無(wú)線傳感網(wǎng)的移動(dòng)與靜態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略

林德鈺， 王 泉， 劉伎昭

(西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西安 710071)

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無(wú)線傳感網(wǎng)的移動(dòng)與靜態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略

林德鈺， 王 泉， 劉伎昭

(西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西安 710071)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs(wireless sensor networks)存在的“sink鄰居問(wèn)題”，提出移動(dòng)與靜態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略(ESCMS). 該策略使靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)位于檢測(cè)區(qū)域的中心，移動(dòng)sink位于距離靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)一定距離處做快速移動(dòng)，到達(dá)固定站點(diǎn)后停留并采集數(shù)據(jù). 區(qū)域外圍節(jié)點(diǎn)將感知的數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)sink,而區(qū)域中心處的節(jié)點(diǎn)將感知的數(shù)據(jù)發(fā)送給靜態(tài)sink，整個(gè)監(jiān)控區(qū)域大部分?jǐn)?shù)據(jù)由于采用單跳傳輸方式從而減小節(jié)點(diǎn)的能耗. 相比于其他的只使用移動(dòng)sink策略，ESCMS由于靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)的存在可以減小傳輸距離，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期并提高了數(shù)據(jù)吞吐量. 在理論分析的基礎(chǔ)上證明了ESCMS可以有效地使得網(wǎng)絡(luò)生命期延長(zhǎng)至6倍多. 設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：使用ESCMS策略與使用靜態(tài)sink相比，可以將網(wǎng)絡(luò)生命期延長(zhǎng)至6倍，與僅采用移動(dòng)sink的GMRE策略相比，可以提升50%.

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；sink鄰居問(wèn)題；網(wǎng)絡(luò)生命期；移動(dòng)sink；節(jié)能策略

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs(wireless sensor networks)是由大量具有感知、處理以及路由功能的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]. 盡管與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相比而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)容量受到限制，但是它所具有的小體積、低成本使其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛[2]. 具體來(lái)說(shuō)，傳感器可以以密集鋪設(shè)方式組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、瀕危物種的跟蹤以及災(zāi)后安全救援等[1-3]. 大多數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供能，并且在網(wǎng)絡(luò)部署完畢之后一般不可能或難以給節(jié)點(diǎn)再充電或者補(bǔ)充能量[4-6]. 而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)或隔離，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸至sink節(jié)點(diǎn)，這對(duì)于以數(shù)據(jù)為中心的WSNs意味著網(wǎng)絡(luò)生命的終結(jié). 因此，如何減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言至關(guān)重要.

一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗主要在于數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)通信等方面，其中通信模塊所消耗的能量是最主要的[4]. 此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)多采用多跳傳輸，因而會(huì)使得sink周圍節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載明顯大于其他節(jié)點(diǎn)，這就造成了能量不均衡問(wèn)題，即“熱點(diǎn)問(wèn)題”[2，7-8]或“sink鄰居問(wèn)題”[5-7]. 因此，節(jié)約通信能耗以及盡可能使各個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗均勻是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的主要方法. 近年來(lái)，圍繞著節(jié)約能耗以及能量均衡問(wèn)題出現(xiàn)了一系列研究成果[2-15]. 為緩解“sink鄰居問(wèn)題”，可以利用WSN中的節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性[2-10]. 利用移動(dòng)代理[12-14]]或令移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)[3-10]周期性地沿著某一確定的或隨機(jī)軌跡運(yùn)動(dòng). 這樣，利用移動(dòng)代理或sink節(jié)點(diǎn)位置的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)能量均衡. 文獻(xiàn)[13]首次提出采用移動(dòng)代理將多跳傳輸變?yōu)閱翁鴤鬏? 這種方法雖然可以有效地減少能量的消耗，但這是以增加時(shí)延為代價(jià)的，顯然對(duì)于實(shí)時(shí)性應(yīng)用不太合適. 文獻(xiàn)[5-6，8，11]將移動(dòng)sink問(wèn)題抽象成線性規(guī)劃問(wèn)題，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量以及流量保護(hù)作為限制條件，謀求網(wǎng)絡(luò)生命期最大化. 文獻(xiàn)[12]則是以最小化網(wǎng)絡(luò)的最大能量消耗，并且也假設(shè)sink在固定的站點(diǎn)停留，然后以節(jié)點(diǎn)初始能量以及逗留時(shí)間等作為限制條件. 這種思路有個(gè)不足，在sink到達(dá)每一站停留時(shí)間的長(zhǎng)短要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蚨?jì)算較為復(fù)雜；同時(shí)sink節(jié)點(diǎn)每次逗留都以泛洪的方式將自身的位置信息通知各個(gè)節(jié)點(diǎn)，無(wú)形之中也增加了節(jié)點(diǎn)的能量消耗.

