1、无线传感器网络不均匀环带能量均衡策略水陈传峰，林玮(福州大学物理与信息工程学院，福建福州350002)摘 要：无线传感器网络的监测应用是典型的多对一网络，离Sink较近的节点需承担更多的通信负载，更容易过早地耗尽自身的能量，使网络在有大量剩余节点的情况下死亡。为此提出采用不均匀环带设计使节点能耗均衡，从而延长网络寿命的策略。利用本方法，在实际情况下不仅能确定环带半径，还延长了网络寿命。关键词：无线传感器网络；能量空洞；能量均衡；不均匀环带中图分类号：TP393 文献标识码：AUneVen ring belt model of eneI斟balance strategy in wireless
2、sensor networkCHEN Chuan Fbng，LIN Wei(CoUege of Phy8ic8 and Il怕聃ation En矛neering，Fuzhou Unive璐ity，Fuzh叫350002，China)Abstract：The I肿nitoring印plication of wireless sensor networks i8 typical manytoone networkThe node that is close tosink谪U bear more communication 108d，and is e嬲y to deplele energy，so t
3、he ne撖ork奶n die when tIlere a比maIly nodes haveresidual energyThe paper presents a new strategy that using uneven ring belt model to balance nodes energy consumption，and thes妇egy诵n prolong ne撇k lifeThjs melhod can detemIine tlle radius in any praclical situation，and proloI唱netwDrk lifeKey wOrds： 衍rel
4、ess senr network；ener盯hole；energy balance；uneven ring belt随着传感器技术与通信技术的飞速发展，无线传感器网络的应用越来越广阔。由于能源补充的困难性，能耗问题一直是无线传感器网络的研究热点。传感器节点一般通过多跳方式，将收集到的数据传送到Base Station(BS)。一些节点既产生数据也转发数据。无线传感器网络的监测应用是典型的多对一网络，离Sink较近的节点需要承担更多的通信负载。因此这些节点容易过早耗尽自身的能量，导致在Sink周围出现能量空洞(Energy Hole)。能量空洞的出现使网络采集的数据不能进一步传送给sink节点，
5、使得网络在还有大量剩余节点的情况下，结束生命周期。如何均衡热点节点与其他节点的能量消耗，延长网络的生命期，是现在无线传感器网络研究的一个焦点。1国内外相关研究近年来，国内外学者对能量空洞问题进行了大量的研究，提出了各种解决能量空洞问题的方法。早期，研究人员提出用移动基站的方法来避免能量空洞问题，但是频繁的拓扑变化不但加大节点能耗而且+基金项目：国家自然科学基金项目资助(60672146)132 欢迎网上投稿wwwchinaaetcom增加载波冲突的机率。参考文献f3】的作者提出使基站按要求移动的策略，I，rDD，有效地解决了上述问题，但由于本课题监控极其敏感的鸟类，移动的基站势必加重负担。“a
6、n等人在参考文献【41中提出能量异构型网络的概念，即按照距离Sink的远近，装配不同的初始能量。该方法对硬件要求高，且节点需按要求部署。参考文献5】和【2】讨论了节点不均分分布的策略，该策略不但能延长网络寿命而且提高数据容量。参考文献2】推导了各层节点数量的等比关系以及剩余能量模型。该策略也需要节点按要求部署。参考文献【6】和【7】提出不均匀环带设计，根据节点和Sink距离的远近调整发射半径，离sink越近，转发的外层数据越多，发射半径越小，以此来均衡全网节点的能耗。两篇文章都提出了确定环带半径的方法，并比较了均匀环带与不均匀环带设计的节点剩余能量。不均匀环带设计策略不对硬件产生负担，只需节点
7、均匀部署。本文在参考文献【7】的基础上，改进能跫模型，确定参数公式，使得环带半径计算结果更为精确并实际可用。电子技术应用2009年第6期万方数据2无线传感器节点能量模型及参数确定本文采用参考文献【8给出的传感器节点工作能耗模型。将一个6一bit的信息传送d米，射频电路的发送耗能和接收耗能分别为：EA(6，d)=EA一出(6)十E缸一唧(6，d)=蹦+占砷扩 (1)昱k(6)=昱k一妇(6)=Eo 2)式中：E名表示发射装置TE(transmit electmnics)和接收电路RE(receive electronics)每发送或接收单位bit的能耗；8。表示发射放大器将每bit传送单位平方米
