關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中低能耗算法的研究

吳 玨

江蘇常熟職業(yè)教育中心校電氣信息工程系，江蘇常熟 215500

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)需經(jīng)過合理處理，才可滿足不同用戶的查詢需求。但該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效查詢受到網(wǎng)絡(luò)自身的限制，其中節(jié)點能量是制約其發(fā)展的核心因素。為有效降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗，本文研究了兩種算法。

1 基于時間范圍查詢的優(yōu)化算法

傳感器網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的感應(yīng)，很多時候要求得到查詢時間范圍內(nèi)感應(yīng)對象的屬性變化趨勢。若傳感器節(jié)點上有大量重復(fù)數(shù)據(jù)查詢并向基站發(fā)送時，可通過擬訂新的查詢表，將這些查詢合并，使大量重復(fù)數(shù)據(jù)一次性發(fā)送，減少了節(jié)點能量的消耗。該算法充分利用基站強大的計算能力、足夠的存儲及充足的能量等特點，以求減少節(jié)點的通信能量消耗，延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命,如流程圖1所示。該算法只考慮了時間范圍條件下單用戶查詢的優(yōu)化，同時在能量消耗上只考慮了發(fā)送能量的消耗。

圖1 基于時間范圍查詢的優(yōu)化算法流程圖

2 查詢類型的歸納并引入的算法

文獻(xiàn)[3]給出了一種基于where條件的多查詢合并算法，實際上查詢中節(jié)點上固有屬性也可以進(jìn)行合并。另外文獻(xiàn)[3]中給出的查詢滿足概率是基于屬性能夠選擇的最大范圍，而實際上，幾乎沒有節(jié)點在實際工作時能夠取得感應(yīng)的最大范圍。針對這兩點，本文研究了以下算法。本算法是利用基站存儲的節(jié)點歷史信息，以最小化查詢消耗能量為目標(biāo)，提出一種基于預(yù)測查詢滿足概率的多查詢合并算法，以達(dá)到能量消耗最小的目的。

以下給出多查詢能量消耗模型。假設(shè)節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包消耗能量為E，接收一個數(shù)據(jù)包消耗能量為E。一個節(jié)點是否發(fā)送數(shù)據(jù)包，與節(jié)點采集的數(shù)據(jù)是否滿足查詢的概率P有關(guān)。每次采樣相互獨立，因此n次采樣滿足查詢條件的次數(shù)為n×p，每個數(shù)據(jù)包需要d次轉(zhuǎn)發(fā)到基站，一個時間間隔為t的查詢單位時間內(nèi)單個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量為，接收數(shù)據(jù)消耗的能量為（此處不考慮最后基站接收數(shù)據(jù)消耗的能量）。則整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點消耗的能量為，其中，Esi為第i個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包消耗的能量，Eri為第i個節(jié)點接收一個數(shù)據(jù)包消耗的能量，Pi為第i個節(jié)點滿足查詢條件的概率，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)，di為節(jié)點深度（對應(yīng)發(fā)送次數(shù)），t為采樣周期。

在實際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不是每個節(jié)點都能感應(yīng)到屬性值A(chǔ)的最大范圍。本文利用基站的計算和存儲能力，將節(jié)點歷史感應(yīng)并發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)匯總起來得到每個節(jié)點感應(yīng)到的最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min。由于最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min是已知能夠觀測到的屬性范圍，而未來觀測到的屬性范圍，而未來觀測到的屬性范圍可能在最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min之間，也可能在其范圍之外，此處用參數(shù)ΔA來修正觀測到的最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min。則節(jié)點取值范圍為[Amin-ΔA，Amax+ΔA]。

節(jié)點i的滿足查詢條件概率為：

其中，y為查詢上限，x為查詢下限，pi為在以[x,y]為查詢條件下節(jié)點i查詢滿足概率，Aimax為節(jié)點i歷史查詢出現(xiàn)的屬性A的最大值，Aimin為節(jié)點i歷史查詢出現(xiàn)的屬性A的最小值，ΔiA為節(jié)點i屬性A歷史最大值最小值變化修正值，ΔiA可以用屬性A歷史出現(xiàn)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差得到。

若Enew＞E1+E2兩查詢不進(jìn)行合并，反之進(jìn)行合并。

若n個查詢需判斷是否進(jìn)行合并，需輪流判斷可以合并的查詢，最后將合并后的查詢列表發(fā)送到傳感器網(wǎng)絡(luò)再查詢。

表1 合并規(guī)則表

3 范圍查詢 無 范圍并集 6簡單查詢?nèi)コ逃袑傩?無

該多查詢合并算法與文獻(xiàn)[3]提出的算法相比更好地利用了基站能量充足、計算能力強的特點，隨著查詢時間的持續(xù)，能夠大量減少查詢數(shù)量，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，從而大大增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。由于存在查詢合并，本算法的時效性有所欠缺，更加適合對實效要求不是太高的環(huán)境。

[1]孫利民等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[2]南國芳，路曉穎.傳感器網(wǎng)絡(luò)多查詢架構(gòu)體系及融合算法[J].計算機工程，2010，36(1)：21-24.

[3]Xiang S，Lim H B，Tan K L，Zhou Y.Two-tier multiple query optimization for sensor networks.Proceedings of the 27th International Conference on Distributed Computing Systems，2007，Toronto，Canada.