無線傳感器網(wǎng)絡技術概論課件：無線傳感器網(wǎng)絡管理技術

無線傳感器網(wǎng)絡管理技術7.1無線傳感器網(wǎng)絡管理概述7.2網(wǎng)絡拓撲結構管理系統(tǒng)7.3能量管理思考題

7.1無線傳感器網(wǎng)絡管理概述

本節(jié)重點討論無線傳感器網(wǎng)絡管理面臨的問題、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的設計要求以及網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的分類。

7.1.1無線傳感器網(wǎng)絡管理面臨的問題

無線傳感器的網(wǎng)絡管理是指對網(wǎng)絡的運行狀態(tài)進行監(jiān)測控制，使其能夠有效、安全、可靠、經(jīng)濟地提供服務，即監(jiān)督、組織和控制網(wǎng)絡通信服務和信息處理所必需的各種活動的總稱。也就是說，網(wǎng)絡管理是控制一個復雜的計算機網(wǎng)絡使其具有最高的效率和生產(chǎn)力的過程。

在無線傳感器網(wǎng)絡研究的初期，其重點集中在諸如MAC協(xié)議、路由協(xié)議、時間同步和定位等基本網(wǎng)絡技術上，而它的管理技術在很長一段時間內(nèi)被忽視。隨著無線傳感器網(wǎng)絡研究和應用的深入，研究者越來越重視無線傳感器網(wǎng)絡管理的重要性。無線傳感器網(wǎng)絡包含的節(jié)點數(shù)量多、應用環(huán)境復雜、網(wǎng)絡資源有限，為了保證其具有最高的效率和最可靠的工作性能，引入網(wǎng)絡管理是非常有必要的。

對于無線傳感器的網(wǎng)絡管理來說，它和網(wǎng)絡本身一樣，也有一些特殊的需求。在設計和配置無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)之前，需要全面了解系統(tǒng)配置環(huán)境的特點，確定系統(tǒng)的理想操作特性，從而闡明網(wǎng)絡管理框架中的關鍵需求或特征。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡管理，無線傳感器網(wǎng)絡的管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

(1)無線傳感器網(wǎng)絡的資源極其有限，節(jié)點的能量、處理能力、內(nèi)存大小、通信帶寬等都比一般的網(wǎng)絡要低，特別是傳感器節(jié)點攜帶的能量非常有限，其存儲能力和運算能力也十分有限。同時，無線通信易受干擾，網(wǎng)絡拓撲也因鏈路不穩(wěn)定、節(jié)點資源耗盡、物理損壞等原因而經(jīng)常變化。這些特點要求無線傳感器網(wǎng)絡管理必須充分考慮資源的高效利用和高容錯特性，即要求無線傳感器網(wǎng)絡管理做到高效率、低能耗。

(2)無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構與應用環(huán)境密切相關，而其有限的資源又使其不可能像傳統(tǒng)網(wǎng)絡那樣制造出適應多種應用的系統(tǒng)。但是，為每一個應用設計專用的系統(tǒng)代價太大，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡的管理模型必須能適應不同的應用，并且在不同的應用間進行移植時修改的代價最小，即具有一定的通用性。因此，如果無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)能根據(jù)應用環(huán)境，合理地分配資源和優(yōu)化系統(tǒng)，那將大大降低無線傳感器網(wǎng)絡應用的門檻。

(3)由于資源限制以及與應用環(huán)境的密切相關性，無線傳感器網(wǎng)絡表現(xiàn)為動態(tài)網(wǎng)絡，最為明顯的就是網(wǎng)絡拓撲變化頻繁，能量耗盡或者人為因素可以導致節(jié)點停止工作，同時無線信道受環(huán)境影響很大，這些都讓網(wǎng)絡拓撲不斷發(fā)生變化，這些變化使得網(wǎng)絡故障在無線傳感器網(wǎng)絡中是一種常態(tài)，這在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中是不可想象的。因此，無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)應能及時收集并分析網(wǎng)絡狀態(tài)，并根據(jù)分析結果對網(wǎng)絡資源進行相應的協(xié)調和整合，從而保證網(wǎng)絡的性能。

(4)異構化是無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的一個新動向。所謂異構無線傳感器網(wǎng)絡，是指網(wǎng)絡中的節(jié)點在硬件資源和能量儲備上不是完全平等的，而是存在能力較強和較弱的節(jié)點。這就要求管理系統(tǒng)充分考慮這些節(jié)點的特點，合理分配任務，從而達到系統(tǒng)效率的最大化。

(5)無線傳感器網(wǎng)絡大多按照無人看管的原則部署。而在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的部署則是事先規(guī)劃好的，比如每個網(wǎng)絡元素(如路由器、交換機等)的位置，網(wǎng)絡元素和資源的維護也由專門的工程師來完成。而無線傳感器網(wǎng)絡一旦部署，基本上依靠自我維護，這對無線傳感器網(wǎng)絡的管理提出了更高的智能要求。

以上特征說明，無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)要根據(jù)網(wǎng)絡的變化動態(tài)調整當前運行參數(shù)的配置以優(yōu)化性能；監(jiān)視自身各組成部分的狀態(tài)，調整工作流程來實現(xiàn)系統(tǒng)預設的目標；具備自我故障發(fā)現(xiàn)和恢復重建的功能，即使系統(tǒng)的一部分出現(xiàn)故障，也不影響整個網(wǎng)絡運行的連續(xù)性。

7.1.2無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計要求

按照以上所述，在無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的設計中，應該考慮如下因素：

(1)節(jié)省能量。即無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)必須進行輕量級操作，不能過多干擾節(jié)點的運行，以降低功耗，延長網(wǎng)絡壽命。

(2)健壯性和適應性。即無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)應該能夠及時發(fā)覺并適應網(wǎng)絡狀態(tài)(拓撲、節(jié)點能量等)的變化，具有一定的自我配置和自我修復的功能。

(3)伸縮性。無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型必須具有一定的伸縮性，以適應相應的管理功能，同時還要考慮內(nèi)存限制。

(4)控制功能。為了更好地維護網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)還應該對網(wǎng)絡有一定的控制功能，例如各個節(jié)點上的傳感器開關、采樣頻率的設置、射頻的開關等。

(5)可擴展性。根據(jù)應用場景的不同，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點個數(shù)變化很大。因此其管理系統(tǒng)應該具有一定的可擴展性，能應對不同規(guī)模的網(wǎng)絡。

7.1.3無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的分類

無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)可以是一個框架、協(xié)議或者算法，它們的實現(xiàn)細節(jié)、基本架構等各不相同。為了更好地研究無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，很有必要對其進行分類。在對傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)進行分類之前，首先簡單說明傳感器網(wǎng)絡管理的控制結構。按照管理信息的收集方式以及通信策略的不同，控制結構可分為集中式、分布式和層次式三種。

集中式網(wǎng)絡管理結構指的是網(wǎng)絡的管理依賴于少量的中心控制管理站點，這些管理站點負責收集網(wǎng)絡中所有節(jié)點的信息，并控制整個網(wǎng)絡。集中式管理結構的優(yōu)點是實現(xiàn)難度較低。但是，它要求管理站點具有很強的處理能力。因此，在大規(guī)模和動態(tài)網(wǎng)絡中，管理站點往往成為網(wǎng)絡性能和管理的瓶頸，收集管理站點數(shù)據(jù)的開銷很大，而且當管理站點出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡出現(xiàn)分裂時，網(wǎng)絡就會完全或者部分失去控制管理能力。此外，集中式管理結構中，“管理智能”只能在管理站點中，網(wǎng)絡中的絕大部分設備在出現(xiàn)問題時只能等待管理站點的指示，而不能實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點間通過局部直接協(xié)商達到自適應調整的功能。

