基于休眠/喚醒機制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存活狀態(tài)建模與分析

韓瑞艷，高 飛，丁雷雷

(1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明650500)

(2.云南民族大學(xué)云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室，云南昆明650500)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由分布在一定區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗的具有傳感、計算與通信能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有多跳、自組織及布置靈活等特點，能夠大量的部署到各種地形的環(huán)境中，達到信息收集和通信的目的.在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

傳感器節(jié)點采用電池供給能量，電池能量一般是有限的，且難以補充.節(jié)點的能量消耗決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間，為提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性，常常在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)撒布大量節(jié)點來工作以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命.但如果所有節(jié)點同時工作就會浪費能量，使節(jié)點過早死亡，因此，如何降低節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點［1－2］.

延長網(wǎng)絡(luò)生存期，目前最常見也是最直接的解決方法就是采用節(jié)點休眠調(diào)度算法.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常用足夠數(shù)量的傳感器節(jié)點保證網(wǎng)絡(luò)的有效性，傳感器節(jié)點密度較高，存在著大量的冗余節(jié)點，可通過只激活部分節(jié)點，以便節(jié)點能夠在活躍與休眠輪次之間輪換.節(jié)點的休眠調(diào)度算法就是采取判定算法一次選取一部分節(jié)點作為本輪的工作節(jié)點，通過節(jié)點在活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)間周期性地輪換，來降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間［3－4］.

由于節(jié)點在休眠狀態(tài)消耗的能量最小，所以在休眠調(diào)度協(xié)議中，合理地控制適量的節(jié)點進入休眠可以很好地減少網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期.而過度的休眠會影響網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測功能，所以如何合理地控制適量的節(jié)點休眠是研究的主要目標［5］.

近年來，研究人員提出了多種休眠調(diào)度算法.其中比較典型的是隨機調(diào)度RS(randomized scheduling)算法.RS算法的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點在每一輪使用同一個概率判斷是否需要休眠.該算法的實現(xiàn)相對簡單，能快速求解，但使用相同的概率休眠會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降且產(chǎn)生覆蓋空洞［5］.

針對上述問題，本文提出了一種改進算法.將網(wǎng)絡(luò)的工作時間劃分成輪次，在每輪次開始時，全網(wǎng)中的節(jié)點按照某一休眠概率進行休眠，結(jié)束時所有節(jié)點保持該輪次的狀態(tài)，等待下一輪次開始時重新進行休眠判決;而在下一輪次開始時，上一輪次中的休眠節(jié)點依然保持休眠狀態(tài)，這些休眠節(jié)點在休眠一定輪次后將“激活”，從而返回到活躍狀態(tài).通過采用輪換節(jié)點是否“激活”或者“休眠”狀態(tài)的節(jié)能方案，為整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存期［1］.

1 節(jié)點的休眠/喚醒模型

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點分布眾多，如何合理控制適量的節(jié)點休眠是主要研究的問題.休眠機制的采用，可通過節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來均衡能量消耗，避免部分節(jié)點過早地因能量耗盡而致使全網(wǎng)生命周期的結(jié)束，以此提高網(wǎng)絡(luò)使用壽命［6］.

1.1 簡單的休眠/喚醒模型

節(jié)點具有活躍和休眠2種工作狀態(tài)，并能夠在二者之間進行轉(zhuǎn)換.休眠機制的采用，即讓一些節(jié)點休眠，另一些節(jié)點工作，可以平衡網(wǎng)內(nèi)節(jié)點能耗，達到平衡網(wǎng)內(nèi)能耗的目的，這可以有效延長網(wǎng)絡(luò)生存時間.

如果節(jié)點長時間處于休眠狀態(tài)，會影響到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸致使整個網(wǎng)絡(luò)失去監(jiān)控意義，因此需要使節(jié)點輪換進入休眠狀態(tài).由此我們考慮節(jié)點在活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)間的互相轉(zhuǎn)換，即分析節(jié)點從活躍狀態(tài)到休眠狀態(tài)的雙向轉(zhuǎn)換模型，如圖1所示.

1.2 休眠/喚醒算法的仿真設(shè)計

休眠/喚醒的實驗?zāi)Ｐ?100個傳感器節(jié)點隨機分布在50 m×50 m的區(qū)域中;網(wǎng)絡(luò)初始運行時，傳感器節(jié)點均處于活躍狀態(tài);所有傳感器節(jié)點具有相同的休眠概率P.