本文提出靜態(tài)sink與移動(dòng)sink相結(jié)合的策略ESCMS，即靜態(tài)sink位于網(wǎng)絡(luò)中心，收集監(jiān)控中心位置的數(shù)據(jù)，移動(dòng)sink圍繞靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)一定半徑做快速運(yùn)動(dòng)，并且在固定位置停留，收集一定范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù). 由于移動(dòng)sink運(yùn)動(dòng)速度快，以及靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)的存在，可減少單純采用動(dòng)態(tài)sink所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，從而增加了sink節(jié)點(diǎn)的吞吐量. 同時(shí)，也能避免單純使用靜態(tài)sink所帶來(lái)的“熱點(diǎn)問(wèn)題”. 相比于文獻(xiàn)[4，10，12]采用的多移動(dòng)sink節(jié)能策略，本文所采用的靜態(tài)與移動(dòng)sink相結(jié)合的策略(ESCMS)可以減少sink移動(dòng)控制的復(fù)雜性.

1 能耗模型及相關(guān)假設(shè)

1.1 能耗模型

本文采用文獻(xiàn)[2，4-5，14]所采用的一階無(wú)線電模型來(lái)描述傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗：

式中：erx和etx分別表示節(jié)點(diǎn)接收、發(fā)送單位bit數(shù)據(jù)所消耗的能量，Eelec表示發(fā)送與接收電路發(fā)送或接收單位bit數(shù)據(jù)所消耗的能量，εamp表示放大電路能耗, d表示傳輸距離，α代表衰減系數(shù). 一般而言，α取值可在2～4之間，本文控制節(jié)點(diǎn)傳輸半徑不大于87 m[9]，使其為2.

1.2 相關(guān)假設(shè)

1)所有傳感器節(jié)點(diǎn)均靜止，并且具有相同的初始能量，并將初始能量記為Einitial.

2)傳感器節(jié)點(diǎn)采用固定的傳輸半徑R，且所有傳感器節(jié)點(diǎn)均勻獨(dú)立地分布在半徑為l=3R(0

3)每個(gè)節(jié)點(diǎn)以相同的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)既能作為數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)又能作為數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn).

4)sink節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)相比具有無(wú)限數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)容量，以及具有無(wú)限制的能量.

5)sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度vM-sink，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度μ與發(fā)送速度Rt滿足一定條件時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)給數(shù)據(jù)收集帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì).

6)sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的路由重建的能耗忽略不計(jì).

7)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)合記為N，對(duì)于任意的節(jié)點(diǎn)i,j∈N，節(jié)點(diǎn)之間的距離記為d(i,j).

2 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略

2.1 數(shù)學(xué)模型

引理 采用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)sink相結(jié)合策略，與只采用靜態(tài)sink相比，網(wǎng)絡(luò)生命期將延長(zhǎng)至6倍.

證明 先討論靜態(tài)sink策略時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)的平均能耗. 考慮圖2所示的情形，根據(jù)1.1節(jié)的假設(shè)，在以sink為圓心，R為半徑的圓內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均可以經(jīng)過(guò)一跳將數(shù)據(jù)發(fā)送至sink. 將這些節(jié)點(diǎn)的集合記為NSink，NSink={i|d(i,sin k)≤R,i∈N}. 任意節(jié)點(diǎn)i∈NSink在發(fā)送自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的同時(shí)也將接受并轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自于外層區(qū)域的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù). 并且由于節(jié)點(diǎn)均以R為傳輸距離，所以只接收距自身距離為R的區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù). 如圖1所示，任選一小區(qū)域A1距離sink的距離為r(0

Er-A1=Eelec[(r+R)dθdr+(r+2R)dθdr)]，

Et-A1=(Eelec+d2)[rdθdr+(r+R)dθdr+ (r+2R)dθdr].