層次式網(wǎng)絡管理結構指的是在網(wǎng)絡中設置有若干個中間控制管理站點實現(xiàn)管理任務，每個中間管理站點都有其管理范圍，負責其管理范圍內(nèi)的信息收集并送交上級管理站點，同級管理站點之間不進行通信。層次式網(wǎng)絡管理結構將“管理智能”進行了一定程度的下放。因此，它的擴展性和自適應性要優(yōu)于集中式網(wǎng)絡管理結構。

分布式網(wǎng)絡管理結構則指網(wǎng)絡具有多個控制管理站點，每個管理站點都只管理各自的子網(wǎng)(甚至僅僅是一個節(jié)點)，管理站點之間進行信息交互，以完成網(wǎng)絡管理任務。在分布式管理結構下，每個子網(wǎng)甚至每個節(jié)點都有一定的“管理智能”，它的擴展性和自適應性要優(yōu)于上面兩種架構，但是它的實現(xiàn)也是最復雜的。

相對應地，按照控制管理結構進行分類，無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的架構可分為以下三種：

(1)集中式架構。Sink節(jié)點(匯聚節(jié)點)作為管理者，收集所有節(jié)點信息并控制整個網(wǎng)絡。

(2)分布式架構。即在無線傳感器網(wǎng)絡中有多個管理者，每個管理者控制一個子網(wǎng)，并與其他管理者直接通信，協(xié)同工作以完成管理功能。

(3)層次式架構。它是集中式架構和分布式架構的混合，采用中間管理者來分擔管理功能，但是這些站點之間不能直接通信，每個中間管理者負責管理它所在的子網(wǎng)并把相關信息從子網(wǎng)發(fā)給上層管理站點，同時把上層管理站點的網(wǎng)關動作傳達給它的子網(wǎng)。

迫于資源限制，在無線傳感器網(wǎng)絡中，普通節(jié)點和管理節(jié)點之間不可能進行頻繁的交互、診斷和配置工作，而有選擇地收集網(wǎng)絡狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息適時地采取一定的針對措施，這相對來說較為經(jīng)濟。因此，網(wǎng)絡監(jiān)測在無線傳感器網(wǎng)絡管理中就顯得非常重要，根據(jù)采用的監(jiān)測方式不同，無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)可以進行如下分類：

(1)被動式監(jiān)測。即管理系統(tǒng)只是被動地或者在管理人員發(fā)出查詢命令時才收集并記錄網(wǎng)絡狀態(tài)信息，記錄的數(shù)據(jù)可供網(wǎng)絡管理人員作事后分析。

(2)反應式監(jiān)測。即管理系統(tǒng)收集網(wǎng)絡狀態(tài)信息以監(jiān)測預先設定的相關事件是否發(fā)生，并自適應地根據(jù)監(jiān)測結果對網(wǎng)絡進行重新配置。

(3)先應式監(jiān)測。即管理系統(tǒng)主動地查詢并分析網(wǎng)絡狀態(tài)，監(jiān)測相關事件的發(fā)生，并采取相應動作，以維護網(wǎng)絡性能。

7.2網(wǎng)絡拓撲結構管理系統(tǒng)

7.2.1網(wǎng)絡拓撲結構管理系統(tǒng)概述

在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，因而它的計算能力和通信能力十分有限，除了要設計高能效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應用層協(xié)議之外，還要設計優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲控制機制。對于自組網(wǎng)而言，網(wǎng)絡拓撲控制對網(wǎng)絡性能影響很大。良好的拓撲控制結構不僅能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，也能為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網(wǎng)絡的工作時間。所以，拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個基本問題。

雖然無線傳感器網(wǎng)絡對節(jié)能的要求遠高于自組網(wǎng)絡，但拓撲控制的思想同樣適用于無線傳感器網(wǎng)絡。有研究表明，無線收發(fā)器在接收數(shù)據(jù)包和待機狀態(tài)時同樣需要較多的能量。所以，在無線傳感器網(wǎng)絡中，理想的節(jié)能方案應該是盡可能地關閉冗余節(jié)點的無線收發(fā)器。因此，無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲管理的目的是使網(wǎng)絡內(nèi)有“合適的”節(jié)點處于激活狀態(tài)以保證網(wǎng)絡的連通性，使暫時不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點處于休眠狀態(tài)。拓撲管理應盡可能地將數(shù)據(jù)中繼任務均衡地分布在所有節(jié)點上，以達到網(wǎng)絡整體節(jié)能的目的。此外，拓撲管理還要在部分節(jié)點失效或有新節(jié)點加入的情況下，保證網(wǎng)絡能正常工作。

從以上分析來看，無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結構控制與優(yōu)化具有以下五個方面的

意義：

(1)影響整個網(wǎng)絡的工作時間。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡設計必須要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡連通度和覆蓋度的情況下，盡量高效合理的使用網(wǎng)絡能量，以延長整個網(wǎng)絡的工作時間。

(2)為路由協(xié)議提供基礎。在傳感器網(wǎng)絡中，只有活動的節(jié)點才能夠進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，而拓撲控制可以確定哪些節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，同時確定節(jié)點之間的鄰居關系。

(3)影響數(shù)據(jù)融合。傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)融合是指傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點，由骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并把融合結果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點。而骨干節(jié)點的選擇是拓撲控制的一項重要內(nèi)容。

(4)減少節(jié)點間通信干擾，提高網(wǎng)絡通信效率。傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點通常密集部署，如果每個節(jié)點都以大功率進行通信，那么會加劇節(jié)點之間的干擾，降低通信效率，并造成節(jié)點能量的浪費。另一方面，選擇太小的發(fā)射功率又會影響網(wǎng)絡連通度，所以拓撲控制中的功率控制技術是解決這一矛盾的途徑之一。

(5)彌補節(jié)點失效的影響。傳感器節(jié)點可能部署在惡劣的環(huán)境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡拓撲結構具有魯棒性(指控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)攝動下，如結構、大小等，維持某些性能的特性)以適應這種情況。

按照研究方向，傳感器網(wǎng)絡拓撲結構主要可以分為分簇層次型拓撲結構和功率控制的拓撲結構。分簇層次型拓撲結構主要利用分簇機制讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理與轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關閉通信模塊進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。功率控制的拓撲結構主要是調節(jié)網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡連通度的前提下，均衡節(jié)點的單跳可達鄰居數(shù)目。

7.2.2分簇層次型拓撲結構

在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線傳感器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀態(tài)和收發(fā)狀態(tài)消耗的能量相當，所以只有關閉節(jié)點的通信模塊，才能大幅度降低無線通信模塊的能量開銷?？紤]利用一定的機制選取某些節(jié)點作為骨干網(wǎng)的節(jié)點，打開其通信模塊，同時關閉非骨干節(jié)點的通信模塊，由骨干節(jié)點構建一個網(wǎng)絡來負責數(shù)據(jù)的路由轉發(fā)。這樣既保證原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大程度上節(jié)省了節(jié)點能量。在此拓撲結構中，網(wǎng)絡中的節(jié)點可以分為骨干網(wǎng)節(jié)點和非骨干網(wǎng)節(jié)點。