8、的能耗；a为传播衰减指数，2a6，取值由周围环境决定，当网络环境平坦无障碍时，n取值为2，在建筑物和植被茂密的区域进行远距离传输时，a取值一般为3和4。为便于下文分析，令A=如，B=由参考文献【8】，A=50 nJbit，设交叉距离k，当发送节点和接收节点的距离小于k时，采用硒ssamp模型，d取值为2；当距离大于k时，信道用多径衰落模型tworay一砌p，a取值为4。 k=华(3)其中，1是系统衰落因数，见为接收天线高度，鬼为发射天线高度，A是载波波长。8=生“牮dk，故丽取d=4，将参数代人式(4)得占嗍=0063 IlJbit，则A=50 llJ，bit；曰=O063 IlJbit。代入
9、式(8)，求得n=631 m，满足不等式(9)。再由式(11)、(12)递推出各环带半径，如表1所示。表1不均匀环带半径与节点发射半径(单位：m)rl 631 I 631r2 186l 42 1230r3 3471 3 1610 5396 t 1925r5 7609 5 2213r6 10109 6 25oon 12922 ， 2813h 16114 s 3192，9 19850 o 3736r10 24674 lo 4824若为均匀环带，以lO环划分，每环半径为24m。假设亍：l0000，6=2()00，p=o2，则均匀环带与不均匀环带执行完10000个任务后，各环带内节点平均能耗比较如图2
10、，由图可见，均匀环带不同环带内节点能耗134 欢迎网上投稿wwwchinaaetcom环带图2均匀环带与不均匀环带能耗比较图的差异悬殊，越靠近Sink节点能耗越大。而不均匀环带策略能保证不同环带内节点能耗一致。假设节点初始能量为2 J，r=90 000，6=2 000，p=O2，则对任务完成后节点剩余能量进行比较，如图3所示。冰、丑惫l皿删龊谋壮环带图3均匀环带与不均匀环带节点剩余能母比较图在第4环带以后均匀环带的节点剩余能量大于不均匀环带内节点剩余能量，但是，由于假设的节点发射半径为60m，对于均匀环带而言，第3环带到Sink距离为72m，在前3环带节点都死亡的情况下，与sink距离大于60
11、 m的节点无法将采集或接收的数据发送给Sink，网络瘫痪，虽然此时，第9环带的节点剩余能量为90，而第10环的节点剩余能量更是高达95。在基于均匀环带策略的网络死亡的情况下，基于不均匀环带策略的节点剩余能量为28，仍可继续有效工作。本文在分析当前解决能量空洞问题方法的前提下，比较各种方法的优缺点，找出了适合于本课题并无需加大硬件成本的方法，即基于不均匀环带的能量均衡策略，并提出了切实可行的算法。通过与基于均匀环带的无线传感器网络的比较，证明了不均匀环带策略的能量均衡问题上的出色表现，该策略能有效延长网络寿命。电子技术应用2009年第6期万方数据参考文献【l】 AKYILDIZ I F，SU W
12、，SANKARASUBRAMANIAM Y，et a1A survev on sensor netrksI】EE Commuflicatio鹏Mag船ine，2002，40(8)：102114【2】吴小兵，陈贵海无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题计算机学报，2008，3l(2)【3】 LU0 Hai Yun，YE Fan，CHENG Jerry，et a17ITDD：Twotier data dissemination in largescale wireless sensorNetworks【A】，ACM Mobile Networks and Applications(MONET
13、)【C】Jo哪al，2003f4】 uAN J，CHEN L，NAIK K，et a1Modeling and enhancingtIle data capac时of wireless sensor舱tworksPhoha S，LaPorta T F，and G矗mn C1EEE Mono单aph on SensorNetwork 0pemtions，IEEE Press，2004【6】【7】【8】of wirele8s sensor networks using nonuniIo册senr distributionIntemational Joumal“Distributed Senr Ne