因此，網(wǎng)絡(luò)生命期為

(1)

圖1 只采用靜態(tài)sink的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在采用靜態(tài)sink(S-sink)與動(dòng)態(tài)sink(M-sink)結(jié)合的策略ESCMS如圖3所示，S-sink位于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹行奶帲?M-sink位于距離圓心2R處. 在第1.1節(jié)的假設(shè)前提下，由于M-sink節(jié)點(diǎn)以一定速度移動(dòng)并且傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)速率與傳輸速率滿足一定條件時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)給數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懣梢院雎?，所以每?dāng)sink節(jié)點(diǎn)到達(dá)?？奎c(diǎn)時(shí)，只有周圍的節(jié)點(diǎn)向其發(fā)送數(shù)據(jù). 具體來(lái)說(shuō)，圖2中灰色圓代表距離sink節(jié)點(diǎn)的距離為R，所以其中的節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)過(guò)一跳將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至sink，而斜線部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)則須經(jīng)過(guò)兩跳轉(zhuǎn)發(fā). 其中灰色密斜線部分的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)至移動(dòng)sink，而黑色稀疏斜線部分的感知數(shù)據(jù)發(fā)往靜態(tài)sink. 因斜線區(qū)域部分相對(duì)來(lái)說(shuō)小得多，所以大部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸都是單跳方式，從而節(jié)省了能量. 為了方便起見(jiàn)，將灰色密斜線部分的面積記為SM-sink，黑色稀疏斜線部分記為SS-sink. 由圖2可知

圖2 采用動(dòng)態(tài)sink的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

由于節(jié)點(diǎn)均勻分布，靜態(tài)sink的能耗負(fù)載比動(dòng)態(tài)sink高，所以這里用其周圍節(jié)點(diǎn)生命期來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)生命期. 此時(shí)靜態(tài)sink通信半徑為R以內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集合記為NM-sink，且NM-sink={i|d(i,M-Sink)≤R,i∈N}. 所以NM-sink接收能耗Er-M-sink為

發(fā)送能耗Et-M-sink為

此時(shí)網(wǎng)絡(luò)生命期為

(2)

顯然，由式(1)和式(2)可得TM-Network=6.03TNetwork，證畢.

2.2 移動(dòng)與靜態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略ESCMS

移動(dòng)與靜態(tài)sink相結(jié)合的策略如下：使用靜態(tài)sink(記為S-sink)與移動(dòng)sink(記為M-sink)，其中S-sink位于監(jiān)測(cè)區(qū)域中心處并且保持靜止. 距離S-sink節(jié)點(diǎn)距離小于R以及處于第二個(gè)圓環(huán)內(nèi)到M-sink節(jié)點(diǎn)距離小于R將數(shù)據(jù)發(fā)往S-sink. 同時(shí)M-sink位于距離S-sink節(jié)點(diǎn)2R處，如圖3所示. 此后，M-sink節(jié)點(diǎn)按順時(shí)針?lè)较蜓刂鴪D3示的六邊形運(yùn)動(dòng)，并每次到達(dá)一個(gè)頂點(diǎn)處則停留一段時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)，距離M-sink節(jié)點(diǎn)小于R或該距離大于R且處于第三個(gè)圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均與M-sink進(jìn)行通信. M-sink的逗留時(shí)間確定方法如下：

假設(shè)M-sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為vM-sink，則M-sink節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的周期TM-Sink表示為

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)率為μ，則這段時(shí)間內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)DM-sink為

假設(shè)M-sink在每個(gè)站點(diǎn)停留的時(shí)間為T，并且假設(shè)節(jié)點(diǎn)用于緩存數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量為S，則應(yīng)該滿足下列關(guān)系：

(3)

另外，假設(shè)節(jié)點(diǎn)以速率Rt發(fā)送數(shù)據(jù)至M-sink，根據(jù)數(shù)據(jù)量守恒可知

由此可得

(4)

由式(3)和式(4)可得

(5)

由(5)可以獲得M-sink的最小移動(dòng)速度.