骨干網(wǎng)節(jié)點對周圍的非骨干網(wǎng)節(jié)點進行管轄。這類算法將整個網(wǎng)絡劃分為相連的區(qū)域，一般又稱為分簇算法。骨干網(wǎng)節(jié)點是簇頭節(jié)點，非骨干網(wǎng)節(jié)點是簇內(nèi)節(jié)點。由于簇頭節(jié)點需要協(xié)調簇內(nèi)節(jié)點的工作，負責數(shù)據(jù)的融合和轉發(fā)，能量消耗相對較大，所以分簇算法通常采用周期性地選擇簇頭節(jié)點的做法以均衡網(wǎng)絡中的節(jié)點能量消耗。

1．LEACH算法

LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy，LEACH)算法是一種面向數(shù)據(jù)融合的自適應分簇拓撲控制算法，它的執(zhí)行過程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，相鄰節(jié)點動態(tài)地形成簇，隨機產(chǎn)生簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進行數(shù)據(jù)融合并把結果發(fā)送給匯聚節(jié)點。由于簇頭需要完成數(shù)據(jù)融合、與匯聚節(jié)點通信等功能，所以其能量消耗很大。LEACH算法能夠保證各節(jié)點等概率地擔任簇頭，使得網(wǎng)絡中的節(jié)點相對均衡地消耗能量。LEACH算法選舉簇頭的過程如下：

節(jié)點產(chǎn)生一個0～1之間的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T(n)，那么該節(jié)點為簇頭。在每輪循環(huán)中，若節(jié)點已經(jīng)當選過簇頭，則把T(n)設置成0，這樣就可以保證該節(jié)點不會再次成為簇頭。對于未當選過簇頭的節(jié)點，則將以T(n)的概率當選。隨著當選過簇頭的節(jié)點的數(shù)目的增多，剩余節(jié)點當選簇頭的閾值T(n)隨之增大，節(jié)點產(chǎn)生小于T(n)的隨機數(shù)的概率也隨之增大，所以節(jié)點當選簇頭的概率增大。當只剩下一個節(jié)點未當選時，T(n)?=?1，表示這個節(jié)點一定當選。T(n)可表示為

(7-1)

其中，P是所有簇頭在節(jié)點中所占的百分比，r是選舉輪數(shù)，rmod(1/P)代表這一輪循環(huán)中當選過簇頭的節(jié)點個數(shù)，G是這一輪循環(huán)中未當選過簇頭的節(jié)點集合。節(jié)點當選簇頭以后，要傳遞信息告知其他節(jié)點自己是新簇頭。非簇頭節(jié)點根據(jù)自己與簇頭之間的距離來選擇加入哪個簇，并告知該簇頭。

當簇頭接收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生一個TDMA定時消息，并且通知該簇中的所有節(jié)點。為了避免附近簇中的信號干擾，簇頭可以決定本簇中所有節(jié)點所用的CDMA編碼，這個用于當前階段的CDMA編碼連同TDMA定時一起發(fā)送。當簇內(nèi)節(jié)點收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)傳輸，簇頭節(jié)點收集簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，運行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，并將結果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。這種情況穩(wěn)定持續(xù)一段時間后，網(wǎng)絡重新進入簇的建立階段，進行下一輪的簇頭選舉。

在LEACH算法中，節(jié)點等概率地承擔簇頭角色，較好地體現(xiàn)了負載均衡的思想。但是，由于簇頭位置具有較強的隨機性，簇頭分布不均勻，骨干網(wǎng)的形成無法得到保障。

2．HEED算法

HEED(HybridEnergy-EfficientDistributedClustering，HEED)是LEACH算法的改進算法，主要是為了解決LEACH算法中的節(jié)點規(guī)模小，簇頭選舉沒有考慮節(jié)點的地理位置等缺點。HEED算法有效地改善了LEACH算法中簇頭可能分布不均勻的問題。以簇內(nèi)平均可達能量作為衡量簇內(nèi)通信成本的標準，節(jié)點以不同的初始概率發(fā)送競爭消息，節(jié)點的初始化概率根據(jù)公式(7-2)確定。

(7-2)

式中，Cprob和Pmin是整個網(wǎng)絡統(tǒng)一的參量，影響算法的收斂速度。

簇頭競選成功后，其他節(jié)點根據(jù)在競爭階段收集到的信息選擇加入哪個簇。HEED算法在簇頭選擇標準以及簇頭競爭機制上與LEACH算法不同，成簇的速度有一定改進。特別是考慮到成簇后簇內(nèi)的通信開銷，把節(jié)點剩余能量作為一個參量引入算法中，使得選擇的簇頭更適合擔當數(shù)據(jù)轉發(fā)的任務，形成的網(wǎng)絡拓撲更趨合理，全網(wǎng)的能量消耗更均勻。

HEED算法綜合考慮了生存時間、可擴展性和負載均衡，對節(jié)點分布和能量也沒有特殊要求。雖然HEED執(zhí)行并不依賴于同步，但是不同步卻會嚴重影響分簇的質量。

3．GAF算法

GAF(GeographicalAdaptiveFidelity，GAF)算法是以節(jié)點地理位置為依據(jù)的分簇算法。該算法把監(jiān)測區(qū)域劃分成虛擬單元格，將節(jié)點按照位置信息劃入響應的單元格；在每個單元格中定期選舉產(chǎn)生一個簇頭節(jié)點，只有簇頭節(jié)點保持活動，其他節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。

GAF算法的執(zhí)行過程包括兩個階段：

第一階段是虛擬單元格的劃分。根據(jù)節(jié)點的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡區(qū)域劃分成若干虛擬單元格，并保證相鄰單元格中的任意兩個節(jié)點都能夠直接通信。假設節(jié)點已知整個監(jiān)測區(qū)域的位置信息和本身的位置信息，節(jié)點可以通過計算得知自己屬于哪一個單元格。如圖7-1所示，假設所有節(jié)點的通信半徑為R，網(wǎng)絡區(qū)域劃分為邊長為r的正方形虛擬單元格，為了保證相鄰的兩個單元格內(nèi)任意兩個節(jié)點能夠直接通信，需滿足如下關系：

r2?+?(2r)2≤R2

r≤

(7-3)

所以，從分組轉發(fā)的角度看，屬于同一單元格的節(jié)點可以認為是等價的，每個單元格只需要選出一個節(jié)點保持活動狀態(tài)即可。

第二階段是虛擬單元格中簇頭節(jié)點的選擇。節(jié)點周期性地進入睡眠和工作狀態(tài)，從睡眠狀態(tài)喚醒之后與本單元內(nèi)其他節(jié)點交換信息，以確定自己是否需要成為簇頭節(jié)點。每個節(jié)點都可以處于發(fā)現(xiàn)、活動以及睡眠三種狀態(tài)，如圖7-1所示。

圖7-1GAF算法中節(jié)點狀態(tài)轉換圖

在網(wǎng)絡初始化時，所有節(jié)點都處于發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，每個節(jié)點都通過發(fā)送消息告知其他節(jié)點自己的位置、ID等信息，經(jīng)過這個階段，節(jié)點能得知同一單元格中其他節(jié)點的信息。然后，每個節(jié)點將自身定時器設置為某個區(qū)間內(nèi)的隨機值Td。一旦定時器超時，節(jié)點發(fā)送消息聲明它進入活動狀態(tài)，從而成為簇頭節(jié)點。節(jié)點如果在定時器超時之前收到來自同一單元格內(nèi)其他節(jié)點成為簇頭的聲明，說明它這次競爭簇頭失敗，從而進入睡眠狀態(tài)。成為簇頭的節(jié)點設置定時器為Ta，Ta代表它處于活動狀態(tài)的時間。在Ta超時之前，簇頭節(jié)點定期發(fā)送廣播包聲明自己處于活動狀態(tài)，以抑制其他處于發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的節(jié)點進入活動狀態(tài)。當Ta超時后，簇頭節(jié)點重新回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)。處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點設置定時器為Ts，并在Ts超時之后重新回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)。

