無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性能與壽命分析

房能沛

(廣東茂名幼兒師范?？茖W(xué)校 信息科學(xué)系，廣東 茂名 525024)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性能與壽命分析

房能沛

(廣東茂名幼兒師范?？茖W(xué)校 信息科學(xué)系，廣東 茂名 525024)

為了改善網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性能和延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)壽命，在最小代價(jià)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量分布、能耗均衡性能和壽命等進(jìn)行建模分析。首先確立研究的能耗模型和網(wǎng)絡(luò)模型，采用網(wǎng)絡(luò)壽命方程及其壽命終止條件的方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗期望、流量、能耗均衡性能、壽命等進(jìn)行推導(dǎo)和分析，以動(dòng)態(tài)監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)區(qū)域中導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量空洞的熱點(diǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡策略和路由優(yōu)化機(jī)制提供一種新的識(shí)別可時(shí)變性強(qiáng)和能耗率高的熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，以及評(píng)價(jià)分析網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能與壽命的方法。仿真結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗、數(shù)據(jù)流量、能耗均衡和網(wǎng)絡(luò)壽命的準(zhǔn)確評(píng)估。

能耗均衡； 壽命； 路由協(xié)議； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模監(jiān)測任務(wù)中[1]，如何設(shè)計(jì)適用于WSN的節(jié)能路由協(xié)議來最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期是WSN研究的重要問題[2]，而網(wǎng)絡(luò)能量是否均衡消耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期有著決定性的影響[3]。因此，為了更好地改善網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性能和延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)壽命，分析和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗、數(shù)據(jù)流量分布、能耗均衡性能以及網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)化評(píng)估模型是關(guān)鍵[4]。

Halder等[3]為了平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提出了一種利用定制的高斯分布模型來部署節(jié)點(diǎn)的平衡能量策略，但該方法未考慮到數(shù)據(jù)流量分布的動(dòng)態(tài)性以及能耗均衡的優(yōu)化評(píng)估。Tamandani等[2]和Heinzelman等[5]都提出了一種基于距離和能量有效的節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流量通信模型，以最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期和吞吐量，但缺少全網(wǎng)能耗均衡的優(yōu)化模型，使得網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)壽命延長得有限。Abd等[6]在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，利用進(jìn)化博弈理論，進(jìn)行全局的能耗均衡來延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但其前提未充分利用到網(wǎng)絡(luò)壽命的模型評(píng)價(jià)，存在僅延長網(wǎng)絡(luò)非穩(wěn)態(tài)壽命的現(xiàn)象。王昌征等[7]提出了一種基于幾何學(xué)概率的能耗估計(jì)模型，以節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，建立了基于半Markov鏈的節(jié)點(diǎn)能耗模型，該模型可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的準(zhǔn)確估計(jì)，但缺少能耗均衡和網(wǎng)絡(luò)壽命的評(píng)估模型。劉浩然等[8]提出了一種能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)演化模型，在建模過程中，將節(jié)點(diǎn)剩余能量與節(jié)點(diǎn)間距離的比值作為適應(yīng)度函數(shù)，但未考慮數(shù)據(jù)流量分布對(duì)能耗均衡的影響。王丙元等[9]和路綱等[10]都對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命進(jìn)行了詳細(xì)分析和評(píng)估，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性路由設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)維護(hù)提供依據(jù)，但缺少能耗均衡方面的評(píng)估模型。謝琳等[11]提出了多級(jí)能量異構(gòu)算法，根據(jù)通信負(fù)載分布特性給網(wǎng)絡(luò)部署初始能量異構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，以平衡各區(qū)域的能量消耗速率，緩解能量空洞問題，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，前提是要有適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)能耗、數(shù)據(jù)流量分布和能耗均衡的評(píng)估模型。

本文在最小代價(jià)路由協(xié)議(Minimum Cost Forwarding，MCF)[12]的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗期望、數(shù)據(jù)流量、能耗均衡、壽命等性能進(jìn)行推導(dǎo)和分析，以動(dòng)態(tài)監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)區(qū)域中導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量空洞的熱點(diǎn)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為改善網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能以及延長網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命為目標(biāo)的研究提供優(yōu)化模型評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。

1 模型定義

1.1 能耗模型

根據(jù)圖1無線通信模型[12]，本文的無線電傳播方式涉及自由空間模式(d≤150距離單位)，因此，發(fā)送節(jié)點(diǎn)N向距離為d的接收節(jié)點(diǎn)M傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)(Kbit)時(shí)，需要消耗的能量為

ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)=k(Eelec+eampdα)，

(1)

其中，ETx-elec是發(fā)射電路消耗的能量，ETx-amp是發(fā)射放大器消耗的能量，Eelec是發(fā)送或接收單位信息長度的電路能耗，eamp是信號(hào)放大器的放大倍數(shù)，無線電傳播方式常量α=2。如果d>150距離單位時(shí)，對(duì)應(yīng)的無線電傳播模式是多徑衰落信道模型，則物理常量α=4。d是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，信號(hào)傳輸距離越短能量消耗越少。

圖1 無線通信模型

傳感器節(jié)點(diǎn)M接收Kbit數(shù)據(jù)，需要消耗的能量為

ERx(k)=ERx-elec(k)=kEelec，

(2)

其中，ERx-elec是接收電路消耗的能量。由于計(jì)算、感知能耗相對(duì)通信能耗小，本文能耗模型忽略不計(jì)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 節(jié)點(diǎn)理想均勻分布

同時(shí)，假設(shè)：

(1)基站與所有節(jié)點(diǎn)在部署后都是靜止的；

(2)除基站外，所有節(jié)點(diǎn)同構(gòu)；

(3)節(jié)點(diǎn)的初始能量e0相同，基站能量無限；

(4)節(jié)點(diǎn)之間的無線通信對(duì)稱；

(5)所有節(jié)點(diǎn)的射頻RF均為全向發(fā)射，能根據(jù)通信距離來調(diào)節(jié)發(fā)射功率大??；

(6)節(jié)點(diǎn)每輪數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為f0。

理論計(jì)算時(shí)，規(guī)定數(shù)據(jù)包長度為Lmsg，協(xié)議信息包長度為LADV。

1.3 壽命模型

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息和有效數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)壽命LF(lifetime)有如下定義：

定義2[4]網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命定義為直至第1個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)共運(yùn)行的周期輪數(shù)，用LF(S)表示。

定義5 網(wǎng)絡(luò)信息有效壽命LF(Effect)定義為能正常收集網(wǎng)絡(luò)有效信息的周期輪數(shù)。

定義6 網(wǎng)絡(luò)壽命改進(jìn)方程：

或E·R=EN，

(3)

2 性能分析

2.1 能耗期望

在節(jié)點(diǎn)理想均勻分布網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N足夠大時(shí)，區(qū)域四角的節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)只有3個(gè)，除區(qū)域四角節(jié)點(diǎn)外其余區(qū)域邊界上的節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)只有5個(gè)，區(qū)域內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)有8個(gè)，則鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)期望為

在節(jié)點(diǎn)理想均勻分布網(wǎng)絡(luò)中，多跳路由協(xié)議最小代價(jià)路由協(xié)議(MCF)的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)hop與橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)相關(guān)，則區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)均值為

路徑上跳數(shù)為hop的節(jié)點(diǎn)i每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)平均被路徑上每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收1次、發(fā)送1次，直到基站，基站的能耗不考慮(已在網(wǎng)絡(luò)模型中假設(shè)基站能量是無限的)，路徑上共有hop-1個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，加上自身節(jié)點(diǎn)發(fā)送1次，那么跳數(shù)為hop的節(jié)點(diǎn)i發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)過程中共消耗了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)hop-1次接收能耗、hop次發(fā)送能耗，故穩(wěn)態(tài)S下每輪發(fā)送N·f0個(gè)數(shù)據(jù)(已在網(wǎng)絡(luò)模型中假設(shè)每節(jié)點(diǎn)每輪數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為f0)的全網(wǎng)能耗期望為

(4)

(5)

最小代價(jià)路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段的路徑數(shù)據(jù)流量f很大時(shí)，可展現(xiàn)其單個(gè)數(shù)據(jù)包能耗優(yōu)勢，此時(shí)發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗期望為

已知一輪內(nèi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量總數(shù)為N·f0，把式(5)代入式(4)并將結(jié)果除以單輪數(shù)據(jù)流量總數(shù)N·f0，就得到發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗期望：

(6)

穩(wěn)態(tài)S下每輪網(wǎng)絡(luò)中平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗能量為