若M-sink節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間達(dá)到T之后，它將廣播一條問(wèn)詢消息，接收到問(wèn)詢消息的節(jié)點(diǎn)若有數(shù)據(jù)尚未發(fā)送，則作出答復(fù). 否則，簡(jiǎn)單將問(wèn)詢消息丟棄. M-sink在沒(méi)收到答復(fù)消息時(shí)則準(zhǔn)備移動(dòng)到下一站點(diǎn). 圖3顯示M-sink的位置及其通信范圍，黑色虛線圓表示M-sink移動(dòng)過(guò)程中的幾個(gè)不同位置處的通信范圍. M-sink的移動(dòng)軌跡為灰色虛線六邊形，并且?？空军c(diǎn)為六邊形的頂點(diǎn). 此外，M-sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中不接收數(shù)據(jù).

最后，給出M-sink移動(dòng)時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響. 顯然，當(dāng)滿足傳感器節(jié)點(diǎn)在M-sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)期間采集的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于逗留期間收集的數(shù)據(jù)量時(shí)，M-sink移動(dòng)的時(shí)間帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，則

(6)

根據(jù)式(4)和式(6)可得

(7)

同時(shí)

(8)

即當(dāng)節(jié)點(diǎn)獲取速率和發(fā)送速率滿足式(7)和式(8)所示條件時(shí)，M-sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的影響可以忽略.

圖3 移動(dòng)與動(dòng)態(tài)sink相結(jié)合的節(jié)能策略(ESCMS)

Fig.3 Energy-saving strategy by combining mobile and static sink scheme

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 性能參數(shù)

采用NS2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立均勻地分布在為半徑l=100 m的區(qū)域內(nèi). 節(jié)點(diǎn)的初始能量Einitial為2 J，接收或者發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)電路所消耗的能量為50 nJ，εamp取值為13 pJ/bit/m2. vM-sink取值為40 m/s，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集速率μ以及發(fā)送速率Rt取值分別為80和1400 packet/s.

為了評(píng)價(jià)ESCMS的節(jié)能效率，這里定義如下幾組性能參數(shù).

網(wǎng)絡(luò)生命期：傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，因此網(wǎng)絡(luò)生命期對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要. 對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)生命期也不一樣. 為了使本算法具有普適價(jià)值，本文提供如下幾個(gè)參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)生命期的標(biāo)準(zhǔn).

首節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)間：表示網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間，記為the time when First Node Dies (FND).

半數(shù)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)間：指網(wǎng)絡(luò)中有一半節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間，記為the time when Half of the Nodes Die (HND).

所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)間：監(jiān)測(cè)區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間，記為the time when the Last Node Dies (LND). 顯然，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡，WSNs的數(shù)據(jù)采集功能隨之喪失，這必然意味網(wǎng)絡(luò)生命期的終結(jié).

存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量曲線：WSN中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間的變化情況，這能直觀的反映網(wǎng)絡(luò)的生命期. 比較節(jié)點(diǎn)數(shù)量曲線可以直觀地比較在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況.

此外，因?yàn)閃SNs的中心任務(wù)就是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定義了如下指標(biāo)來(lái)反映ESCMS的性能.

sink節(jié)點(diǎn)吞吐量：sink從監(jiān)測(cè)區(qū)域接收的數(shù)據(jù)量，記為the Throughput of the Sink (TS). WSNs的應(yīng)用主要建立在sink接收的數(shù)據(jù)之上，因而比較吞吐量具有實(shí)際意義. 另外，為了較好地反映能量效率，提出一個(gè)相對(duì)于能量耗散的吞吐量的概念，即the Throughput of the sink Against Energy consumed(TAE). TAE反映了在相同的能耗下，sink節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)，顯然該指標(biāo)可以很好地評(píng)價(jià)能量效率.