處于活動狀態(tài)或者發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的節(jié)點如果發(fā)現(xiàn)本單元格中出現(xiàn)更適合成為簇頭的節(jié)點，那么它會自動進入睡眠狀態(tài)。GAF算法中的虛擬單元格劃分如圖7-2所示。

圖7-2GAF算法中的虛擬單元格劃分

讓節(jié)點處于睡眠狀態(tài)是無線傳感器網(wǎng)絡拓撲算法中經(jīng)常采用的方法，GAF是較早采用這種方法的算法。由于傳感器節(jié)點自身體積和資源受限，這種基于地理位置進行分簇的算法對傳感器節(jié)點提出了更高的要求。另外，GAF算法是基于平面模型的，沒有考慮到在實際網(wǎng)絡中節(jié)點之間距離的臨近并不能代表節(jié)點之間可以直接通信的問題。雖然GAF算法存在一些不足，但是它提出的節(jié)點狀態(tài)轉換機制和按虛擬單元格劃分簇等思想具有一定的意義。

4．TopDisc算法

TopDisc算法是基于最小支配集問題的經(jīng)典算法，是利用顏色區(qū)分節(jié)點狀態(tài)，從而解決骨干網(wǎng)絡拓撲結構的形成問題。在該算法中，由網(wǎng)絡中的一個節(jié)點啟動發(fā)送用于發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點的查詢消息，查詢消息攜帶發(fā)送節(jié)點的狀態(tài)信息。隨著查詢消息在網(wǎng)絡中的傳播，TopDisc算法依次為每個節(jié)點標記顏色。最后，按照節(jié)點顏色區(qū)分出簇頭節(jié)點，并通過反向尋找查詢消息的傳播路徑在簇頭節(jié)點間建立通信連接，簇頭節(jié)點管轄自己簇內(nèi)的節(jié)點。

TopDisc算法提出了兩種具體的節(jié)點狀態(tài)標記辦法，分別是三色算法和四色算法。這兩種算法的相同點在于：它們都利用顏色的標記理論找到簇頭節(jié)點，而且都利用與傳輸距離成反比的延時使得一個黑色節(jié)點(即簇頭節(jié)點)覆蓋更大的區(qū)域。三色算法與四色算法的區(qū)別在于尋找簇頭節(jié)點的標準不一樣，所形成的拓撲結構也有所不同。下面以三色算法為例進行討論。

在三色算法中，節(jié)點可以處于三種狀態(tài)，分別用白、黑、灰三種顏色表示。白色節(jié)點代表未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點，黑色節(jié)點代表成為簇頭的節(jié)點，灰色節(jié)點代表TopDisc算法所確定的普通節(jié)點，即簇內(nèi)節(jié)點。在骨干網(wǎng)形成之前，所有節(jié)點都被標記為白色，由一個初始節(jié)點發(fā)起TopDisc三色算法，算法執(zhí)行完畢后所有節(jié)點都將被標記成黑色或者灰色。三色算法的具體過程如下：

(1)初始節(jié)點將自己標記成黑色，并廣播查詢消息。

(2)白色節(jié)點收到黑色節(jié)點的查詢消息時變?yōu)榛疑?，灰色?jié)點等待一段時間，再廣播查詢消息，等待時間的長度與它和黑色節(jié)點之間的距離成反比。

(3)當白色節(jié)點收到一個灰色節(jié)點的查詢消息時，先等待一段時間，等待時間的長度與這個白色節(jié)點到它發(fā)出查詢消息的灰色節(jié)點的距離成反比。如果在等待時間內(nèi)又收到來自黑色節(jié)點的查詢消息，那么節(jié)點立即變成灰色節(jié)點，否則節(jié)點變成黑色節(jié)點。

(4)當節(jié)點變成黑色或者灰色后，它將忽略其他節(jié)點的查詢消息。

拓撲結構

(5)通過反向查找查詢信息的傳播路徑形成骨干網(wǎng)，黑色節(jié)點成為簇頭，灰色節(jié)點成為簇內(nèi)節(jié)點。如圖7-3所示，為三色算法生成的網(wǎng)絡局部拓撲結構。圖7-3三色算法生成的網(wǎng)絡局部拓撲結構

假設三色算法由節(jié)點a發(fā)起，它將自己標記為黑色，并發(fā)送查詢消息。節(jié)點b、c收到節(jié)點a發(fā)送的查詢消息，將自己標記為灰色，并等待一定的時間再次廣播這個查詢信息。由于節(jié)點b比節(jié)點c距離節(jié)點a更遠，所以節(jié)點b先開始發(fā)送查詢信息。節(jié)點e、d收到來自灰色節(jié)點b的查詢信息后，等待一段時間。由于節(jié)點d比節(jié)點e距離節(jié)點b更遠，所以節(jié)點d先超時，并將自己標記為黑色，節(jié)點d繼續(xù)向外發(fā)送查詢信息。這時節(jié)點e收到了來自節(jié)點d的消息，所以停止自己的等待時間，標記為灰色。算法如此進行下去直到所有節(jié)點都被標記成黑色或灰色為止。

算法運行到網(wǎng)絡邊緣后，將按照查詢消息的路徑進行回溯，構建網(wǎng)絡的轉發(fā)鏈路。在此過程中，黑色節(jié)點將得知通過哪些灰色節(jié)點可以與周圍的黑色節(jié)點通信。算法執(zhí)行完畢后，標記為黑色的節(jié)點成為簇頭節(jié)點，標記為灰色的節(jié)點成為簇內(nèi)節(jié)點。從圖7-3可以看出，兩個黑色簇頭節(jié)點通過一個灰色簇內(nèi)節(jié)點進行通信，從而保證了簇與簇之間的連通。

TopDisc算法是一種只需要利用局部信息就能實現(xiàn)完全分布式、可擴展的網(wǎng)絡拓撲控制算法，但這種算法構建的層次型網(wǎng)絡靈活性不強，重復執(zhí)行算法的開銷過大。此外，該算法也沒有考慮節(jié)點的剩余能量問題。

7.2.3功率控制的拓撲結構

無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的發(fā)射功率的控制也稱為功率分配問題。節(jié)點通過設置或者動態(tài)調整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡拓撲結構連通、雙向連通或者多連通的基礎上，使得網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗最小，從而延長整個網(wǎng)絡的使用時間。當傳感器節(jié)點布置在二維或者三維空間中時，傳感器網(wǎng)絡的功率控制是一個NP圖的問題。因此，一般的解決方案都是尋找近似解法。

1．基于臨近圖的算法

基于臨近圖的功率控制的基本思想如下：設所有節(jié)點都使用最大發(fā)射功率發(fā)射時形成的拓撲圖是G，按照一定的鄰居判別條件求出該圖的臨近圖G'，每個節(jié)點以自己所鄰接的最遠節(jié)點來確定發(fā)射功率，這是一種解決功率分配問題的近似解法?？紤]到傳感器網(wǎng)絡中兩個節(jié)點形成的邊是有向的，為了避免形成單向邊，一般在運用基于臨近圖的算法形成網(wǎng)絡拓撲之后，還需要進行節(jié)點之間的增刪，以使最后得到的網(wǎng)絡拓撲是雙向連通的。

