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摘 要：无线传感器网络节点的电源能量非常有限，节点一旦能量过低就无法正常工作，由此甚至导致传感器网络的瘫痪，因此有关传感器网络节点的节能、能量均衡成为WSN研究的一个重点。该文提出一种WSN节点基于节点本身的剩余能量、历史统计的数据流量、每个周期发送和接收数据所消耗的能量来预测节点自身在下一传输周期中所具有的传输能力，并将传输能力通告给其周围的邻居节点，以使邻居节点在选择路由节点时避免选择传输能力较低的节点而导致传输任务失败、引用网络瘫痪，从而延长无线传感器网络的生命周期。
关键词：无线传感器 节点 能量 流量 能力 预测
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0137-02
传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点[1]。传感器节点由传感器模块、处理器模块、能量供应模块和无线通信模块等4部分组成[1]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据和其他节点传送过来的数据；无线通信模块负责与其他节点进行通信，交换控制消息和收发数据；能量供应模块为上述模块的正常运行提供能量，通常采用微型电池供电。
对无线传感器网络节点的能耗研究一直是无线传感器网络的研究热点之一，该文首先介绍无线传感器网络有关节点能耗研究的情况，然后提出一种基于节点能力的路由选择方法。
1 WSN节点能耗研究概述
目前已有众多有关无线传感器节点能耗的研究，分别涉及传感器节点节能、基于能耗进行分簇和基于能耗进行路由选择等方面，下面分别进行简述，以期为读者提供一种技术概况。
1.1 传感器节点节能
无线通信节点由发送、接收或空闲状态切换到休眠状态时，由于状态切换会消耗能量并产生时延，因此，合适的切换策略至关重要，如果切换策略不合适，不仅无法节能，反而会增加能耗。文献[1]给出了只有在两种状态之间的时长超过门限时才可实现节能。同时，文献[1]还给出了节点A向节点B发送个字节的数据时所消耗的能量为：，接收个字节所消耗的能量为：。
1.2 基于能耗进行分簇
文献[2]提出了一种基于剩余能量的簇头预测方法，在该方法中，簇头节点接收来自簇内各节点的感知数据和剩余能量，簇头对簇内每个节点的剩余能量值进行记录。在簇头预测阶段，簇头通过计算每个簇成员节点的值来预测新的簇头，其中值通过下式得到：。根据簇头预测原则，原簇头将选择最小的成员节点作为新一轮次中的簇头。
LEACH是一种基于分簇的路由协议，网络中节点轮流作簇头，均衡了网络中能量的消耗[3]。针对LEACH协议的不足之处，文献[4]提出了一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法，该方法通过确定簇头节点个数，通过确定节点当选为簇头节点的概率，这在一定程度上实现了簇头节点分布平衡，有效降低节点的能量消耗，延长网络的生命周期。
1.3 基于能耗进行路由选择
在无线传感器网络中，由于存在多个汇聚节点，网络中的数据可以汇报给任何一个汇聚节点，这样就面临路径选择的问题，如果路径选择不当，同样会存在某个节点的能量消耗过于严重而导致的整个网络的能耗不均衡的问题。文献[5]针对上述问题，提出了一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法，在该方法中，传输分组的节点可以在剩余能量较高的邻居节点中选择期望传输次数最小的邻居作为转发节点，或者可以选择能够到达sink节点中的能量级别最高的下一跳节点。通过这种机制，可以减少每次数据传输的能量消耗并均衡节点间的能量消耗，同时每个节点都维护了多条路径，提高传输可靠性。
为在数据路由时能够选择合适的传感器节点，解决无线多媒体传感器网络中节点电源能量、计算、通信和存储能力受限等问题，文献[6]提出了一种面向数据收集的多媒体传感网能量有效节点选择方法，在该方法中，先构建一个能量消耗模型以评估任意时刻每个节点的能量剩余量，综合考虑节点间相关性与节点能量值，从能量值高于允许能量最低值的所有非选择节点中选择一个与选择节点集合相关性最小的节点，将其加入至选择节点集合中，直至所有非选择节点的能量值均低于允许能量最低值。由于该算法能结合实际情况确保每个节点的能量不被耗尽，从而有效地减少了传感器节点数据传输量和能量消耗，延长了网络的整体生存周期。