具體算法步驟如下:

第1步:每一輪次開始，每個處于活躍狀態(tài)的節(jié)點獨立地判斷該輪次中自己是進行休眠還是保持工作狀態(tài)，結(jié)束時所有節(jié)點保持該輪次的狀態(tài).

第2步:該輪次中處于休眠狀態(tài)的節(jié)點休眠x輪次后，休眠節(jié)點返回到活躍狀態(tài).

第3步:下一輪次重新進行休眠判決，返回到第1步.

1.3 休眠 /喚醒模型的仿真實驗

定義節(jié)點的休眠率用D表示、活躍率用A表示［7］.設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)為N，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點數(shù)為n，D為休眠節(jié)點數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點數(shù)的比值:為活躍節(jié)點數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點數(shù)的比值:

為了消除隨機性，較好地反映出統(tǒng)計規(guī)律，仿真過程進行100次.節(jié)點的休眠概率包含了所有處于(0，1)間的概率值，仿真參數(shù)設(shè)置:休眠概率值的選取是從0.1到0.9，其間隔為0.1;由于節(jié)點長時間休眠會影響到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連通性，休眠輪次的仿真參數(shù)由1增加到5.

表1和表2計算了在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)一定的情況下，設(shè)置不同的休眠概率和休眠輪次，分別計算出休眠節(jié)點和活躍節(jié)點所占的比例.仿真過程分輪次進行，經(jīng)統(tǒng)計平均后，實驗數(shù)據(jù)見表1和表2.

表1 仿真100輪次后的節(jié)點休眠率D

表2 仿真100輪次后的節(jié)點活躍率A

仿真結(jié)果表明，休眠輪次相同而休眠概率不同時，由于節(jié)點的休眠概率增大，網(wǎng)絡(luò)中進入休眠狀態(tài)的節(jié)點數(shù)量增多，即相同x值的情況下，隨著p值的增加，全網(wǎng)的休眠率增加而活躍率降低;休眠概率相同而休眠輪次不同時，由于網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點的休眠輪次增加，從而使得網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點數(shù)量增多，即相同p值的情況下，隨著x值的增加，全網(wǎng)的休眠率增加而活躍率下降.

由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的標準可以用休眠率進行衡量，當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點總數(shù)固定時，休眠率越高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果越好［8］.在實際應(yīng)用中，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同需求，選擇合適的休眠概率和休眠輪次使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點得到合理地休眠，從而使網(wǎng)絡(luò)的生存期得到延長.

1.4 休眠 /喚醒模型的理論分析

由于節(jié)點相互輪換工作，休眠調(diào)度采用周期性調(diào)度方式［9］.將網(wǎng)絡(luò)的工作時間劃分成輪次，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的工作輪次按時間T進行周期性劃分，在每個輪次T開始，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點執(zhí)行休眠判決，如圖2所示.根據(jù)判決結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點在該輪次T剩余時間內(nèi)進行休眠或是保持活躍狀態(tài).

每一輪次使用休眠調(diào)度后，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處于休眠或活躍狀態(tài)，該輪次活躍節(jié)點和休眠節(jié)點個數(shù)滿足，其中N0為節(jié)點總數(shù)為活躍節(jié)點個數(shù)為休眠節(jié)點個數(shù).網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的任一輪次用tn表示，當休眠輪次為x時，在當前輪次執(zhí)行休眠判決后，處于活躍狀態(tài)的節(jié)點在下一輪次進行休眠判決，而處于休眠狀態(tài)的節(jié)點經(jīng)x輪次休眠后重新進行休眠判決.在tn輪次，經(jīng)過休眠判決休眠節(jié)點個數(shù)用表示，活躍節(jié)點的個數(shù)用表示，n的取值范圍為0＜n≤100.第一輪次休眠節(jié)點個數(shù)和活躍節(jié)點個數(shù)的表達式分別為:

采用遞推方式進行數(shù)學(xué)分析，當1≤x≤5，n＞(x+1)時，推導(dǎo)出每一輪次活躍節(jié)點個數(shù)和休眠節(jié)點個數(shù)的數(shù)學(xué)通式如下:

經(jīng)計算可知，理論模型和實驗?zāi)Ｐ托菝呗实南鄬φ`差范圍介于0.14% ～3.42%，活躍率的相對誤差范圍介于0.35% ～2.96%.

2 節(jié)點休眠 /喚醒 /死亡的狀態(tài)模型

上文提到的休眠/喚醒模型沒有涉及到能量消耗問題，在實際應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運行需要消耗能量.節(jié)點處于休眠狀態(tài)的能量消耗是最低的，因此應(yīng)該在保證足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的前提下，讓節(jié)點盡可能多地投入到低功耗休眠狀態(tài)，用于均衡節(jié)點的能量消耗，從而盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的生存時間.