2.2 流量分析

從圖3的最小代價(jià)路由協(xié)議產(chǎn)生的拓?fù)渎窂胶蛡溥x路徑可以推知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N足夠多時(shí)，節(jié)點(diǎn)理想均勻分布的理想環(huán)道分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，每層環(huán)道節(jié)點(diǎn)數(shù)Nhop遞增8，則有

Nhop=8hop，當(dāng)N>8時(shí)。

(8)

假設(shè)最小代價(jià)路由協(xié)議可通過備選路徑均衡調(diào)節(jié)各層環(huán)道節(jié)點(diǎn)流量，那么穩(wěn)態(tài)S下單輪內(nèi)第hop層環(huán)道節(jié)點(diǎn)平均匯聚流量：

(9)

(10)

圖3 節(jié)點(diǎn)理想均勻分布的理想環(huán)道分布

2.3 能耗均衡性能分析

網(wǎng)絡(luò)總能量為N·e0，2.2節(jié)計(jì)算出了穩(wěn)態(tài)S下各層環(huán)道節(jié)點(diǎn)的單輪平均流量分布，就能得到在穩(wěn)態(tài)S下網(wǎng)絡(luò)各層環(huán)道節(jié)點(diǎn)的單輪平均能耗速率：

(11)

穩(wěn)態(tài)S下，第k輪后第hop層環(huán)道的某節(jié)點(diǎn)i的剩余能量為

(12)

將式(11)代入式(12)，有

第k輪后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量為

(14)

將式(7)代入式(14)，有

(15)

則穩(wěn)態(tài)S下，第k輪后網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性為

(16)

將式(13)、式(15)代入式(16)，有

(17)

2.4 壽命分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，因多跳路由協(xié)議的流量匯聚作用，第1層環(huán)道節(jié)點(diǎn)流量多、能耗高，是失效節(jié)點(diǎn)最先出現(xiàn)的區(qū)域。因此，有穩(wěn)態(tài)壽命LF(S)：

(18)

(20)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)能夠理想地維持穩(wěn)態(tài)S直到消耗完其全部網(wǎng)絡(luò)能量后才壽命結(jié)束，那么有

(21)

(22)

3 仿真驗(yàn)證

表1 仿真環(huán)境參數(shù)配置

使用NS2和MATLAB對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗、流量、能耗均衡和壽命分析模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域大小為400×400，基站Sink位于區(qū)域中心，坐標(biāo)為(0,0)。假設(shè)除基站外，所有節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，使用全向天線，支持雙信道，部署后靜止，初始能量相同。仿真環(huán)境參數(shù)配置如表1所示。

3.1 均勻網(wǎng)絡(luò)仿真

圖4 均勻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渎窂綀D

圖4是由248個(gè)節(jié)點(diǎn)(不包含Sink基站)均勻部署在區(qū)域大小為400×400的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)均勻地部署在各層廣播區(qū)域環(huán)道中央內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行一輪后，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量分布如圖5。圖中，同一層環(huán)道里的每個(gè)節(jié)點(diǎn)匯入的數(shù)據(jù)流量相同，越靠近Sink基站的環(huán)道節(jié)點(diǎn)，其匯聚的數(shù)據(jù)流量越多，其特征，符合流量公式(10)的模型分析。

在圖5數(shù)據(jù)流量的匯聚沖刷下，各層環(huán)道節(jié)點(diǎn)的能量不斷地被消耗，如圖6所示。從圖中可以得出，同一層環(huán)道節(jié)點(diǎn)的能量消耗是均衡的，越靠近Sink節(jié)點(diǎn)的環(huán)道，其能耗率越大。在保持相同的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率情形下，越靠近Sink節(jié)點(diǎn)的環(huán)道，匯聚的數(shù)據(jù)流量越大，相應(yīng)地其能耗率越大，第1層環(huán)道的節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)的熱區(qū)，能量最先耗盡，符合能耗公式(11)以及網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性公式(17)的分析。

圖7是均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量曲面圖，其形狀像是被形狀如圖6的能耗火焰燃燒出一個(gè)整體坍塌下沉的均勻能量深坑。可以推測出，在保持相同的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率下，能量深坑終會(huì)整體繼續(xù)坍塌下沉，其底部將被燒穿。最靠近中央Sink節(jié)點(diǎn)的第1層環(huán)道各節(jié)點(diǎn)匯聚了其所在路徑的所有流量，是最熱的熱區(qū)，底部燒穿處發(fā)生在這里，能量最先耗盡，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)第一跳連通度全部丟失，壽命結(jié)束，符合壽命公式(18)。

