1 引 言
 
      隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及硬件技術(shù)，特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，將感知、通信、計(jì)算能力集成在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)成為可能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱傳感器網(wǎng)絡(luò))就是由成千上萬(wàn)個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。

      它集感知、通信功能于一身，其目的就是實(shí)現(xiàn)對(duì)惡劣環(huán)境或者是人所不易到達(dá)的環(huán)境中各種參數(shù)(如溫度、濕度、目標(biāo)位置等)的監(jiān)測(cè)和對(duì)某些敏感數(shù)據(jù)的采集。傳感器網(wǎng)絡(luò)如今已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括用以分析遠(yuǎn)距離無(wú)人地區(qū)的環(huán)境情況(如依靠采集溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火警的監(jiān)測(cè))；將感知節(jié)點(diǎn)安裝在特定的交通工具上以分析本地區(qū)的通信流量并由此設(shè)計(jì)出從源點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最佳交通路線；軍事上可用于監(jiān)測(cè)、定位和跟蹤目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)；在高污染區(qū)還可以收集相關(guān)的信息以便于災(zāi)后重建。由于這些傳感器節(jié)點(diǎn)受自身規(guī)模的限制，而且能源有限，要給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量的節(jié)點(diǎn)重新補(bǔ)充能源幾乎是不可行的，這就需要考慮如何在能源有限的情況下最大限度地降低節(jié)點(diǎn)能耗以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)工作時(shí)間。

      2 準(zhǔn)備工作

　　傳感器節(jié)點(diǎn)按其功能可分為以下三個(gè)模塊

　?、俑兄K。假定數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生速率為r，則節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間的感知耗能為Psense=a3r，a3為一常數(shù)(單位為J／bit)；②通信模塊。給定發(fā)送節(jié)點(diǎn)u和接收節(jié)點(diǎn)v，發(fā)送數(shù)據(jù)的速率為r，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離為d。有Ptrans(u，v)=(a11+a2dk)r，Prec=a12r。Ptrans(u，v)表示節(jié)點(diǎn)u單位時(shí)間的傳輸能耗，Prec表示節(jié)點(diǎn)v單位時(shí)間的接收能耗。其中，k為路徑衰減指數(shù)(k一般取2或4)，而a11，a12和a2均為無(wú)線通信常數(shù)(其中a2的取值與k有關(guān))。③計(jì)算模塊。相比于感知模塊和通信模塊來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模塊能耗很小，通?？梢院雎圆挥?jì)。

　　本文假設(shè)：

　?、賯鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的場(chǎng)景下。②如圖1所示，E為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，而傳感器節(jié)點(diǎn)主要用于對(duì)指定目標(biāo)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)并將采集到的結(jié)果以多跳的方式傳輸給遠(yuǎn)端的收集節(jié)點(diǎn)B，這里我們認(rèn)為節(jié)點(diǎn)B的能量充分大，即不考慮節(jié)點(diǎn)B的能耗。假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N。③節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布在有限區(qū)域R內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為rt，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，即對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)u和v，若節(jié)點(diǎn)u可與節(jié)點(diǎn)v直接通信，則節(jié)點(diǎn)v也可與節(jié)點(diǎn)u直接通信，如圖1，節(jié)點(diǎn)的感知半徑為ds，即感知節(jié)點(diǎn)只有在距數(shù)據(jù)源ds之內(nèi)才能感知到它的存在。④傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的感知節(jié)點(diǎn)天線位于同一個(gè)水平線上，并且天線是全向的。⑤利用GPS技術(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)可獲取自己的位置信息，目前GPS的精度可達(dá)5 m左右。

　　由文獻(xiàn)[3]可知，給定一個(gè)二維空間R，傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑ds，能耗參數(shù)a11，a12，a2，a3和路徑衰變指數(shù)k，感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)量N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量E，并且假定數(shù)據(jù)源運(yùn)行軌跡遵循某個(gè)均勻分布的概率分布函數(shù)lsource(x，y)，則可得到網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間T的上限值為

      3 算法思想

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是以數(shù)據(jù)為中心的自組織網(wǎng)絡(luò)，但在以前的關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的研究中都是假定周圍環(huán)境是可靠的，即感知節(jié)點(diǎn)只有在能量完全耗盡時(shí)才會(huì)失效，這并未考慮環(huán)境對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的影響。