在傳感器網(wǎng)絡中，基于臨近圖的算法的作用是幫助節(jié)點確定自己的鄰居集合，調整適當?shù)陌l(fā)射功率，從而在建立起一個連通網(wǎng)絡的同時，達到節(jié)省能量的目的。在已有的傳感器網(wǎng)絡拓撲算法中，LMST是最典型的基于臨近圖的算法。其步驟如下：

(1)信息交互階段。節(jié)點u定期以最大傳輸功率發(fā)送Hello報文，從而獲知其可視鄰居區(qū)內(nèi)的所有的節(jié)點信息。

(2)拓撲構建階段。節(jié)點u獨立地以無向圖最小生成樹算法獲得本地最小生成樹，計算公式為

Tu?=?(V(Tu)，E(Tu))

(7-4)

(3)傳輸功率確定階段。依據(jù)已確定的本地最小生成樹的結構，節(jié)點決定自身傳輸

功率。

(4)雙向化處理階段。由于所獲得的拓撲中可能存在單向連接，為使網(wǎng)絡具有雙向連通的特性，對當前所形成的拓撲中單向連接實施添加或刪除操作。

LMST算法在拓撲生成過程中未考慮形成連接的對端能量是否充足，因此所形成的網(wǎng)絡拓撲健壯性不高。在此算法基礎上，有人提出了DRNG算法、DLSS算法，這里不再一一列舉。

2．基于節(jié)點度的算法

一個節(jié)點的度是指所有距離該節(jié)點一跳的鄰居節(jié)點的數(shù)目?；诠?jié)點度算法的核心思想是給定節(jié)點度的上限和下限需求，動態(tài)調整節(jié)點的發(fā)射功率，使得節(jié)點的度落在上限和下限之間。基于節(jié)點度的算法利用局部信息來調整相鄰節(jié)點間的連通性，從而保證整個網(wǎng)絡之間的連通性，同時保證節(jié)點間的鏈路具有一定的冗余性和可擴展性。具有代表性的基于節(jié)點度的算法主要有本地平均算法LMA和本地鄰居平均算法LMN。這兩種算法是兩種周期性動態(tài)調整節(jié)點發(fā)射功率的算法，區(qū)別在于計算節(jié)點度的策略不同。本地平均算法LMA的具體步驟如下：

(1)在起始狀態(tài)，賦予所有節(jié)點相同的初始傳輸功率PTr，節(jié)點定期廣播一個包含自身唯一標識的報文LifeMsg。

(2)對于接收到LifeMsg報文的節(jié)點，反饋給對端一個回復報文LifeAckMsg，節(jié)點由反饋回的LifeAckMsg報文可統(tǒng)計出其周邊鄰居數(shù)NodeResp。

(3)如果NodeResp低于預設的度值下限NodeMinThresh，節(jié)點將按照公式(7-5)更新PTr；如果NodeResp高于預設的度值上限NodeMaxThresh，那么就按照公式(7-6)更新PTr。

PTr?=?min{Bmax?×?PTr,Ainc?×?(NodeMinTresh?-?NodeResp)?×?PTr}

(7-5)

PTr?=?min{Bmin?×?PTr,Adec?×?(1?-?(NodeMinTresh?-?NodeResp))?×?PTr}

(7-6)

式中，Bmax、Bmin、Airc、Adec是四個功率調節(jié)參數(shù)，從表達式中可以看出，它們直接關系到功率調整的幅度。

本地鄰居平均算法LMN與本地平均算法LMA類似，唯一的區(qū)別在于鄰居數(shù)NodeResp的計算方法不同。在LMN算法中，每個節(jié)點發(fā)送LifeAckMsg消息時，將自己的鄰居數(shù)放入消息中，發(fā)送LifeMsg消息的節(jié)點在收集完所有LifeAckMsg消息后，將所有鄰居的鄰居數(shù)求平均值后作為自己的鄰居數(shù)。

雖然這兩種算法都缺少嚴格的理論推導，但是通過仿真結果確定，這兩種算法的收斂性和網(wǎng)絡的連通性是可以保證的。它們通過少量的局部信息達到了一定程度的優(yōu)化效果，并且這兩種算法對傳感器節(jié)點的要求不高，不需要嚴格的時鐘同步。但是算法中也存在一些問題，例如需要進一步研究合理的鄰居節(jié)點判斷條件，對從鄰居節(jié)點得到的信息是否根據(jù)信號的強弱給予不同的權重等。

7.2.4啟發(fā)式節(jié)點喚醒和睡眠機制

無線傳感器網(wǎng)絡通常是面向應用的事件驅動的網(wǎng)絡，骨干網(wǎng)節(jié)點在沒有檢測到事件時不必一直保持在活動狀態(tài)。在傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制算法中，除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓撲控制兩個方式外，還有啟發(fā)式節(jié)點喚醒與睡眠機制。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉發(fā)的拓撲結構。這種機制的引入，使得無線通信模塊大部分時間都處于關閉狀態(tài)，只有傳感器模塊處于工作狀態(tài)。由于無線通信模塊消耗的能量遠大于傳感器模塊，所以這進一步降低了能耗。這種機制的重點在于解決節(jié)點在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉換問題，不能獨立作為一種拓撲結構控制機制，需要與其他拓撲算法結合使用。

1．STEM算法

STEM(SparseTopologyandEnergyManagement，STEM)算法是較早提出的節(jié)點喚醒算法。在STEM算法中，節(jié)點需要采用一種簡單而迅速的節(jié)點喚醒方式，以保證網(wǎng)絡通信的暢通和較小的延時。STEM算法包括兩種不同的機制：STEM-B和STEM-T。

STEM-B(STEM-Beacon)算法是指，當一個節(jié)點想給另外一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它作為主動節(jié)點先發(fā)送一串Beacon包，目標節(jié)點在接收到Beacon包后，發(fā)送應答信號并自動進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。主動節(jié)點接收到應答信號后，進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。為了避免喚醒信號和數(shù)據(jù)的沖突，STEM-B算法使用偵聽信道與數(shù)據(jù)傳輸信道兩個分離信道。如圖7-4所示為STEM-B算法示意圖。

圖7-4STEM-B算法示意圖

節(jié)點A使用f1和f2兩個信道，f1信道為偵聽信道，f2信道為數(shù)據(jù)傳輸信道。節(jié)點A在偵聽信道保持周期性的短時間偵聽，在t1到t5時間內(nèi)，節(jié)點A分別與節(jié)點B和節(jié)點C通信。在t1時刻，節(jié)點A需要與鄰居節(jié)點B進行通信，首先在頻率為f1的信道上發(fā)送一串Beacon數(shù)據(jù)包，直到t2時刻收到來自節(jié)點B的響應為止；節(jié)點A在t2到t3時段內(nèi)通過f2信道發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B，通信完成后暫時關閉f2信道。在t4時刻，節(jié)點A在f1信道上偵聽到節(jié)點C發(fā)送的Beacon包，于是在t4到t5時段內(nèi)通過f2信道接收節(jié)點C發(fā)送的數(shù)據(jù)；在t5之后，節(jié)點A關閉f2信道，并繼續(xù)保持在f1信道上的偵聽?？梢?，如果沒有數(shù)據(jù)通信，節(jié)點A大部分時間只保持在f1信道上的周期性偵聽，從而在很大程度上節(jié)省了能量消耗。