圖5 均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量分布 圖6 均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗

圖7 均勻網(wǎng)絡(luò)的能量坍塌曲面圖

3.2 非均勻網(wǎng)絡(luò)仿真

圖8是一個(gè)由248個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在區(qū)域大小為400×400的非均勻網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和各種環(huán)境參數(shù)假設(shè)與均勻網(wǎng)絡(luò)的相同。

網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行一輪后，從圖8形成的拓?fù)渎窂娇梢钥闯觯負(fù)渎窂匠尸F(xiàn)出非均勻分布：在同一層環(huán)道里，有些節(jié)點(diǎn)的子樹路徑多，有些節(jié)點(diǎn)的子樹路徑少；有些節(jié)點(diǎn)靠近其父節(jié)點(diǎn)，有些節(jié)點(diǎn)相對(duì)遠(yuǎn)離其父節(jié)點(diǎn)。因此，同一層環(huán)道里的節(jié)點(diǎn)累積匯入的數(shù)據(jù)流量不均衡，如圖9，越靠近Sink基站的環(huán)道節(jié)點(diǎn)，相對(duì)同一路徑其他節(jié)點(diǎn)來說其匯聚的數(shù)據(jù)流量越多，即子樹路徑的最頂部父節(jié)點(diǎn)(除基站)的流量是該路徑中最大的；即使匯聚數(shù)據(jù)流量相同的節(jié)點(diǎn)，也可能因?yàn)樗鼈兎謩e到其父節(jié)點(diǎn)的通信距離不同而消耗的能量不同。圖9中各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量分布曲面圖顯示了這種非均勻特征，其形成機(jī)制是節(jié)點(diǎn)的具體地理分布特性、數(shù)據(jù)源產(chǎn)生方式和生成拓?fù)渎窂降耐ㄐ艡C(jī)制共同影響的結(jié)果。這種不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量分布是均勻網(wǎng)絡(luò)流量公式(10)的不規(guī)則變形。

圖8 非均勻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渎窂綀D 圖9 非均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量分布

由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地理分布不規(guī)則，并且在圖9數(shù)據(jù)流量的匯聚沖刷下，同一層和不同層的各節(jié)點(diǎn)的能量消耗是不均衡的，如圖10所示，而且越靠近Sink節(jié)點(diǎn)的環(huán)道節(jié)點(diǎn)，其能耗率往往越大，因此，各層環(huán)道尤其是最靠近Sink節(jié)點(diǎn)的環(huán)道里匯入最多流量的節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)，能量最先耗盡。這種不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的能耗和能耗均衡性能，不適合直接使用均勻網(wǎng)絡(luò)的能耗公式(11)和網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性公式(17)來分析，而應(yīng)是它們的變形公式，或者使用公式(3)的網(wǎng)絡(luò)壽命改進(jìn)方程來分析。

圖11是非均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量曲面圖，其形狀像被形狀如圖10的不規(guī)則火焰燃燒出一個(gè)整體坍塌下沉的不規(guī)則能量坑洼。相應(yīng)地，可以推測出，在保持相同的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率下，能量坑洼終會(huì)整體繼續(xù)坍塌下沉并被燒穿。燒穿處是最靠近中央Sink節(jié)點(diǎn)的第1跳環(huán)道里匯入最多流量的節(jié)點(diǎn)，能耗率最大，能量最先耗盡，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)在該處連通度丟失，造成網(wǎng)絡(luò)分割、網(wǎng)絡(luò)信息有效性降低，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命結(jié)束，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谛乱惠喡酚上轮匦律?，不斷循環(huán)，直到網(wǎng)絡(luò)非穩(wěn)態(tài)壽命也結(jié)束。因此，在進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或者將這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命的影響降到最低。這種不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的壽命，不適合用均勻網(wǎng)絡(luò)壽命公式(18)計(jì)算，適合使用公式(3)的網(wǎng)絡(luò)壽命改進(jìn)方程分析。

圖10 非均勻網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗 圖11 非均勻網(wǎng)絡(luò)的能量坍塌曲面圖