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于距數(shù)據(jù)源ds內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均能采集到數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因而如何保證這些節(jié)點(diǎn)盡可能的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行是我們所關(guān)注的問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題我們借鑒了容錯(cuò)冗余的概念引入了備份的感知節(jié)點(diǎn)，使得某個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的失效并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。因而在本文中，我們提出了一個(gè)基于備份的分布式算法以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)工作時(shí)間，仿真結(jié)果表明在節(jié)點(diǎn)失效環(huán)境下通過(guò)合理的控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量，該算法的持續(xù)工作時(shí)間要長(zhǎng)于文獻(xiàn)[3]中的方法。

　　4 算法描述

　　在算法的實(shí)際運(yùn)行中，可分為三個(gè)階段，分別為初始化階段、數(shù)據(jù)傳輸階段和任務(wù)接管階段。

　　在初始化階段，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要確定自身到收集節(jié)點(diǎn)B的最小跳數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)先置為工作態(tài)。收集節(jié)點(diǎn)首先以通信半徑rt廣播一個(gè)HOP消息。除收集節(jié)點(diǎn)之外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始跳數(shù)設(shè)置為無(wú)窮大。HOP消息的初始跳數(shù)設(shè)置為0。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到HOP消息后，它將檢查是否已經(jīng)接收過(guò)該消息。如果未曾收到過(guò)，則該節(jié)點(diǎn)將把發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息(包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID號(hào))放入其路由表中并把發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)為自己的上游節(jié)點(diǎn)，將HOP消息的跳數(shù)加1并將其值設(shè)置為自己的跳數(shù)，之后便以通信半徑rt將新的HOP消息轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)；否則(即某個(gè)節(jié)點(diǎn)以前曾收到HOP消息)該節(jié)點(diǎn)將退避一段時(shí)間后再發(fā)送該HOP消息。并且，該節(jié)點(diǎn)只會(huì)考慮在退避時(shí)間內(nèi)所收到的最小跳數(shù)的HOP消息。

　　經(jīng)過(guò)退避時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)將對(duì)所收到的HOP消息的跳數(shù)與節(jié)點(diǎn)以前曾保存的跳數(shù)進(jìn)行比較：如果前者比后者小于1，則節(jié)點(diǎn)將把發(fā)送者的信息也放人路由表中作為自己的另一個(gè)不同的上游節(jié)點(diǎn)；如果前者小于后者且二者之差大于1，則發(fā)送者將成為該節(jié)點(diǎn)的新的上游節(jié)點(diǎn)。相應(yīng)的，路由表中的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)以及消息跳數(shù)均需更新，修改后的HOP消息將繼續(xù)被該節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)；如果前者不小于后者，則節(jié)點(diǎn)將丟棄這新收到的HOP消息。注意在以上的描述中，節(jié)點(diǎn)僅在收到第1個(gè)HOP消息時(shí)才會(huì)立即進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這一策略的好處在于可以加快HOP消息的傳輸速率，也縮短了初始化階段的執(zhí)行延遲。另一方面，引入退避時(shí)間的好處在于可以讓節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)以便可以從其鄰居節(jié)點(diǎn)接收到更多的HOP消息。雖然較長(zhǎng)的退避時(shí)間會(huì)增加此階段的完成時(shí)間，但該方法是有效的，因?yàn)樵撾A段對(duì)靜止的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)只需執(zhí)行一次，并且也可以避免由于額外的轉(zhuǎn)發(fā)消息而增加的能耗。畢竟，能源問(wèn)題是傳感器節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源?？梢钥吹?，在初始化階段執(zhí)行之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將準(zhǔn)確的獲知自己的最小跳數(shù)以及其所有的上游節(jié)點(diǎn)。

　　當(dāng)指定要監(jiān)測(cè)的目標(biāo)出現(xiàn)后即進(jìn)入了數(shù)據(jù)傳輸階段。感知到該目標(biāo)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)利用信息交互盡可能的挑選出跳數(shù)最小且自身能量最大的節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)的感知節(jié)點(diǎn)，而其他感知到該目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn)，這些備份節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低節(jié)點(diǎn)能耗。在數(shù)據(jù)真正傳輸之前，真正的感知節(jié)點(diǎn)利用Rodoplu等人提出的MECN算法和節(jié)點(diǎn)的上游節(jié)點(diǎn)信息建立一條從源節(jié)點(diǎn)到收集節(jié)點(diǎn)B的最小能耗路徑。