STEM-T(STEM-Tone)算法比STEM-B算法簡單，其節(jié)點周期性地進入偵聽階段，探測是否有鄰居節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點想要與某個鄰居節(jié)點進行通信時，首先發(fā)送一連串喚醒包，發(fā)送喚醒包的時間長度必須大于偵聽的時間間隔，以確保鄰居節(jié)點能夠收到喚醒包。然后節(jié)點直接發(fā)送數(shù)據(jù)包。所有鄰居節(jié)點都能夠接收到喚醒包并進入接收狀態(tài)。如果在一定時間內(nèi)沒有收到發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，就自動進入睡眠狀態(tài)?？梢?，STEM-T算法與STEM-B算法相比，省略了請求應答的過程，但是增加了節(jié)點喚醒的次數(shù)。

STEM算法使節(jié)點在整個生命周期中多數(shù)時間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)，適用于類似環(huán)境監(jiān)測或者突發(fā)事件監(jiān)測等應用，這類應用均由事件觸發(fā)，不要求節(jié)點時刻保持在活動狀態(tài)。目前，STEM算法可以與很多分簇類型的拓撲算法結合使用，比如GAF算法等。但是，需要注意的是，STEM算法中，節(jié)點的睡眠周期、部署密度以及網(wǎng)絡的傳輸延遲之間有著密切的關系，要針對不同的具體應用進行適當調整。

2．ASCENT算法

ASCENT算法的思想與GAF算法的思想相類似：保留一定數(shù)量的節(jié)點作為路由節(jié)點，其余節(jié)點轉入睡眠狀態(tài)。而在ASCENT算法中，節(jié)點不僅根據(jù)附近節(jié)點的連通性來確定是否成為活動節(jié)點，還要考慮丟包率指標。在網(wǎng)絡運行過程中，節(jié)點有三種工作狀態(tài)，即測試狀態(tài)、被動狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。節(jié)點首先進入測試狀態(tài)，在作為活動節(jié)點完成數(shù)據(jù)轉發(fā)工作的同時，不斷發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點并檢測丟包率。根據(jù)當前的網(wǎng)絡狀態(tài)，如果節(jié)點判斷它繼續(xù)處于活動狀態(tài)將有利于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，它將保持活動狀態(tài)，否則進入被動狀態(tài)。處于被動狀態(tài)的節(jié)點只進行偵聽，但是如果它發(fā)現(xiàn)附近網(wǎng)絡的鏈路狀態(tài)變差，則重新進入測試狀態(tài)，否則進入睡眠狀態(tài)。

圖7-5所示是ASCENT算法的工作過程。當信道質量變差時，節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播幫助消息，某些節(jié)點將被激活并廣播鄰居節(jié)點聲明消息，新激活的節(jié)點使信道質量得到提高。

圖7-5ASCENT算法的工作過程

通過ASCENT算法節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡情況動態(tài)地改變自身狀態(tài)，從而動態(tài)地改變網(wǎng)絡拓撲結構，并且節(jié)點只根據(jù)本地信息進行計算，不依賴于無線通信模型、節(jié)點的地理分布和路由協(xié)議。但是ASCENT算法也有許多有待完善的地方，例如應該針對更大規(guī)模的節(jié)點進行分布，并加入負載平衡技術等。

7.3能量管理

7.3.1能量管理概述

對于無線自組網(wǎng)、蜂窩等無線網(wǎng)絡，首要的設計目標是要能夠提供良好的通信服務質量和高效地利用無線網(wǎng)絡帶寬，其次才是節(jié)省能量。無線傳感器網(wǎng)絡存在著能量約束問題，它的一個重要設計目標就是要能夠高效地利用無線傳感器節(jié)點的能量，在完成應用要求的前提下，盡量延長整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的生存期。

傳感器節(jié)點采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，一次部署終生使用，所以更換能量源比較困難。如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡生命周期和完成低功耗設計是傳感器網(wǎng)絡設計的關鍵。

傳感器節(jié)點中能量消耗的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，處理器模塊和傳感器模塊的功耗都變得很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或者睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是偵聽無線信道上的信息，但是不發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。

網(wǎng)絡協(xié)議控制了傳感器網(wǎng)絡各節(jié)點之間的通信機制，決定無線通信模塊的工作過程。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的核心部分是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡層協(xié)議主要是路由協(xié)議，它用于選擇采集信息和控制消息的傳輸路徑，即決定由哪些節(jié)點形成轉發(fā)路徑。而路徑上的所有節(jié)點都要消耗一定的能量來轉發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層的關鍵是MAC協(xié)議，它控制相鄰節(jié)點之間無線信道的使用方式，決定無線收發(fā)模塊的工作模式，決定其處于發(fā)送、接收、空閑或者睡眠狀態(tài)。因此，路由協(xié)議和MAC協(xié)議是影響傳感器網(wǎng)絡能量消耗的重要因素。

通常，隨著通信距離的增加，能量消耗會急劇增加。通常為了降低能耗，應盡量減小單跳通信距離。簡單地說，多個短距離跳的數(shù)據(jù)傳輸比一個長跳的數(shù)據(jù)傳輸能耗會低些。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡中，要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式。

無線傳感器網(wǎng)絡的能量管理主要包括傳感器節(jié)點的電源管理和有效的節(jié)能通信協(xié)議設計。在一個典型的傳感器節(jié)點的結構中，與電源單元有關聯(lián)的模塊有很多，除了供電模塊以外，其余模塊都存在電源能量消耗。從無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議體系結構來看，它的能量管理機制是覆蓋從物理層到應用層的跨層協(xié)議設計的問題。

7.3.2硬件能耗設計

無線傳感器網(wǎng)絡硬件能耗設計主要是指其節(jié)點的硬件設計以及硬件節(jié)能方法。根據(jù)節(jié)點在傳感器網(wǎng)絡中擔任的角色的不同，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分為感知節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關三種。感知節(jié)點完成對周圍環(huán)境對象的感知并進行適當?shù)奶幚恚瑢⒂杏玫男畔l(fā)送到目的節(jié)點。匯聚節(jié)點負責對傳感節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行分析匯總，將匯總信息上傳到監(jiān)控終端或者網(wǎng)關。匯聚節(jié)點同時將終端和網(wǎng)關的控制信息傳送到相應的傳感節(jié)點，具有承上啟下的功能。網(wǎng)關主要通過多種接入網(wǎng)絡方式，如以太網(wǎng)、WiFi、移動公網(wǎng)等，與外界進行數(shù)據(jù)交。

1．傳感器網(wǎng)絡硬件設計

建設一個無線傳感器網(wǎng)絡首先需要開發(fā)一個可用的感知節(jié)點。感知節(jié)點應滿足特定的特殊需求：尺寸小、價格低、能耗低；可為所需的傳感器提供適當?shù)慕涌冢⑻峁┧璧挠嬎愫痛鎯Y源；能夠提供足夠的通信能力。圖7-6所示為感知節(jié)點組成部分系統(tǒng)框圖。圖7-6中實線框內(nèi)的感知單元、控制單元、電源管理單元和無線傳輸單元是一個完整感知節(jié)點的必需的組成部分。輔助單元則用于滿足某些特殊需求，如GPS定位、本地信息存儲、電動機驅動、能量提取等。

圖7-6感知節(jié)點組成部分系統(tǒng)框圖

(1)感知單元。感知單元負責物理信號的提取。信號采集單元包括傳感器、信號調理電路和模/數(shù)轉換模塊。不同的物理量需要不同的傳感器，而不同的傳感器測量不同的物理量時所消耗的能量也不同。按照能量消耗情況，傳感器主要分為以下三類：