14、tworks，2006，2(2)：12l145孙勇，景博，张宗麟基于不均匀环带模型能量有效的无线传感器网络节点放置方法传感技术学报，2006，19(4)OLARIU S，sTOJMENOVlC IDesign guidelines fh maximizing lifetime卸d avoiding energy hole8 in sensor networkswitll unifo珊distribution and uTIifonn陀portingProceedings of the IEEE INFOCOMBarcelo眦，Spain，2006：l12HEINZELMAN WApplicat
15、ionspecific pmtoc01 architectIll_es I-or wireless networksPhD tlesisMassachuset协Institute of Technolo舒，2000(收稿日期：2008一12一03)【5】 UAN J，NAIK K，AGNEW GData capacity impmvement(上接第13l页)municatio璐，198l，29(11)：1715一1720及所得结论对行波管线性化器的研究有一定参考价值。 【3】HAN Dong seog，TAEwON HAn adaptive predistorter参考文献 for the
16、compensation 0f HPA nonline撕tyIEEEIhns on【l】YONG Ch跎Jeong，SANG Young YunDesigll of a Broadcasting，2伽lo，46(2)：152一157predistonive high power ampI洒er using ca而er complex 【4】宋家乾，杜晓燕，牛忠霞降低行波管放大器非线性的power series明alysisMicmwave Joumal，2002，45(41： 预失真技术研究微波学报，2008，24(5)：697392一102 【5】陈振国，间怀亮，吕林卫星通信技术【M】北京：
17、人民邮【2】ADEL AFrequency independent粕d fkquency dependent 电出版社，1992：7883nonlinear models of TWT啪pli6ersIEEE 7Irans on Com一 (收稿日期：2008一1220)瑞萨科技公司(以下简称“瑞萨”)和其下属予公司Key Stream公司(以下简称“Key Stre咖”)于今年4月21日就后者的问题召开股东大会，股东投票决定清算Key Stream。从当日起Key Stream已经宣告解散，清算程序也已经启动。Key Stre咖是一家从事开发并销售超低功耗无线LAN芯片集和相关软件的供应商。
18、瑞萨自2007年1月开始投资KeyStream，此后Key Stre锄将无线LAN芯片集与瑞萨的微控制器和soC产品相结合，已合作开发并推出了无线LN解决方案。由于目前不客乐观的经济环境，瑞萨和Key Stm锄认为，如果后者仍旧独自开发其业务，他们将面临巨大挑战。今年4月1日Key Stream已经将无线LAN业务转给瑞萨，由于主要业务转让相关的程序已经结束，瑞萨决定解散和清算KeyS岫锄。瑞萨会继续为该公司的客户提供技术支持和其他服务。关于瑞萨瑞萨科技公司(Renes鹅Technolog)r Co甲)是移动电话、汽车、计算机音视频市场全球领先的半导体系统解决方案供应商之一，也是全球首屈一指的
19、微控制器供应商。瑞萨科技还提供功率MOSFETs、智能卡微控制器、射频IC、大功率放大器、混合信号IC、系统级芯片(SoC)、系统级封装(SiP)等产品。瑞萨科技成立于2003年，是日立(rsE：6501，NYSE：HI，I)与三菱电机(髑E：6503)的合资企业。2008财年(截止20019年3月)瑞萨科技的综合收入达到7027亿日元。瑞萨科技总部位于日本东京，拥有一个遍布16个国家和25 000雇员的制造、设计、销售的全球性网络。欲了解进一步信息，请访问http：wwwrenes鼬com。关于Key stream公司Key Stre锄公司成立于2()00年12月，公司宗旨是开发和提供无线I
20、AN芯片集。其间，Key Stream公司开发并向市场推出了支持IEEE 80211a、llb和119标准的无限LAN通信处理器与RF芯片。Key S仃e锄公司提供的无限LAN芯片集采用了无线LAN通信处理器、嵌入式CPU和专用低功耗技术，主要面向移动嵌入式应用。Key Stream公司是唯一能够提供全面的服务(包括LSI设计)，固件、驱动器和应用开发，利用芯片集实现的参考设计和咨询服务的公司。欲了解进一步信息，请访问hnp：，wwwkeys眦啪coipenindexhtml (Renes船供稿)电子技术应用2009年第6期 135万方数据无线传感器网络不均匀环带能量均衡策略作者： 陈传峰，