      當(dāng)出現(xiàn)下述兩種情況之一時(shí)將進(jìn)入任務(wù)接管階段：①正常工作時(shí)(主動(dòng))的任務(wù)切換。此時(shí)，隨著感知節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，自身能耗也隨之下降，當(dāng)其無(wú)法再次完成數(shù)據(jù)的感知(或傳輸)任務(wù)時(shí)將主動(dòng)地發(fā)起任務(wù)接管的命令。②感知節(jié)點(diǎn)異常時(shí)的任務(wù)切換。由于正常運(yùn)行時(shí)所有的備份節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，因此并不能使用分布式系統(tǒng)中的心跳技術(shù)來(lái)對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。這里我們采用超時(shí)方法，即當(dāng)收集節(jié)點(diǎn)B在指定的時(shí)間間隔T內(nèi)無(wú)法收到來(lái)自目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，這就有可能存在感知節(jié)點(diǎn)失效的情況，此時(shí)收集節(jié)點(diǎn)B將會(huì)給傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出泛洪信息，利用定向擴(kuò)散的原理將備份節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)喚醒后重新進(jìn)行初始化操作。

　　當(dāng)距離數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)ds內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)均沒(méi)有足夠的能量可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給任意一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)工作時(shí)間將會(huì)終止。

      5 算法消息負(fù)載分析

　　本節(jié)中，從單個(gè)節(jié)點(diǎn)平均處理的消息角度出發(fā)，我們對(duì)所提出算法的消息負(fù)載進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

　　初始化階段：每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播的HOP消息數(shù)依賴于退避時(shí)間設(shè)置的大小?？梢钥吹饺绻吮軙r(shí)間足夠大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多廣播2個(gè)HOP消息：在節(jié)點(diǎn)從其鄰居節(jié)點(diǎn)收到第1個(gè)HOP消息后將廣播第1個(gè)HOP消息；而當(dāng)退避時(shí)間超時(shí)后將廣播第2個(gè)HOP消息。

　　數(shù)據(jù)傳輸階段：感知節(jié)點(diǎn)只需要感知到指定目標(biāo)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的廣播消息即可確定，即此階段節(jié)點(diǎn)只需廣播1個(gè)消息。

　　任務(wù)接管階段：正常工作時(shí)的任務(wù)接管節(jié)點(diǎn)只需廣播1個(gè)消息；同樣，異常時(shí)的任務(wù)接管節(jié)點(diǎn)只需發(fā)送1個(gè)來(lái)自于收集節(jié)點(diǎn)的泛洪消息(實(shí)際上該階段與初始化階段節(jié)點(diǎn)廣播HOP消息的過(guò)程正好相反，我們可以寄期望如果該步驟的退避時(shí)間設(shè)置恰當(dāng)?shù)脑?，大多?shù)節(jié)點(diǎn)廣播的次數(shù)之多為1次)?？梢?jiàn)，該階段每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多廣播1個(gè)消息。

　　總之，如果初始化階段和任務(wù)接管階段的退避時(shí)間設(shè)置適當(dāng)?shù)脑?，算法中傳感器?jié)點(diǎn)的消息負(fù)載最多為4個(gè)廣播消息。

      6 仿真結(jié)果

　　采用由Berkeley大學(xué)開(kāi)發(fā)的離散時(shí)間仿真工具Ns-2.29，假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻的分布在1500 m×1500 m的矩形范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為N(150≤N≤1500)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)置為2 J，其目的只是為縮短仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)問(wèn)，并不會(huì)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的行為產(chǎn)生任何變化。節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸半徑rt設(shè)置為50 m，節(jié)點(diǎn)的感知半徑ds設(shè)置為20 m，路徑衰減參數(shù)k為4，a3=50 nJ／bit，a11=45 nJ／bit，a12=135 nJ／bit，a2=0.001 pJ／bit／m4，數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生速率為1 bit／s，在節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用的路由協(xié)議采用無(wú)線自組網(wǎng)的AODV協(xié)議，應(yīng)用層的流量發(fā)生器采用CBR(constant bit rate)，大小為512 bit／s。為得到更為可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)每一種算法執(zhí)行100次，對(duì)每一次的實(shí)驗(yàn)，均產(chǎn)生10個(gè)隨機(jī)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終仿真結(jié)果通過(guò)取平均值得到，置信區(qū)間設(shè)為95％。