①低功耗類，如溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、加速度傳感器等；

②中等功耗類，如聲傳感器、磁傳感器等；

③高能耗類，如圖像傳感器、視頻傳感器等。

因此，根據(jù)不同的應用背景，選擇低功耗的傳感器對于感知節(jié)點的能量管理尤為重要。傳感器輸出的模擬信號需要經(jīng)過信號調理才能符合模/數(shù)轉換要求。常見的信號調理方式有抗混疊濾波、降噪、放大、隔離、差分信號變單端信號等。信號調理的結果直接關系到信號的信噪比，影響信號的特征。模/數(shù)轉換模塊的功能是把模擬信號轉換為控制單元可接收的數(shù)字信號。近年來，隨著MEMS技術的發(fā)展，出現(xiàn)集成了信號調理電路和模/數(shù)轉換電路的數(shù)字傳感器。這種數(shù)字傳感器只需要通過相應的數(shù)字接口即可實現(xiàn)與控制單元的通信，降低了節(jié)點的能耗、尺寸和設計復雜度。

(2)控制單元?？刂茊卧獙⑵渌麊卧约巴獠拷涌谶B接在一起，處理有關感知、通信和自組織的指令。節(jié)點的任務調度、設備管理、功能協(xié)調、數(shù)據(jù)融合、特征提取、數(shù)據(jù)存儲和能耗管理等都是在控制單元的支持下完成的?？刂茊卧刂破骷⒎且资源鎯ζ?通常是控制器件集成的片內(nèi)Flash)、隨機存儲器、內(nèi)部時鐘等。大部分控制器件集成了非易失性存儲器、隨機存儲器和內(nèi)部時鐘等，所以控制器的選擇是控制單元能耗設計的首要任務。選擇存儲器時，同樣應該考慮功耗、成本、運行速度、數(shù)據(jù)處理能力、存儲空間等因素。對于控制器的功耗，控制器件滿負荷工作的功耗應盡可能低。感知節(jié)點大部分時間處于睡眠或空閑狀態(tài)，控制器件的睡眠和空閑功耗要低。

(3)無線傳輸單元。感知節(jié)點之間通過無線傳輸單元實現(xiàn)互聯(lián)，組成自組織傳感器網(wǎng)絡。根據(jù)通信介質的不同，常用的無線傳輸單元主要有無線通信、光通信和紅外通信等幾種。光通信利用激光作為傳輸媒介，功耗低、保密性強，但是它只能沿著直線傳播，且容易受到天氣的影響。紅外通信具有較強的方向性，不需要天線，但其傳輸距離短。大部分傳感節(jié)點采用無線通信作為無線傳輸單元的通信方式。根據(jù)應用場景的不同，在實際應用中，選擇低功耗、安全性強、抗干擾性好的無線窄帶通信芯片對傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)來說尤為重要。

(4)電源管理單元。在無線傳感器網(wǎng)絡的感知節(jié)點中，電源管理單元是一個關鍵的系統(tǒng)組件，其功能主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是存儲能量并為其他單元提供所需電壓的穩(wěn)壓器件，二是從外部環(huán)境獲取額外的能量。存儲能量主要是通過電池來實現(xiàn)的，也可以通過燃料電池、超級電容等來實現(xiàn)。在實際應用中，應根據(jù)環(huán)境及需求決定使用哪種存儲能量設備。表7-1列出了六種能量來源的功率密度。

電源管理單元可以從外部環(huán)境獲得能量并將獲得的能量存儲，常見的能量來源有太陽能、溫差、振動、壓力差、氣流、水流等。目前，針對傳感器網(wǎng)絡中的電源節(jié)能方法的研究主要有動態(tài)電源管理、動態(tài)電壓調度兩種方法。

(1)動態(tài)電源管理(DPM)。其工作原理如下：當節(jié)點周圍沒有事件發(fā)生的時候，部分模塊會處于空閑狀態(tài)，此時應該把這些組件關掉或者調到更低能耗的狀態(tài)即睡眠狀態(tài)，從而達到節(jié)省能量的目的。這種事件驅動的能量管理對于延長傳感器節(jié)點的生存期十分必要。需要指出的是，節(jié)點進入完全睡眠狀態(tài)可能會引起事件的丟失。所以，節(jié)點進入完全休眠狀態(tài)的時機和時間長度必須合理控制。

(2)動態(tài)電壓調度。對于大多數(shù)傳感器節(jié)點來說，計算負載的大小是隨著時間變化的，因而并不需要節(jié)點的微處理器在所有時刻都保持峰值性能。根據(jù)CMOS電路設計的理論，微處理器執(zhí)行單條指令所消耗的能量Eop與工作電壓U的平方成正比。動態(tài)電壓調度(DVS)技術就是利用了這一特點，動態(tài)地改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當前的運行需求，從而在性能和功耗之間取得平衡的。很多微處理器都支持電壓頻率的動態(tài)調節(jié)。DVS要解決的核心問題是實現(xiàn)微處理器計算負載與工作電壓及頻率之間的匹配。如果計算負載較高，而工作電壓和頻率較低，那么計算時間將會延長，甚至會影響到某些實時性任務的執(zhí)行。但是，由于傳感器網(wǎng)絡的任務往往具有隨機性，在動態(tài)電壓調節(jié)過程中必須對計算負載進行預測。

2．傳感器網(wǎng)絡硬件能耗分析

通過以上分析可以知道，傳感器節(jié)點由以下四個部分組成：計算模塊、通信模塊、傳感模塊和電源模塊。其中，傳感模塊能耗與應用特征相關，采樣周期越短、采樣精度越高，傳感器模塊能耗越大。因此，可以通過在應用允許的范圍內(nèi)適當延長采樣周期、降低采樣精度的方法來降低傳感模塊的能耗。事實上，傳感模塊的能耗要比計算模塊和通信模塊的能耗低得多，幾乎可以忽略，因此通常只討論計算模塊和通信模塊的能耗問題。

(1)計算能耗。計算模塊包括微處理器和存儲器，用于數(shù)據(jù)存儲和預處理。節(jié)點的處理能耗與節(jié)點的硬件設計、計算模式緊密相關。目前，對能量管理的研究都是在應用低能耗器件的基礎上，在操作系統(tǒng)中使用能量感知方式進一步減小能耗，以延長節(jié)點工作壽命。

(2)通信能耗。通信模塊用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，它是節(jié)點中能耗最大的部件，因此通信模塊節(jié)能是研究的重點。無線傳感器網(wǎng)絡的通信能耗與無線收發(fā)器以及各個協(xié)議層緊密相關。其管理體現(xiàn)在無線收發(fā)器的設計和網(wǎng)絡協(xié)議設計的每一個環(huán)節(jié)。

7.3.3狀態(tài)調制機制

傳感器網(wǎng)絡的狀態(tài)調制可以理解為傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點的運行、空閑、睡眠狀態(tài)之間的轉換機制。狀態(tài)調制機制應用在傳感器網(wǎng)絡的各個環(huán)節(jié)，從節(jié)點中的硬件實現(xiàn)到傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構、通信以及路由協(xié)議，都有狀態(tài)調制機制的影子。

對于感知節(jié)點而言，與它的5種不同的有用睡眠狀態(tài)相關的各部分能量模式如表7-2所示。各節(jié)點的睡眠模式對應于越來越深的睡眠狀態(tài)，因而其特征被描述為漸增的延遲和漸減的能耗，需要根據(jù)感知節(jié)點的工作條件選擇這些睡眠狀態(tài)。例如在激活狀態(tài)中關閉存儲器，或者關閉其他任何部分都是沒有意義的。