最后將仿真結(jié)果與靜態(tài)sink策略(記為S-sink)、移動(dòng)sink策略進(jìn)相比較. 文獻(xiàn)[5]顯示該策略可以將網(wǎng)絡(luò)生命期延長(zhǎng)至4倍. 所以這里的移動(dòng)sink策略采用文獻(xiàn)[5]中的GMRE策略(記為GMRE).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4給出了分別在靜態(tài)sink、動(dòng)態(tài)sink以及ESCMS策略下的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì). 其中靜態(tài)采用多跳傳輸，而移動(dòng)sink場(chǎng)景采用文獻(xiàn)[5]中所采用的GMRE策略. 三種策略相應(yīng)的曲線分別如圖4所示. 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，三種策略在圖中分別記為S-sink、GMRE以及ESCMS. 從圖4可以看出，三者的FND分別為385、1530以及2250. ESCMS的FND分別是S-sink的5.84倍，是GMRE的1.47倍. ESCMS的HND是S-sink、GMRE的5.66、2.08倍，LND比關(guān)系分別是5.74以及1.39. 即使用ESCMS與S-sink相比可將網(wǎng)絡(luò)生命期延長(zhǎng)約6倍，以及比移動(dòng)sink提升約50%. 這與第2節(jié)的討論基本吻合，同時(shí)注意到由于移動(dòng)sink所帶來(lái)的路由重建開(kāi)銷，而這部分開(kāi)銷理論證明中并未予以考慮，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果值比理論值偏低. 圖5更為直觀地體現(xiàn)了三種策略下，在使用3.1節(jié)所定義的生命期定義的對(duì)比圖. 顯然，ESCMS的能量效率很顯著.

Fig.4 The variation of the number of nodes alive with simulation time

圖6顯示了三種情形網(wǎng)絡(luò)能耗隨時(shí)間的變化曲線. 網(wǎng)絡(luò)初始總能量為100*2 J，初始狀態(tài)下，三者的能耗均為0. 隨著時(shí)間推移，S-sink的網(wǎng)絡(luò)能量耗散速率最快，這從其曲線斜率最大可以看出. 同時(shí)GMRE居中，而ESCMS最低. 這是因?yàn)椋琒-sink策略下“sink鄰居問(wèn)題”無(wú)法解決，從而導(dǎo)致能耗最快，同時(shí)，GMRE雖然在移動(dòng)sink的過(guò)程中使“sink鄰居問(wèn)題”得以緩解，但因?yàn)槎嗵鴤鬏?，因而能耗較快. 而本文的ESCMS策略采用靜態(tài)sink與移動(dòng)sink相結(jié)合，有效地緩解了“sink鄰居問(wèn)題”，同時(shí)，由于多采用單跳通信，所以其能量消耗速率最低，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命期.

圖7顯示三種策略下sink節(jié)點(diǎn)接受的數(shù)據(jù)總量變化曲線. 從圖7可以看出：盡管S-sink的曲線較短(由于其網(wǎng)絡(luò)生命期最短)，然而相同時(shí)間內(nèi)其數(shù)據(jù)量高于GMRE以及ESCMS策略，這是由于后兩者移動(dòng)sink，使得路由重建，同時(shí)數(shù)據(jù)暫緩發(fā)送所導(dǎo)致. 相對(duì)來(lái)說(shuō)，ESCMS所帶來(lái)的影響最大，因?yàn)閭鞲泄?jié)點(diǎn)均等sink移動(dòng)到距離在一定區(qū)域才將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送. 但是，由于其生命期的有效延長(zhǎng)，最終所能接受的數(shù)據(jù)總量是最高的. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，ESCMS的數(shù)據(jù)總量是S-sink的4.63倍，并且是GMRE的1.33倍. 即ESCMS相對(duì)于前兩者可以分別使數(shù)據(jù)收集量提高363%以及33%. 圖8顯示了三者的sink節(jié)點(diǎn)相對(duì)于能量耗散百分比的吞吐量(TAE). 這個(gè)指標(biāo)可以很好地反映出三種策略的能量效能，顯然，和另外兩者相比，ESCMS在消耗相同能量時(shí)，吞吐量遠(yuǎn)大得多，這說(shuō)明ESCMS具有較高的能量效率.