21、林玮， CHEN Chuan Feng， LIN Wei作者单位： 福州大学,物理与信息工程学院,福建,福州,350002刊名： 电子技术应用英文刊名： APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年，卷(期)： 2009，35(6)引用次数： 0次参考文献(8条)1.AKYILDIZ I F.SU W.SANKARASUBRAMANIAM Y A survey on sensor networks 2002(8)2.吴小兵.陈贵海 无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题期刊论文-计算机学报 2008(2)3.LUO Hai Yun.YE Fan.CHENG J
22、erry TTDD:Two-tier data dissemination in large-scale wireless sensorNetworks 20034.LIAN J.CHEN L.NAIK K Modeling and enhancing the data capacity of wireless sensor networks 20045.LIAN J.NAIK K.AGNEW G Data capacity improvement of wireless sensor networks using non-uniformsensor distribution 2006(2)6
23、.孙勇.景博.张宗麟 基于不均匀环带模型能量有效的无线传感器网络节点放置方法期刊论文-传感技术学报2006(4)7.OLARIU S.STOJMENOVIC I Design guidelines for maximizing lifetime and avoiding energy holes insensor networks with uniform distribution and uniform reporting 20068.HEINZELMAN W Application-specific protocol architectures for wireless networks
24、2000相似文献(10条)1.期刊论文 曾志文.陈志刚.刘安丰 无线传感器网络中基于可调发射功率的能量空洞避免 -计算机学报2010,33(1)无线传感器数据收集网络的多对一收集特征容易导致网络局部区域的能量消耗较高,形成能量空洞,从而导致整个网络过早死亡.文中通过分析无线传感器网络的数据分发特征,得到传感器网络的能量消耗分布情况、不同区域节点的寿命及其引起的数据传送延迟.在此基础上,在保证应用延迟需求前提下,提出了网络寿命最大化的求解算法.然后,依据数据传输率、能量消耗与延迟之间的相互影响,对可能形成能量空洞的区域选择一定比例的数据以较短的发射半径发送到能量消耗低的区域,以进一步提高网络性能
25、.理论分析与模拟实验结果表明,该策略可延长网络寿命达17%.2.期刊论文 吴小兵.陈贵海.WU Xiao-Bing.CHEN Gui-Hai 无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题 -计算机学报2008,31(2)节点非均匀分布策略能缓解无线传感器网络中的能量空洞问题.文中从理论上探讨这种策略,证明在节点非均匀分布的圆形网络中,如果节点持续向Sink节点发送数据,能量空洞现象将无法避免,而当节点数目满足一定关系时,网络中能够实现次优能耗均衡.文中提出一种节点非均匀分布策略及相应的路由算法用于实现这种次优能耗均衡.模拟结果显示网络生存周期终止时,处于网络内部的节点几乎达到了能耗均衡.3.期
26、刊论文 刘安丰.阳国军.陈志刚 基于不等簇半径轮换工作的传感器网络能量空洞避免研究 -通信学报2010,31(1)从理论上分析了分簇网络不同簇半径下的能量消耗情况,得到的结论是:1)给出了网络寿命最大时的簇半径的计算表达式;2)提出一种新颖而简单的采用不等簇半径轮换工作的能最空洞避免策略,其核心是:网络寿命取决于能量消耗最大节点的能量消耗,当采用不等的簇半径轮换工作时,其能量消耗最大的节点不是同一节点,因而其综合的能量消耗比采用最优的固定簇半径的能量消耗还少,从而可有效提高网络寿命.理论分析与模拟实验结果表明,该策略实施简单,又能够有效地避免能量空洞现象,并显著地延长了网络的存活时间.4.期刊
