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1、无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题摘要:节点非均匀分布策略能缓解无线传感器网络中的能量空洞问题.本文从理论上探讨这种策略,证明在节点非均匀分布的圆形网络中,如果节点持续向Sink节点发送数据,能量空洞现象将无法避免,而当节点数目满足一定关系时,网络中能够实现次优能耗均衡.本文提出一种节点非均匀分布策略及相应的路由算法用于实现这种次优能耗均衡.模拟结果显示网络生存周期终止时,处于网络内部的节点几乎达到了能耗均衡.关键词:无线传感器网络;能量空洞;节点非均匀分布1引言MEMS技术的快速发展
2、使大批量生产和制造微小而经济的传感器成为可能.传感器可以用于探测周围环境的温度、湿度等信息.无线传感器网络通常由多个传感器节点和一个信息收集节点(Sink)组成,布置在森林、农田、民用建筑等环境中收集人们感兴趣的信息[1].无线传感器网络中能耗效率非常重要.传感器节点间往往采用多跳方式进行通讯,一些节点既产生数据也转发数据[1].同时,数据流遵循多对一的模式,离Sink较近的节点需要承担更多的通讯负载.因此这些节点容易过早耗尽自身的能量,导致在Sink周围出现能量空洞(EnergyHole).能
3、量空洞的出现使网络采集的数据不能进一步传送给Sink节点,此时网络的生存周期结束,网络中遗留大量未被充分利用的能量资源.文献[5]中模拟实验表明如果采用节点均匀分布策略,网络中可能有高达90%的能量被浪费.我们把部分节点因为过早耗尽自身能量导致网络原有覆盖区域缺失或者数据无法送达Sink节点的现象称作”能量空洞”现象.本文从理论上探讨采用节点非均匀分布策略的无线传感器网络中能量空洞能否避免的问题.Li和Mohapatra[2]首先提出了一个用于分析无线传感器网络中的能量空洞的模型.作者假设网络中
4、节点均匀分布,分析了层次结构、数据压缩等手段对避免能量空洞的有效性.Lian等人在文献[3]中讨论了为节点装备不同的初始能量储备的方法提高网络数据容量的方法.作者假定在一个矩形的网络中节点均匀分布.这里网络的数据容量是指Sink节点收到的数据的总和.文献[2,3]都没有回答能量空洞能否避免的问题.Olariu和Stojmenovic[4]第一次证明了在特定条件下,无线传感器网络中的能量空洞不可避免.他们同样假设网络中节点均匀分布,传感器节点持续向Sink节点汇报数据.Lian[5]等人还提出采用
5、节点非均匀分布策略提高数据容量的思想,但仍然没有涉及节点非均匀分布策略下的能量空洞问题.文献[6]简要讨论了使用节点非均匀分布策略的能量空洞问题.作者假设网络中的每个节点数据采集率可调,给出了避免能量空洞的条件.在文献[7]的工作基础上,本文从理论上进一步探讨无线传感器网络中采用节点非均匀分布策略的能量空洞问题.不同于文献[6]的是:本文假设网络中的每个节点数据采集率恒定，同时考虑数据发送和接收过程中的能量消耗,得出了不同的结论并给出了能够实现次优能耗效率的条件和具体的路由算法.本文证明了如果在
6、一个圆形的无线传感器网络中节点非均匀分布并持续向Sink节点发送数据,节点间的能耗不均衡现象将无法避免,即能量空洞不可避免.但是如果将网络分为多个同心等宽的圆环,网络中节点数目除最外圆环外,由外环至内环以等比q递增,且最外圆环中节点数目是其相邻内环节点数目的1/(q-1),网络能获得次优的能耗效率.基于这种分析,本文提出了一个新的节点非均匀分布策略并设计了相应的路由算法用于获得次优的能耗效率.模拟结果显示当网络的生存周期终止时,网络内环中的节点间几乎达到了能耗均衡.1相关工作针对无线传感器网络中
7、的能量空洞问题已经有一些应对机制提出.下面介绍一些相关工作,其中一部分已经在上一节中提到.Li和Mahapatra[2]首先提出一个数学模型用于分析无线传感器网络中的能量空洞问题.文中假定一个圆形的网络中节点均匀分布.该模型从网络流量的角度出发,分析和比较几种针对能量空洞问题的常见方法的有效性.文中指出在一个节点均匀分布的无线传感器网络中,采用层次结构和数据压缩机制对于缓解能量空洞问题是有效的,增加数据采集率使能量空洞问题更加严重,而在网络中增加节点的作用不明显.文中没有讨论无线传感器网络中能量
8、空洞能否避免的问题.文献[3]中作者假定在一个矩形网络中节点均匀分布.为了提高网络的数据容量,文中提出一种节点初始能量非均匀分布的方法,使距离Sink较近的节点有较多的初始能量储备.作者同时提出一种基于移动Sink的路由算法.Olariu和Stojmenovic[4]给出了第一个关于能否避免能量空洞问题的理论结果.和文献[2]一样,作者假定一个圆形网络中的节点均匀分布,节点持续向Sink汇报收集到的数据.文中使用的能量消耗模型是E=dα+c,α是能量衰减系数,d是数据发送方和接收方的距离,c是一