2 基于节点能力的路由节点选择
无线传感器网络是一个能量受限的网络，路由节点的选择必须要考虑到节点中当前所剩余的能量。上述文献中虽然涉及根据邻居节点的能量信息选择路由节点，但均没有涉及根据节点自身的历史流量信息和节点剩余能量预测节点自身在下一周期的传输能力，该文基于此，提出一种传感器节点根据自身的历史流量信息和节点剩余能量预测节点自身在下一周期的传输能力，并将该能力通告给其邻居节点，使得邻居节点能够根据该节点的能力信息确定是否选择该节点作为下一跳节点，这样能够保证传输任务的顺利进行，避免了传输能力较低的传感器节点承担了传输任务却不能完成传输任务而导致网络瘫痪，从而延长了网络的生命周期。
2.1 中间节点预测下一周期的传输流量
该文中，源节点将数据传输给汇聚节点的过程称为一个传输周期，除了源节点和汇聚节点之外的节点称为中间节点。假设某个中间节点已完成了K次传输，即经过了K个传输周期，该节点计算发送单位数据流量所消耗的能量，接收单位数据流量所消耗的能量为，计算方法可采用文献[1]给出的方法。
统计K个传输周期中每个传输周期内该中间节点已发送和接收的数量流量，设已发送的流量分别为，已
接收的流量为，则平均每个传输周期内该中间节点发送的流量为，接收的平均流量为，不考虑节点的其他能量损耗，则当前节点已经消耗的能量为。 设中间节点的初始能量为，则当前该节点的剩余能量为。中间节点预测下一传输周期本节点的发送流量和接收流量，一种预测方法是直接将前K个周期的平均发送流量B和平均接收流量C作为下一周期内的发送流量和接收流量。也可以采用如下方法：
设K个周期内相邻两个周期之间的发送流量差为，其平均值是，相邻周期接收的数量流量差为，其平均值是，设第K-1周期该中间节点发送和接收的真实的流量分别为和则下一周期该节点的发送流量预测值为，下一周期该节点的接收流量预测值为。
2.2 中间节点预测下一周期内自身的传输能力
中间节点根据预测的下一周期的发送流量和预测的接收流量计算下一周期需要消耗的能量：。
如果≤，则表示该中间节点有能力完成下一周期的传输任务，但可能不能完成下一周期后的再次传输。如果，则表示该中间节点有可能不能完成下一周期的传输任务，如果选择该节点作为下一次传输的路由节点，则可能因该节点不能完成传输任务而导致整个网络瘫痪。
2.3 中间节点通告自身的传输能力
中间节点将自身的传输能力信息通告给自己的邻居节点，在通告信息中表明自身是否可能完成下一次的传输任务，例如：用1表示可以完成下一次的传输任务，用0表示存在不能完成下次传输任务的风险。这样，其他节点在接收到该中间节点的通告消息后，根据该节点通告的能力信息，可确定是否需要选择该中间节点作为下一跳的路由节点，可避免该中间节点被选择为路由节点但却不能完成传输任务而导致网络瘫痪，从而延长了网络的生命周期。
3 结语
该文对传感器节点节能、基于能耗进行分簇以及基于能耗进行路由选择等方面的文献进行梳理分析，在此基础上提出一种WSN节点基于节点本身的剩余能量、历史统计的数据流量、每个周期发送和接收数据所消耗的能量来预测节点自身在下一传输周期中所具有的传输能力，并将传输能力通告给其周围的邻居节点，以使邻居节点在选择路由节点时避免选择传输能力较低的节点而导致传输任务失败、引用网络瘫痪，从而延长无线传感器网络的生命周期。仿真实验测试结果表明该方法在一定程度上能够延长网络生命周期，增强网络的鲁棒性。
参考文献
[1] 谢利强.无线传感器网络能量管理与能耗优化研究[D]. 北京：北京邮电大学，2008.
[2] 北京交通大学.一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法：中国，CN101227413A[P].2008-07-23.
[3] 长春理工大学.基于路径能量消耗及节点剩余能量的多层分簇算法：中国，CN104780583A[P].2015-07-15.