圖6 網(wǎng)絡(luò)總能耗變化曲線

圖7 sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收量

圖9顯示了在網(wǎng)絡(luò)半徑時(shí)，三者的FND對(duì)比圖. 顯然，S-sink的FND值隨著網(wǎng)絡(luò)半徑的增大而減小，這是由于隨著網(wǎng)絡(luò)半徑增大，跳數(shù)增多而加劇了“sink 鄰居問(wèn)題”. 而GMRE較為穩(wěn)定，同時(shí)ESCMS在半徑小于250之前，一直比較穩(wěn)定，但在250之后FND下降，但一直高于前兩者. 這是由于隨著半徑的增大，有些節(jié)點(diǎn)必須采用多跳傳輸，從而能耗較快. 這表明：ESCMS適用于半徑小于250的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，同時(shí)整體上，采用ESCMS的能效高于僅僅采用靜態(tài)sink或動(dòng)態(tài)sink的策略.

圖8 sink相對(duì)能量耗散百分比的吞吐量(TAE)

圖9 網(wǎng)絡(luò)生命期與網(wǎng)絡(luò)半徑的關(guān)系

Fig.9 The relationship between the network lifetime and the network radius

4 結(jié) 論

靜態(tài)和移動(dòng)sink相結(jié)合的節(jié)能策略ESCMS，可以有效節(jié)約能量并將WSN的生命期延長(zhǎng)至6倍. 仿真證實(shí)，ESCMS與靜態(tài)sink相比，可將生命期延長(zhǎng)至5.84倍；同時(shí)，與移動(dòng)sink策略GMRE相比，生命期可以提升50%. 另外，sink接收的數(shù)據(jù)總量方面，ESCMS是靜態(tài)sink的4.63倍以及GMRE的1.33倍.

本文給出的ESCMS策略是在給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，M-sink節(jié)點(diǎn)按照固定的移動(dòng)路徑的一種減少能量消耗不均從而達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期目的的策略. 這種方法可以進(jìn)一步推廣到一般拓?fù)浠蛘吒蟮臋z測(cè)環(huán)境中，只要控制M-sink的移動(dòng)速率，或者增設(shè)M-sink節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，同時(shí)，使得控制內(nèi)層和外圍M-sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度即可保持本策略的高能效特性.

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(編輯 王小唯 苗秀芝)

Energy-saving strategy by combining mobile and static sink schemes for wireless sensor networks

LIN Deyu, WANG Quan, LIU Jizhao

(School of Computer Science and Technology, Xidian University, Xi’an 710071, China)

An Energy-saving Strategy by Combining Mobile and Static (ESCMS) sink scheme is proposed focusing on the well-known issue “Sink’s Neighbor Problem” existing in Wireless Sensor Networks. The static sink locates at the center of the monitor area, while the mobile sink does fast circle motion centering on the static one with a certain radius and sojourns in the fixed stations to receive packets from its adjacent sensor nodes. The nodes deployed at the edge of the monitor area transmit their sensed data to the mobile sink, while the ones lying in the center send their data to the static sink. Thus the energy consumption is cut down because the data is mostly transmitted via one-hop fashion. Meanwhile, with the help of the static sink, the transmission distance would be reduced compared with other strategies with only mobile sink adopted, thus the lifetime of network is extended and the throughput is increased. ESCMS is proved to be a higher energy-efficient scheme which increases the network lifetime more than sixfold based on theoretical analyses. Extensive simulation experiments are conducted and the comparisons are made. The results show that the lifetime of network is extended approximately to be 6 times as long as that of static sink strategy. Besides, it is prolonged by 50% when being compared with that of a mobile-sink-used-only scheme GMRE.

wireless sensor networks; Sink’ neighbor problem; network lifespan; mobile sink; energy-efficient strategy

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.11.025

2015-09-21

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTCXSF-01)；國(guó)家自然科學(xué)基金(6157238)

林德鈺(1988—)，男，博士研究生； 王 泉(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

王 泉， qwang@xidian.edu.cn

TP393

A

0367-6234(2016)11-0162-07