化。

　　2 系統能量模型

　　用無向圖G(V，L)描述一個靜態的無線傳感器網絡模型，其中V是節點集合，L是邊的集合。假設網絡中的節點已經采用GPS或其他方法確定地理位置(為了描述方便，節點i的地理位置XSINK用(Xi，Yi)表示，匯聚節點SINK點的地理位置用(XSINK，YSINK))。如果兩個節點i，j可以在允許的通信范圍之內實現彼此問相互直接通信，我們用邊連接節點i，j，用Ni表示節點i所有鄰接點的集合。為了說明方便，假設網絡是連通的且所有邊都是可以相互通信的，即V中的任意2個節點i，j之間一定存在一條路徑。

　　2.1 節點能量計算模型

　　設節點i檢測到事件，向中間節點j發送信息，則對于一個無線電通信的簡單模型而言，節點i發送單位信息需要的能量Et(i)表示為式(1)：

　　其中et是傳輸每比特信息消耗的能量(包括啟動時消耗的能量)，單位是能量/b，ed是無線傳輸過程中的單位能量損耗，et和ed的值由節點發送器特性決定。參數n是信道路徑丟失指數，依賴于RF環境，n值一般是2或4，r是傳輸距離，B是無線信號比特率，在我們的研究中是固定的。

　　節點j接收單位信息所需的能量Er(j)是固定的，表示為式(2)：

　　Er(j)=erB (2)

　　其中er是接收每比特信息消耗的能量，單位是能量/b，目前可用的典型值為：et=50*10-9J/b，er=50*10-9J/b，ed=100*10-12J/b/m2(在n=2時)，B=1 Mb/s。

　　現在考慮在無線傳感器網絡中一跳路徑中的能量損耗情況，假設在源節點i產生Ai厄蘭信息量、距離下一跳節點j的距離是dij，則節點i向節點j發送Ai厄蘭信息消耗的能量可表示為式(3)：

　　節點j接收節點i發來的Ai厄蘭信息需要消耗的能量表示為式(4)：

　　Er(j，i)=erBAi (4)

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　　設節點i的初始能量為Er(i)=Er，網絡經過一段時間的運行后，節點i在T1時刻前共執行了n1次的信息發送，n2次的信息接受(設此時節點i的能量還沒低于閥值，且每次接收和發送信息的單位是Ai厄蘭)，則節點i在T1時刻的剩余能量可用式(5)表示：

　　我們的目標是設計一個在Er(i)不低于Ev(節點能量閥值，可據實際情況設置)的情況下，讓節點處于不同的工作狀態以節約能量，通過不同的節點分發數據流來防止某些節點過早的死亡、均衡節點能量和延長網絡的生存周期。

　　2.2 無線傳感器節點的能量消耗模型

　　無線傳感器節點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。圖1是Deborah Estrin在Mobicom 2002會議上的特邀報告中所描述的傳感器節點各部分能量消耗情況。

　　隨著VLSI，MEMS技術的進步，傳感器模塊和處理器模塊的功耗變得很低，從圖1中可以看出大部分能量消耗在無線通信模塊上。而無線通信模塊存在發送、接受、空閑、睡眠4種狀態，不同的狀態存在不同的能量消耗水平。無線通信模塊在發送狀態的能量消耗最多，空閑和接受狀態的能耗接近，而睡眠狀態的能耗最少。因此，無線傳感器網絡必須利用節點工作狀態的轉換，使節點在網絡正常運作下盡快進入睡眠狀態，并關閉通信模塊，達到高效利用能量，使網絡的生存周期達到最大化。

　　2.3 傳感器節點狀態轉換模型

　　在無線傳感器網絡中，節點在不同的狀態具有不同的能量消耗，我們基于EPGR算法中的節點狀態模型，提出帶標志的傳感器節點轉換模型，模型中節點共有6種工作狀態：

　　睡眠狀態 傳感器模塊關閉，通信模塊關閉，能量消耗最小;

　　感知狀態 傳感器模塊開啟，通信模塊關閉，節點感知事件發生;

　　偵聽狀態 傳感器模塊開啟，通信模塊空閑;

　　接收狀態 傳感器模塊開啟，通信模塊接收;

　　發送狀態 如果Flag=0則表明節點的Er(i)低于Ev，傳感器模塊關閉，通信模塊關閉，節點轉入長期睡眠狀態，不相應任何事件;如果Flag=1傳感器模塊開啟，通信模塊發送;

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　　長期睡眠狀態 表示該節點能量已低于閥值，不相應任何事件。

　　圖2中的Ts是睡眠狀態定時器，Ti偵聽狀態定時器，Tj感知狀態定時器。

　　在帶標志的傳感器節點轉換模型中，開始時設置所有節點的Flag=1，在傳感器工作的過程中，通過傳遞的能量來判斷Er(i)是否低于Ev，如果Er(i)低于Ev，則說明該節點能量處于快耗盡的邊緣，此時置Flag=0，讓該節點處于長期睡眠狀態，改由其他節點來發送信息;如果Er(i)不低于Ev，表示該節點處于正常的工作狀態，可以進行相關的操作，此時Flag=1。在節點收到信息以后，通過Flag標志的值來決定該節點是否發送或者轉發收到的信息。

　　通過引入的Flag標志和長期睡眠機制來防止網絡中的某些節點因為過早耗盡能量而死亡，引起網絡無效，從而大大提高無線傳感器網絡中節點能量的均衡消耗，最大限度地延長網絡的生存時間，從而使無線傳感器網絡在現有的能量受限條件下，發揮更大、更久的作用。

　　3 結 語

　　在分析了無線傳感器網絡的應用和特性的基礎上，從節點能量計算模型，節點的能量消耗模型和狀態轉換模型3個方面論述了無線傳感器網絡的系統能量模型。本文的創新點是：在EPRG算法中的節點狀態轉換模型中引人一個標志Flag和長期睡眠狀態機制來防止網絡中的某些節點因為過早耗盡能量而死亡，結合文中提出的能量計算模型來實現無線傳感器絡中節點的能量均衡，從而實現無線傳感器網絡生存周期的最大化。