[4] 东北电力大学.一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法：中国，CN102802175A[P].2012-11-28.
[5] 江苏迈利科技发展有限公司.一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法：中国，CN103686920A[P].-2014-03-26.
[6] 南京邮电大学.面向数据收集的多媒体传感网能量有效节点选择方法：CN103916941A[P].2014-07-09.
关键词：无线传感器 节点 能量 流量 能力 预测
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0137-02
传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点[1]。传感器节点由传感器模块、处理器模块、能量供应模块和无线通信模块等4部分组成[1]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据和其他节点传送过来的数据；无线通信模块负责与其他节点进行通信，交换控制消息和收发数据；能量供应模块为上述模块的正常运行提供能量，通常采用微型电池供电。
对无线传感器网络节点的能耗研究一直是无线传感器网络的研究热点之一，该文首先介绍无线传感器网络有关节点能耗研究的情况，然后提出一种基于节点能力的路由选择方法。
1 WSN节点能耗研究概述
目前已有众多有关无线传感器节点能耗的研究，分别涉及传感器节点节能、基于能耗进行分簇和基于能耗进行路由选择等方面，下面分别进行简述，以期为读者提供一种技术概况。
1.1 传感器节点节能
无线通信节点由发送、接收或空闲状态切换到休眠状态时，由于状态切换会消耗能量并产生时延，因此，合适的切换策略至关重要，如果切换策略不合适，不仅无法节能，反而会增加能耗。文献[1]给出了只有在两种状态之间的时长超过门限时才可实现节能。同时，文献[1]还给出了节点A向节点B发送个字节的数据时所消耗的能量为：，接收个字节所消耗的能量为：。
1.2 基于能耗进行分簇
文献[2]提出了一种基于剩余能量的簇头预测方法，在该方法中，簇头节点接收来自簇内各节点的感知数据和剩余能量，簇头对簇内每个节点的剩余能量值进行记录。在簇头预测阶段，簇头通过计算每个簇成员节点的值来预测新的簇头，其中值通过下式得到：。根据簇头预测原则，原簇头将选择最小的成员节点作为新一轮次中的簇头。
LEACH是一种基于分簇的路由协议，网络中节点轮流作簇头，均衡了网络中能量的消耗[3]。针对LEACH协议的不足之处，文献[4]提出了一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法，该方法通过确定簇头节点个数，通过确定节点当选为簇头节点的概率，这在一定程度上实现了簇头节点分布平衡，有效降低节点的能量消耗，延长网络的生命周期。
1.3 基于能耗进行路由选择
在无线传感器网络中，由于存在多个汇聚节点，网络中的数据可以汇报给任何一个汇聚节点，这样就面临路径选择的问题，如果路径选择不当，同样会存在某个节点的能量消耗过于严重而导致的整个网络的能耗不均衡的问题。文献[5]针对上述问题，提出了一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法，在该方法中，传输分组的节点可以在剩余能量较高的邻居节点中选择期望传输次数最小的邻居作为转发节点，或者可以选择能够到达sink节点中的能量级别最高的下一跳节点。通过这种机制，可以减少每次数据传输的能量消耗并均衡节点间的能量消耗，同时每个节点都维护了多条路径，提高传输可靠性。
为在数据路由时能够选择合适的传感器节点，解决无线多媒体传感器网络中节点电源能量、计算、通信和存储能力受限等问题，文献[6]提出了一种面向数据收集的多媒体传感网能量有效节点选择方法，在该方法中，先构建一个能量消耗模型以评估任意时刻每个节点的能量剩余量，综合考虑节点间相关性与节点能量值，从能量值高于允许能量最低值的所有非选择节点中选择一个与选择节点集合相关性最小的节点，将其加入至选择节点集合中，直至所有非选择节点的能量值均低于允许能量最低值。由于该算法能结合实际情况确保每个节点的能量不被耗尽，从而有效地减少了传感器节点数据传输量和能量消耗，延长了网络的整体生存周期。