4 結(jié)束語

本文在最小代價(jià)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，確定研究的能耗模型和網(wǎng)絡(luò)模型，采用網(wǎng)絡(luò)壽命方程及其壽命終止條件的方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命建立了更完善的模型。并對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗期望、流量、能耗均衡性能、壽命等性能進(jìn)行推導(dǎo)、分析和仿真驗(yàn)證，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡策略和路由優(yōu)化機(jī)制，提供了一種新的識(shí)別可時(shí)變性強(qiáng)和能耗率高的熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)以及評(píng)價(jià)分析網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能與壽命的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本方法實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能耗、數(shù)據(jù)流量、能耗均衡和網(wǎng)絡(luò)壽命的準(zhǔn)確評(píng)估，為改善網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能以及延長網(wǎng)絡(luò)壽命為目標(biāo)的研究提供了模型優(yōu)化評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。

[1] DEVENDRA P,SANDIP N.A Literature Survey on Different Type of Energy Efficiently Routing Protocol in Wireless Sensor Network[J].International Journal of Scientific Engineering and Technology,2015,4(1):28-31.

[2] TAMANDANI Y K,BOKHARI M U.SEPFL routing protocol based on fuzzy logic control to extend the lifetime and throughput of the wireless sensor network[J].Wireless Networks,2016,22(2):1-7.

[3] HALDER S,GHOSAL A.Lifetime enhancement of wireless sensor networks by avoiding energy-holes with Gaussian distribution[J].Telecommunication Systems,2017,64(1):113-133.

[4] DIETRICH I,DRESSLER F.On the lifetime of wireless sensor networks[J].ACM Transactions on Sensor Network,2009,5(1):1-39.

[5] HEINZELMAN W R,CHANDRAKASAN A,BALAKRISHNAN H.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]//In Proceedings of the 33rd Hawail International Conference on System Sciences,2000(8):1-10.

[6] ABD M A,AL-RUBEAAI S F,SINGH B K,et al.Extending Wireless Sensor Network Lifetime With Global Energy Balan-ce[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(9):1-11.

[7] 王昌征,毛劍琳,付麗霞,等.幾何學(xué)概率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗估計(jì)模型[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(12):37-40.

[8] 劉浩然,孫雅靜,劉彬,等.能耗均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無標(biāo)度容錯(cuò)拓?fù)淠Ｐ蚚J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2016(39):35-49.

[9] 王丙元,劉錫盟,呂忠義.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)與壽命評(píng)估[J].中國民航大學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(2):32-35.

[10] 路綱,周明天,佘堃,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的壽命分析[J].軟件學(xué)報(bào),2009,20(2):375-393.

[11] 謝琳,彭艦,劉唐劉,等.基于多級(jí)能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞避免策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2016,36(6):1475-1479.

[12] YE F,CHEN A,LU S,et al.A scalable solution to minimum cost forwarding in large sensor networks[C]//Proceedings of the 10th International Conference on Computer Communications and Networks,2001,304-309.

[13] RAMACHANDRAN K K,SILDA B.A population based approach to model network lifetime in wireless sensor networks[J].Acm Sigmetrics Performance Evaluation Review,2005,33(2):21-23.

[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Analysis of energy balance performance and network lifetime for WSN

FANG Neng-pei

(Department of Information Science,Guangdong Preschool Normal College in Maoming,Maoming 525024,China)

In order to improve the energy balance performance and extend network stable lifetime,based on the minimum cost routing protocol,the study has analyzed the data flow distribution,energy balance performance and network lifetime for wireless sensor network. Firstly,we choose a common energy consumption model and a suitable network model for analysis,and give several network lifetime definitions,then we use network lifetime equations and end-of-life condition approaches to establish a model of network lifetime. Then this paper takes mathematical derivations and analysis for energy consumption expectation of node,data flow,energy balance performance,lifetime and other properties. This can dynamically monitor and find those hot nodes that cause network energy-holes,and provide a new method to distinguish hot nodes with high variability and high energy consumption,and evaluate energy balance performance and lifetime for energy balance strategy and routing optimization mechanism in wireless sensor networks. The simulation results show that the proposed method can accurately evaluate the network energy consumption,data flow,energy balance and network lifetime.

energy balance consumption; network lifetime; routing protocol; wireless sensor network

2096-3998(2017)03-0058-09

2016-11-15

2017-01-12

國家科學(xué)技術(shù)部星火計(jì)劃項(xiàng)目(GA780062)；廣東省學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(LYM_0032)

房能沛(1985—)，男，廣東省英德市人，廣東茂名幼兒師范?？茖W(xué)校助教，碩士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)。

TP393; TN925

A