 　　在實(shí)際運(yùn)行中，考慮正常和失效(隨機(jī)模擬感知節(jié)點(diǎn)的失效)兩種情況下算法的性能。給定不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，將新算法與文獻(xiàn)[3]中的方法進(jìn)行比較，給出了實(shí)驗(yàn)中得到的仿真結(jié)果與由式(1)得到的理論值之間的比率，如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，在正常情況下，新算法的網(wǎng)絡(luò)生命期要小于文獻(xiàn)[3]中的理論值，這是因?yàn)橄啾扔谖墨I(xiàn)[3]，新算法中在運(yùn)行過(guò)程中傳感器節(jié)點(diǎn)有一部分能量消耗在了算法消息交換的執(zhí)行上；而在感知節(jié)點(diǎn)失效的情況下，可以看到當(dāng)150≤N≤550或者是N≥750時(shí)新算法的網(wǎng)絡(luò)生命期要小于文獻(xiàn)[3]中的理論值，原因在于當(dāng)150≤N≤550時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)過(guò)少，有的節(jié)點(diǎn)則既作為感知點(diǎn)又作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，所以此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間性能會(huì)下降得很快；而當(dāng)在N≥750時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的增多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的密度增大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，信道爭(zhēng)用、信道發(fā)生沖突的概率也會(huì)相應(yīng)增加。反過(guò)來(lái)也會(huì)給網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間帶來(lái)不利的影響。但是當(dāng)550≤N≤750時(shí)，本算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間要大于文獻(xiàn)[3]中的理論值，即新算法的網(wǎng)絡(luò)性能要優(yōu)于文獻(xiàn)[3]。因此，本文提出的分布式算法特別針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)失效情況下的處理方法是可行的。

　　圖3給出了算法在運(yùn)行過(guò)程中節(jié)點(diǎn)平均消息負(fù)載與時(shí)間的關(guān)系示意。由圖3可以看到隨著部署節(jié)點(diǎn)的增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均消息負(fù)載并沒(méi)有顯著的增加，這從另一方面驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)的算法可適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)；此外，還觀察到從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作直至到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最大的消息負(fù)載只有5個(gè)，因此該算法是有效的。

      7 結(jié) 論

　　為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)工作時(shí)間，提出了一個(gè)基于備份感知節(jié)點(diǎn)的分布式算法，實(shí)驗(yàn)證明了該算法在時(shí)間上有進(jìn)一步的提高，從而可以指導(dǎo)我們?cè)诂F(xiàn)有的情況下如何對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化管理從而提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。在今后工作中需要進(jìn)一步開(kāi)展的研究方向包括：

　?、俦疚乃岢龅乃惴ㄖ性诟兄?jié)點(diǎn)失效的情況下，由收集節(jié)點(diǎn)B主動(dòng)發(fā)起泛洪信息，將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通道的擁塞引起網(wǎng)絡(luò)性能的下降，并且網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的同一泛洪信息的現(xiàn)象，這將會(huì)占用節(jié)點(diǎn)寶貴的內(nèi)存資源。能否采用其他方法來(lái)避免這種不必要的通信開(kāi)銷和資源占用是今后研究的一個(gè)方向。

　　②在算法中，假定數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為一個(gè)且位置固定，今后需考慮當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)為多個(gè)且移動(dòng)情況下的分布式容錯(cuò)算法。

　　③傳感器網(wǎng)絡(luò)的算法都是與應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的，在某些情況下如果只使用一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的話，由于節(jié)點(diǎn)觀測(cè)事物角度的不同，將會(huì)影響數(shù)據(jù)采集結(jié)果的精確度，這就需要同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的合作以提高獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。如何在準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)能耗兩個(gè)方面進(jìn)行折衷考慮也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。