2 基于节点能力的路由节点选择
无线传感器网络是一个能量受限的网络，路由节点的选择必须要考虑到节点中当前所剩余的能量。上述文献中虽然涉及根据邻居节点的能量信息选择路由节点，但均没有涉及根据节点自身的历史流量信息和节点剩余能量预测节点自身在下一周期的传输能力，该文基于此，提出一种传感器节点根据自身的历史流量信息和节点剩余能量预测节点自身在下一周期的传输能力，并将该能力通告给其邻居节点，使得邻居节点能够根据该节点的能力信息确定是否选择该节点作为下一跳节点，这样能够保证传输任务的顺利进行，避免了传输能力较低的传感器节点承担了传输任务却不能完成传输任务而导致网络瘫痪，从而延长了网络的生命周期。
2.1 中间节点预测下一周期的传输流量
该文中，源节点将数据传输给汇聚节点的过程称为一个传输周期，除了源节点和汇聚节点之外的节点称为中间节点。假设某个中间节点已完成了K次传输，即经过了K个传输周期，该节点计算发送单位数据流量所消耗的能量，接收单位数据流量所消耗的能量为，计算方法可采用文献[1]给出的方法。
统计K个传输周期中每个传输周期内该中间节点已发送和接收的数量流量，设已发送的流量分别为，已
接收的流量为，则平均每个传输周期内该中间节点发送的流量为，接收的平均流量为，不考虑节点的其他能量损耗，则当前节点已经消耗的能量为。 设中间节点的初始能量为，则当前该节点的剩余能量为。中间节点预测下一传输周期本节点的发送流量和接收流量，一种预测方法是直接将前K个周期的平均发送流量B和平均接收流量C作为下一周期内的发送流量和接收流量。也可以采用如下方法：
设K个周期内相邻两个周期之间的发送流量差为，其平均值是，相邻周期接收的数量流量差为，其平均值是，设第K-1周期该中间节点发送和接收的真实的流量分别为和则下一周期该节点的发送流量预测值为，下一周期该节点的接收流量预测值为。
2.2 中间节点预测下一周期内自身的传输能力
中间节点根据预测的下一周期的发送流量和预测的接收流量计算下一周期需要消耗的能量：。
如果≤，则表示该中间节点有能力完成下一周期的传输任务，但可能不能完成下一周期后的再次传输。如果，则表示该中间节点有可能不能完成下一周期的传输任务，如果选择该节点作为下一次传输的路由节点，则可能因该节点不能完成传输任务而导致整个网络瘫痪。
2.3 中间节点通告自身的传输能力
中间节点将自身的传输能力信息通告给自己的邻居节点，在通告信息中表明自身是否可能完成下一次的传输任务，例如：用1表示可以完成下一次的传输任务，用0表示存在不能完成下次传输任务的风险。这样，其他节点在接收到该中间节点的通告消息后，根据该节点通告的能力信息，可确定是否需要选择该中间节点作为下一跳的路由节点，可避免该中间节点被选择为路由节点但却不能完成传输任务而导致网络瘫痪，从而延长了网络的生命周期。
3 结语
该文对传感器节点节能、基于能耗进行分簇以及基于能耗进行路由选择等方面的文献进行梳理分析，在此基础上提出一种WSN节点基于节点本身的剩余能量、历史统计的数据流量、每个周期发送和接收数据所消耗的能量来预测节点自身在下一传输周期中所具有的传输能力，并将传输能力通告给其周围的邻居节点，以使邻居节点在选择路由节点时避免选择传输能力较低的节点而导致传输任务失败、引用网络瘫痪，从而延长无线传感器网络的生命周期。仿真实验测试结果表明该方法在一定程度上能够延长网络生命周期，增强网络的鲁棒性。
参考文献
[1] 谢利强.无线传感器网络能量管理与能耗优化研究[D]. 北京：北京邮电大学，2008.
[2] 北京交通大学.一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法：中国，CN101227413A[P].2008-07-23.
[3] 长春理工大学.基于路径能量消耗及节点剩余能量的多层分簇算法：中国，CN104780583A[P].2015-07-15.
[4] 东北电力大学.一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法：中国，CN102802175A[P].2012-11-28.
[5] 江苏迈利科技发展有限公司.一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法：中国，CN103686920A[P].-2014-03-26.
[6] 南京邮电大学.面向数据收集的多媒体传感网能量有效节点选择方法：CN103916941A[P].2014-07-09.