基于备份节点无线传感器网络设计策略

1 引 言

随着无线网络以及硬件技术，特别是超大规模集成电路技术的发展，将感知、通信、计算能力集成在一个传感器节点成为可能。无线传感器网络(以下简称传感器网络)就是由成千上万个这样的节点构成的。

它集感知、通信功能于一身，其目的就是实现对恶劣环境或者是人所不易到达的环境中各种参数(如温度、湿度、目标位置等)的监测和对某些敏感数据的采集。传感器网络如今已经得到了广泛的应用，包括用以分析远距离无人地区的环境情况(如依靠采集温度来实现对森林火警的监测)；将感知节点安装在特定的交通工具上以分析本地区的通信流量并由此设计出从源点到目标点的最佳交通路线；军事上可用于监测、定位和跟踪目标点的运动；在高污染区还可以收集相关的信息以便于灾后重建。由于这些传感器节点受自身规模的限制，而且能源有限，要给网络内大量的节点重新补充能源几乎是不可行的，这就需要考虑如何在能源有限的情况下最大限度地降低节点能耗以延长传感器网络的连续工作时间。

2 准备工作

传感器节点按其功能可分为以下三个模块

①感知模块。假定数据源的产生速率为r，则节点单位时间的感知耗能为Psense=a3r，a3为一常数(单位为J／bit)；②通信模块。给定发送节点u和接收节点v，发送数据的速率为r，两个节点间的距离为d。有Ptrans(u，v)=(a11+a2dk)r，Prec=a12r。Ptrans(u，v)表示节点u单位时间的传输能耗，Prec表示节点v单位时间的接收能耗。其中，k为路径衰减指数(k一般取2或4)，而a11，a12和a2均为无线通信常数(其中a2的取值与k有关)。③计算模块。相比于感知模块和通信模块来说，节点的计算模块能耗很小，通常可以忽略不计。

本文假设：

①传感器网络被应用于目标跟踪的场景下。②如图1所示，E为网络内某一时刻的数据源节点，而传感器节点主要用于对指定目标点的监测并将采集到的结果以多跳的方式传输给远端的收集节点B，这里我们认为节点B的能量充分大，即不考虑节点B的能耗。假设传感器网络中节点数量为N。③节点随机的分布在有限区域R内，节点的通信半径为rt，节点间的数据传输是双向的，即对于网络中的任意两个节点u和v，若节点u可与节点v直接通信，则节点v也可与节点u直接通信，如图1，节点的感知半径为ds，即感知节点只有在距数据源ds之内才能感知到它的存在。④传感器网络内所有的感知节点天线位于同一个水平线上，并且天线是全向的。⑤利用GPS技术传感器节点可获取自己的位置信息，目前GPS的精度可达5 m左右。


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