①狀態(tài)S0是節(jié)點的完全激活狀態(tài)，節(jié)點可傳感、處理、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

②狀態(tài)S1中，節(jié)點處于傳感和接收模式，而處理器處于待命狀態(tài)。

③狀態(tài)S2與狀態(tài)S1類似，不同點在于處理器斷電，當傳感器或無線通信接收到數(shù)據(jù)時會被喚醒。

④狀態(tài)S3是僅傳感的模式，其中除了傳感前端外均關閉。

⑤狀態(tài)S4表示設備全關閉的狀態(tài)。

能量管理是根據(jù)觀測事件進行狀態(tài)轉換的策略，目的是使能量有效性最大。睡眠狀態(tài)通過消耗的能量、進入睡眠的管理花費以及喚醒時間來區(qū)分。睡眠狀態(tài)越深，則能耗越少，喚醒時間就越長。

假設感知節(jié)點在某時刻t0探測到一個事件，在時刻t1結束處理，下一時間在時刻t2

=t1?+?ti發(fā)生。在時刻t1，節(jié)點從激活狀態(tài)S0轉換到睡眠狀態(tài)Sk，如圖7-7所示。圖7-7傳感器節(jié)點睡眠狀態(tài)轉換策略示意

其中，各狀態(tài)Sk的能耗為Pk，而轉換到此狀態(tài)和恢復的時間分別為Td,k和Tu,k。假設節(jié)點在睡眠狀態(tài)中，對于任意i＞j，Pj＞Pi，Td,i且Tu,i＞Tu,j。睡眠模式間的能耗可采用狀態(tài)間線性變化的模型。例如，當節(jié)點從狀態(tài)S0轉換到狀態(tài)Sk時，無線通信、存儲器和控制器這些單個部件逐步斷電，狀態(tài)間能耗產(chǎn)生階梯變化。線性變化在解析上比較容易求解，且能合理地近似此過程。

現(xiàn)在獲得一組與狀態(tài){Sk}響應的睡眠時間閾值{Tth,k}。若空閑時間ti＜Tth,k，由于存在狀態(tài)轉換的能量管理花費，從狀態(tài)S0轉換到睡眠狀態(tài)Sk將造成網(wǎng)絡能量損失。假設在轉換階段無需完成其他工作，例如當處理器醒來時，轉換時間包括PLL鎖定、時鐘穩(wěn)定和處理器相關指令恢復的時間。圖7-8中，圖線下方區(qū)域表示狀態(tài)轉換節(jié)省的能量，可以利用式(7-7)計算，即

(7-7)

當且僅當Esave,k＞0時，這種轉換是合理的。于是，可得到能量增益閾值為

式(7-8)意味著轉換的延遲花費越大，能量增益閾值就越高。而且P0與Pk間的區(qū)別越大，閾值越小。

(7-8)

7.3.4通信能耗

傳感器網(wǎng)絡中，通信模塊用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，是傳感器網(wǎng)絡的最大能量消耗源，它消耗的能量約占傳感器節(jié)點的80%。因此，通信能耗是能量管理研究的重點。無線傳感器網(wǎng)絡的通信能耗與無線收發(fā)器以及各個協(xié)議層緊密相關，其管理體現(xiàn)在無線收發(fā)器的設計和網(wǎng)絡協(xié)議設計的每一個環(huán)節(jié)。

介質訪問控制(MAC)協(xié)議是鏈路層能量保護的關鍵。MAC層協(xié)議決定信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網(wǎng)絡的底層基礎結構，對網(wǎng)絡性能影響較大，是保證網(wǎng)絡高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。MAC層協(xié)議的性能用帶寬要求、能量消耗、競爭強弱、對于網(wǎng)絡連通性的支持等指標來衡量。當實時性要求高時，還要考慮時延。所以，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC層協(xié)議的主要目標是在最小化開銷和能量消耗的基礎之上獲得可預計的時延，并保證其優(yōu)先級。因此，應將能耗問題和其他指標結合起來折中考慮。

同時，由于負責錯誤檢測和糾正的數(shù)據(jù)鏈路層影響報文的發(fā)送次數(shù)，所以會影響系統(tǒng)功耗，特別是影響網(wǎng)關節(jié)點等遠距離通信。對給定的誤碼率(BER)，錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量，但是相應地增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗。總體來說，鏈路層技術在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，可能造成網(wǎng)絡能量浪費的主要原因包括以下四個方面：

(1)碰撞。在以競爭方式共享無線信道時，多個節(jié)點之間發(fā)送數(shù)據(jù)可能發(fā)生碰撞而造成數(shù)據(jù)重傳，從而消耗節(jié)點更多的能量。

(2)偷聽。串音現(xiàn)象發(fā)生,節(jié)點接收并不處理的數(shù)據(jù)造成無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。

(3)空閑偵聽。過度的空閑偵聽或者沒有必要的空閑偵聽會造成節(jié)點能量的浪費。

(4)協(xié)議開銷?？刂乒?jié)點信道分配不合理、控制消息過多都會消耗較多的網(wǎng)絡能量。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對MAC層協(xié)議進行設計，對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的不同通信信道分配不同權值。權值大小與影響傳感器網(wǎng)絡能量消耗的四個因素相關，即信道空閑偵聽頻率、數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞概率、偷聽現(xiàn)象發(fā)生頻率以及協(xié)議開銷大小，把這四個因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入變量，輸出變量則是MAC協(xié)議適應度值。該算法對分層拓撲網(wǎng)絡結構尤其適用，不同網(wǎng)絡層次采用的神經(jīng)網(wǎng)絡算法差異將會很大，主要體現(xiàn)在由輸入變量引起的權值分配的大小，這將增強基于無線自組織、動態(tài)拓撲多變的傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的適應性，并且協(xié)調網(wǎng)絡整體能耗、網(wǎng)絡延遲和吞吐量之間的關系，達到改善無線通信效率的目的。

7.3.5拓撲結構能耗分析

在上一節(jié)拓撲結構管理中，將傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構分為分簇層次型拓撲結構與功率控制型拓撲結構，并從這兩個方面進行了拓撲結構的能耗分析。基于分簇層次型拓撲結構的典型算法有LEACH算法、HEED算法、TopDisc算法和GAF算法。本節(jié)重點研究HEED算法的能耗。

HEED算法是一種基于分層的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，該算法在考慮節(jié)點剩余能量的基礎上，還考慮了節(jié)點簇內(nèi)的通信耗能。HEED算法認為傳感器節(jié)點以一跳的形式與基站進行通信是不可取的，應該根據(jù)節(jié)點的分布情況分區(qū)形成多個簇，然后各簇頭與基站進行通信。這樣不僅能夠降低節(jié)點的通信耗能，還便于無線傳感器網(wǎng)絡對節(jié)點的維護和管理。HEED算法以剩余能量和簇內(nèi)的通信耗能這兩個參數(shù)計算出節(jié)點成為簇頭的概率。

HEED算法主要分為三個階段，即初始階段、循環(huán)階段和最終階段。在初始階段，首先設置節(jié)點成為簇頭的初始概率Cprob，初始概率Cprob會隨著網(wǎng)絡運行和節(jié)點的剩余能量而發(fā)生改變，稱節(jié)點被選作簇頭時的概率為最終概率CHprob。然而，最終的概率不能夠低于最小閾值Pmin，這使得節(jié)點不會產(chǎn)生因為剩余能量過小而無法