2.1 節(jié)點休眠 /喚醒 /死亡模型

當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗完，節(jié)點就會失效，進入到死亡狀態(tài).在實際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有3種狀態(tài):休眠狀態(tài)、活躍狀態(tài)和死亡狀態(tài)，節(jié)點在3種狀態(tài)間的輪換可用休眠/喚醒/死亡模型來描述.圖3是節(jié)點3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換模型.基于休眠/喚醒模型提出了休眠/喚醒/死亡模型，與上述模型的不同點是:處于工作狀態(tài)的節(jié)點需要消耗能量.

該實驗?zāi)Ｐ椭校?jié)點的能量是均等的，每個節(jié)點的初始能量最大值為E0.其中，節(jié)點處于休眠狀態(tài)消耗能量(E0－0.2)/輪，處于活躍狀態(tài)消耗能量(E0－0.5)/輪.不論節(jié)點是處于活躍狀態(tài)或是休眠狀態(tài)，一旦能量值耗盡，節(jié)點隨之進入到死亡狀態(tài)，而節(jié)點的死亡狀態(tài)是不可逆的.

2.2 休眠 /喚醒 /死亡模型的仿真實驗

執(zhí)行休眠 /喚醒 /死亡算法，隨著節(jié)點能量的消耗，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由最初的活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變成3種狀態(tài)共存(如圖4(b)所示)，直至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點能量全耗盡.圖4(b)的仿真參數(shù)設(shè)置:

圖4中的黑色星號表示處于活躍狀態(tài)的節(jié)點，黑色空心圓表示處于休眠狀態(tài)的節(jié)點，黑色實心圓表示處于死亡狀態(tài)的節(jié)點.

2.3 性能分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期定義為從網(wǎng)絡(luò)建立直到首個節(jié)點或最后一個節(jié)點能量耗盡的時間，網(wǎng)絡(luò)生命周期的結(jié)束時間具體根據(jù)不同的應(yīng)用而確定，這取決于網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點是否還能繼續(xù)支持網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其功能［7］.可從單個節(jié)點平均存活時間與全網(wǎng)存活時間2個方面，分析休眠概率和休眠輪次對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的影響.

2.3.1 單個節(jié)點平均存活時間

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量節(jié)點構(gòu)成的，當網(wǎng)絡(luò)中有大量單個節(jié)點死亡時，會影響到網(wǎng)絡(luò)的性能.因此，我們分析單個節(jié)點在不同休眠概率和休眠輪次下的存活時間.單個節(jié)點存活時間可定義為，從仿真實驗開始，直到網(wǎng)絡(luò)中第一個節(jié)點死亡，即單個節(jié)點能量耗盡所經(jīng)過的工作輪次.圖5是在不同參數(shù)設(shè)置下，單個節(jié)點平均存活時間與休眠概率關(guān)系的仿真圖.

2.3.2 全網(wǎng)存活時間

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點密度高、數(shù)量多，當小部分節(jié)點死亡時，網(wǎng)絡(luò)仍能繼續(xù)完成任務(wù);而當越來越多的節(jié)點因能量耗盡而死亡之后，網(wǎng)絡(luò)的功能才逐漸無法持續(xù);當網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點全部進入到死亡狀態(tài)時，即是整個網(wǎng)絡(luò)完全進入到死亡狀態(tài)［7］.從仿真實驗開始，至網(wǎng)絡(luò)中最后一個節(jié)點能量耗盡所經(jīng)過的工作輪次，即全網(wǎng)存活的時間.圖6是在不同參數(shù)值設(shè)置下，全網(wǎng)存活時間與休眠概率關(guān)系的仿真圖.

圖6表明，隨著休眠概率和休眠輪次的增加，網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點的數(shù)量亦隨之增加，全網(wǎng)的能量消耗降低，從而網(wǎng)絡(luò)的存活時間得到延長.由于較大的休眠概率使網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點在存活過程中處于休眠狀態(tài)的次數(shù)相同成為一種可能，因此當休眠概率增大到一定值時，全網(wǎng)存活時間達到穩(wěn)定值.

3 結(jié)語

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命成為了優(yōu)先考慮的問題，休眠機制的采用，可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的能量浪費，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期.本文針對基于休眠/喚醒機制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存活狀態(tài)進行分析，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點休眠/喚醒機制的模型.在未考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通性的條件下，分析了休眠概率以及休眠輪次對網(wǎng)絡(luò)生存周期的影響.

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