27、论文 刘安丰.聂红伟.吴贤佑.肖志东.陈志刚.LIU An-feng.NIE Hong-wei.WU Xian-you.XIAO Zhi-dong.CHEN Zhi-gang 基于网络效率的线性无线传感器网络优化部署算法 -计算机科学2009,36(11)基于多跳的无线传感器网络,靠近sink的传感器节点因需要转发更多的数据,其能量消耗较多,从而在sink周围形成“能量空洞“.采用更符合实际的单位部署成本的网络寿命,即网络效率作为优化目标.在仅已知网络规模和节点感知半径r的情况下,如何通过有效的节点部署来避免“能量空洞“并使网络效率最大,是一个极具挑战性的研究课题.提出了一种高效节点部署算法,
28、求解出了最优工作节点数、最佳中继节点部署方案、最优节点传输距离.理论分析与模拟实验结果表明,算法不仅能够避免“能量空洞“,而且相对于已有均匀与非均匀算法都能有效提高网络效率,因此该算法对构建低成本的无线传感网络应用系统具有重要意义.5.期刊论文 刘安丰.吴贤佑.陈志刚.Liu Anfeng.Wu Xianyou.Chen Zhigang 一种基于PSO的有效能量空洞避免的无线传感器路由算法 -计算机研究与发展2009,46(4)无线传感器网络路由的一个重要问题是如何有效地均衡整个网络的能量消耗水平,避免形成能量空洞,从而导致整个网络过早死亡.基于无线传感器网络特性,首先将路由问题转化为线性规划
29、问题.并证明了路由问题与线性规划问题的等价性.在此基础上.利用粒子群算法(particle swarm optimizationalgorithm,PSO)来求解能量空洞避免路由问题.算法重新定义了PSO的粒子、粒子的运算与“飞行“规则,提出了基于PSO的无线传感器路由优化算法.算法不仅能够适用于平面网络,经过稍加改进同样可以适用于层次网络的路由算法.通过理论分析证实了算法的正确性,同时大量的模拟实验证实了算法的有效性.6.期刊论文 石婷婷.杨云.陈拥军.陈洁.张赟.SHI Ting-ting.YANG Yun.CHEN Yong-jun.CHEN Jie.ZHANG Yun 一种基于数据融合
30、的WSN节点部署策略 -微电子学与计算机2009,26(10)采用非均匀的方法部署节点,提出了一种基于数据融合的节点部署策略.针对节点数据采集率恒定的圆形网络场景,根据避免能量空洞以及降低数据冗余度的思想部署传感器节点,通过该策略使得网络达到次级能耗均衡.仿真结果表明该方法能够缓解能量空洞问题,延长网络生命周期.7.期刊论文 张萃玲.陈志刚.刘安丰.曾志文 非均匀部署WSN的能量空洞避免策略 -计算机工程2010,36(2)分析无线传感器网络中各个节点位置上的数据及能量负载,提出一种新的非均匀部署策略,在网络中均匀部署满足监测需要的工作节点,但在近sink区域部署更多不感知数据,只转发数据的中
31、继节点,以实现网络的能量消耗均衡,并分析传感器节点最优传输半径优化问题.实验结果表明,该策略能够有效降低网络能耗,延长网络寿命.8.期刊论文 陈拥军.杨云.陈俊钦.石婷婷.张敬.杨婷.CHEN Yong-jun.YANG Yun.CHEN Jun-qin.SHI Ting-ting.ZHANG Jing.YANG Ting 一种基于Dijkstra+策略的路由空洞算法GEAR+ -微电子学与计算机2009,26(10)针对无线传感器网络中地理位置和能量路由(GEAR)算法可能产生的路由空洞问题,GEAR算法通过改变自身和邻居节点的代价来解决问题,但同一节点可能会再次遇到同一路由空洞.文中提出了
32、一种基于Diikstra+策略的路由空洞GEAR+算法可以避免上述问题.仿真分析表明,该算法在平均能量消耗和节点发送数据分组的数量上都优于GEAR算法.9.期刊论文 焦竹青.陈树.徐保国.JIAO Zhu-qing.CHEN Shu.XU Bao-guo 节点两次抛洒的无线传感器网络能耗平衡策略 -燕山大学学报2009,33(5)针对无线传感器网络中的“能量空洞“问题,提出了一种将传感器节点分两次抛洒的能耗平衡策略.基于圆形区域网络的多跳传输方式,分析了无线传感器网络的能耗模型,并在各圆环内对传感器节点进行不均匀抛洒.为了克服节点密度较大圆环采集数据的冗余性,首先在各圆环内等密度抛洒只具有传感
33、功能的节点,第二次抛洒的节点仅作为中继站向相邻圆环转发数据,根据节点平均能耗相等的原则,确定各圆环内的中继节点密度.传感节点和中继节点分别进行抛洒,不仅节省了硬件成本,而且减轻了网络的传输负载.仿真结果表明,该策略能够有效平衡节点能耗,缓解能量空洞问题,从而延长无线传感器网络的生存时间.10.期刊论文 王亮.钟先信.石军锋 无线传感器网络能耗平衡策略的研究 -传感器世界2007,13(3)无线传感器网络中存在的多对-数据流使得节点能量消耗极不平衡,严重缩短了网络的生存时间.文章首先分析了网络中能耗不平衡的成因以及产生的影响,然后详细阐述了解决无线传感器网络能耗不均匀的几种策略,并分别指出了各种策略的特点,最后探讨了解决此类问题的发展方向.本文链接：http:/
