無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點休眠調(diào)度機制研究的綜述報告

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點休眠調(diào)度機制研究的綜述報告無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSNs）是由大量分布在空間中的小型傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對所監(jiān)測的環(huán)境中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)的感知、處理、存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N功能。由于節(jié)點所攜帶的能源和計算資源有限，因此，節(jié)點的休眠調(diào)度機制成為了WSNs中一個非常重要的問題。本文將介紹WSNs節(jié)點休眠調(diào)度機制的相關(guān)研究內(nèi)容。1.WSNs的節(jié)點休眠調(diào)度原理在大多數(shù)情況下，傳感器節(jié)點在監(jiān)測環(huán)境期間都處于工作狀態(tài)，這會導(dǎo)致節(jié)點消耗大量的能量，從而縮短節(jié)點的使用壽命。因此，在眾多的傳感器節(jié)點中，有一部分節(jié)點處于待機狀態(tài)，以保持其能量供應(yīng)和計算資源。節(jié)點的休眠調(diào)度是在保證網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的前提下，通過協(xié)議設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來控制節(jié)點休眠與喚醒的方法，以達到降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。節(jié)點休眠調(diào)度原理的主要思想是將整個網(wǎng)絡(luò)分為多個區(qū)域（cluster），每個區(qū)域中都包含了若干個節(jié)點。在確定每個節(jié)點是否必須被喚醒進行數(shù)據(jù)收集之前，首先需要同時考慮節(jié)點的能耗和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。每個區(qū)域的一個或多個節(jié)點，稱為ClusterHead（CH），具有更多的計算和能量資源，負責(zé)收集該區(qū)域中所有普通節(jié)點（SensorNodes）采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱患塁H或基站節(jié)點中。2.休眠調(diào)度機制的研究內(nèi)容（1）節(jié)點喚醒策略節(jié)點的休眠和喚醒策略將決定節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)使用過程中的能耗。目前，有兩種常見的節(jié)點喚醒策略，在數(shù)據(jù)需求（DataDriven）模式和時間觸發(fā)（TimeDriven）模式下進行。在數(shù)據(jù)需求模式下，一個節(jié)點只會在其周圍存在信號需要采集時喚醒；時間觸發(fā)模式下，節(jié)點將在規(guī)定的時間間隔內(nèi)進行喚醒。通常在實際應(yīng)用中，采用基于該兩種模式的混合策略，減少能耗和提高數(shù)據(jù)采集率。（2）簇化方法為了有效利用網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的資源以及減少網(wǎng)絡(luò)擁堵，簇化技術(shù)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中一種實用的技術(shù)被廣泛應(yīng)用。簇化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)拆分成了若干個邏輯成分，每個成分包含一個簇首節(jié)點和一組與其通信的子節(jié)點。所有節(jié)點通過簇首節(jié)點進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸和處理。目前的簇化方法包括：層次式簇化（HierarchicalClustering）、分層輪換簇化（HierarchicalRotatingClustering）、領(lǐng)域劃分簇化（VoronoiTessellation-basedCluster）、匯聚型簇化（Convergecast-basedCluster）等。（3）能耗模型制定有效的節(jié)點休眠調(diào)度機制和算法必須基于節(jié)點的能耗模型。為了研究一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的耗能特點，通常需要將其能耗進行建模描述，通過建?？梢愿鼫蚀_地評估網(wǎng)絡(luò)的耗能。目前研究常用的節(jié)點能耗模型包括能量消耗模型（EnergyConsumptionModel）、能量存儲模型（EnergyStorageModel）、鏈路質(zhì)量模型（LinkQualityModel）和能量修補模型（EnergyReplenishmentModel）等。（4）馬爾可夫模型馬爾可夫模型是目前廣泛應(yīng)用于WSNs的模型之一。這種模型可以被用于描述在多個狀態(tài)下的節(jié)點能量消耗和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的改變。研究人員可以利用這個模型對節(jié)點消耗和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以及能量補充方案進行分析和預(yù)測，并為傳感器網(wǎng)設(shè)計提供一些幫助。3.現(xiàn)有的休眠調(diào)度機制目前，研究人員開發(fā)了各種WSNs節(jié)點休眠調(diào)度機制以達到降低節(jié)點能耗、延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命和提高網(wǎng)絡(luò)性能等目的。目前的休眠調(diào)度機制在操作中具有以下特征：（1）對節(jié)點能源的限制，要求設(shè)計出的調(diào)度機制能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以提高能源利用率；（2）發(fā)出任務(wù)請求信息時，為了縮短任務(wù)響應(yīng)時間，需要設(shè)計多個節(jié)點同時響應(yīng)以實現(xiàn)任務(wù)分流；（3）利用傳感器的觸發(fā)機制，設(shè)計只有在觸發(fā)事件發(fā)生時，節(jié)點才會被喚醒；（4）充分利用數(shù)據(jù)冗余性和壓縮算法，以實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能目標。目前最常見的休眠調(diào)度機制是LEACH（Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）。該機制通過簇首節(jié)點附近的節(jié)點靈活控制節(jié)點休眠和喚醒來降低傳感器節(jié)點的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。此外，其它的調(diào)度機制包括SPAN（SensorProtocolforActivityMonitoring）、TEEN（Threshold-sensitiveEnergyEfficientsensorNetworkProtocol）和APTEEN（AdaptivePeriodicThreshold-basedEnergy-efficientsensorNetworkProtocol）等，各種調(diào)度機制可應(yīng)用于不同場景的WSNs應(yīng)用。4.結(jié)論節(jié)點休眠調(diào)度機制是WSNs中的一項重要技術(shù)