隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及硬件技術(shù)，特別是超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，將感知、通信、計算能力集成在一個(gè)傳感器節點(diǎn)成為可能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(以下簡(jiǎn)稱(chēng)傳感器網(wǎng)絡(luò ))就是由成千上萬(wàn)個(gè)這樣的節點(diǎn)構成的。

　　它集感知、通信功能于一身，其目的就是實(shí)現對惡劣環(huán)境或者是人所不易到達的環(huán)境中各種參數(如溫度、濕度、目標位置等)的監測和對某些敏感數據的采集。傳感器網(wǎng)絡(luò )如今已經(jīng)得到了廣泛的應用，包括用以分析遠距離無(wú)人地區的環(huán)境情況(如依靠采集溫度來(lái)實(shí)現對森林火警的監測);將感知節點(diǎn)安裝在特定的交通工具上以分析本地區的通信流量并由此設計出從源點(diǎn)到目標點(diǎn)的最佳交通路線(xiàn);軍事上可用于監測、定位和跟蹤目標點(diǎn)的運動(dòng);在高污染區還可以收集相關(guān)的信息以便于災后重建。由于這些傳感器節點(diǎn)受自身規模的限制，而且能源有限，要給網(wǎng)絡(luò )內大量的節點(diǎn)重新補充能源幾乎是不可行的，這就需要考慮如何在能源有限的情況下最大限度地降低節點(diǎn)能耗以延長(cháng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的連續工作時(shí)間。

　　1.準備工作

　　傳感器節點(diǎn)按其功能可分為以下三個(gè)模塊

　?、俑兄K。假定數據源的產(chǎn)生速率為r，則節點(diǎn)單位時(shí)間的感知耗能為Psense=a3r，a3為一常數(單位為J/bit);②通信模塊。給定發(fā)送節點(diǎn)u和接收節點(diǎn)v，發(fā)送數據的速率為r，兩個(gè)節點(diǎn)間的距離為d。有Ptrans(u，v)=(a11+a2dk)r，Prec=a12r。Ptrans(u，v)表示節點(diǎn)u單位時(shí)間的傳輸能耗，Prec表示節點(diǎn)v單位時(shí)間的接收能耗。其中，k為路徑衰減指數(k一般取2或4)，而a11，a12和a2均為無(wú)線(xiàn)通信常數(其中a2的取值與k有關(guān))。③計算模塊。相比于感知模塊和通信模塊來(lái)說(shuō)，節點(diǎn)的計算模塊能耗很小，通?？梢院雎圆挥?。

　　本文假設：

　?、賯鞲衅骶W(wǎng)絡(luò )被應用于目標跟蹤的場(chǎng)景下。②如圖1所示，E為網(wǎng)絡(luò )內某一時(shí)刻的數據源節點(diǎn)，而傳感器節點(diǎn)主要用于對指定目標點(diǎn)的監測并將采集到的結果以多跳的方式傳輸給遠端的收集節點(diǎn)B，這里我們認為節點(diǎn)B的能量充分大，即不考慮節點(diǎn)B的能耗。假設傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數量為N。③節點(diǎn)隨機的分布在有限區域R內，節點(diǎn)的通信半徑為rt，節點(diǎn)間的數據傳輸是雙向的，即對于網(wǎng)絡(luò )中的任意兩個(gè)節點(diǎn)u和v，若節點(diǎn)u可與節點(diǎn)v直接通信，則節點(diǎn)v也可與節點(diǎn)u直接通信，如圖1，節點(diǎn)的感知半徑為ds，即感知節點(diǎn)只有在距數據源ds之內才能感知到它的存在。④傳感器網(wǎng)絡(luò )內所有的感知節點(diǎn)天線(xiàn)位于同一個(gè)水平線(xiàn)上，并且天線(xiàn)是全向的。⑤利用GPS技術(shù)傳感器節點(diǎn)可獲取自己的位置信息，目前GPS的精度可達5 m左右。

　　由文獻[3]可知，給定一個(gè)二維空間R，傳感器節點(diǎn)的感知半徑ds，能耗參數a11，a12，a2，a3和路徑衰變指數k，感知節點(diǎn)的數量N，每個(gè)節點(diǎn)的初始能量E，并且假定數據源運行軌跡遵循某個(gè)均勻分布的概率分布函數lsource(x，y)，則可得到網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間T的上限值為

　　2.算法思想

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上就是以數據為中心的自組織網(wǎng)絡(luò )，但在以前的關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間的研究中都是假定周?chē)h(huán)境是可靠的，即感知節點(diǎn)只有在能量完全耗盡時(shí)才會(huì )失效，這并未考慮環(huán)境對感知節點(diǎn)的影響。

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于距數據源ds內的節點(diǎn)均能采集到數據并將數據進(jìn)行轉發(fā)，因而如何保證這些節點(diǎn)盡可能的長(cháng)時(shí)間持續運行是我們所關(guān)注的問(wèn)題，針對該問(wèn)題我們借鑒了容錯冗余的概念引入了備份的感知節點(diǎn)，使得某個(gè)感知節點(diǎn)的失效并不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的正常工作。因而在本文中，我們提出了一個(gè)基于備份的分布式算法以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的連續工作時(shí)間，仿真結果表明在節點(diǎn)失效環(huán)境下通過(guò)合理的控制節點(diǎn)數量，該算法的持續工作時(shí)間要長(cháng)于文獻[3]中的方法。

　　3.算法描述

　　在算法的實(shí)際運行中，可分為三個(gè)階段，分別為初始化階段、數據傳輸階段和任務(wù)接管階段。

　　在初始化階段，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)需要確定自身到收集節點(diǎn)B的最小跳數。每個(gè)節點(diǎn)的初始狀態(tài)先置為工作態(tài)。收集節點(diǎn)首先以通信半徑rt廣播一個(gè)HOP消息。除收集節點(diǎn)之外，每個(gè)節點(diǎn)的初始跳數設置為無(wú)窮大。HOP消息的初始跳數設置為0。當某個(gè)節點(diǎn)收到HOP消息后，它將檢查是否已經(jīng)接收過(guò)該消息。如果未曾收到過(guò)，則該節點(diǎn)將把發(fā)送節點(diǎn)的信息(包括發(fā)送節點(diǎn)的ID號)放入其路由表中并把發(fā)送節點(diǎn)設為自己的上游節點(diǎn)，將HOP消息的跳數加1并將其值設置為自己的跳數，之后便以通信半徑rt將新的HOP消息轉發(fā)給鄰居節點(diǎn);否則(即某個(gè)節點(diǎn)以前曾收到HOP消息)該節點(diǎn)將退避一段時(shí)間后再發(fā)送該HOP消息。并且，該節點(diǎn)只會(huì )考慮在退避時(shí)間內所收到的最小跳數的HOP消息。

　　經(jīng)過(guò)退避時(shí)間后，節點(diǎn)將對所收到的HOP消息的跳數與節點(diǎn)以前曾保存的跳數進(jìn)行比較：如果前者比后者小于1，則節點(diǎn)將把發(fā)送者的信息也放人路由表中作為自己的另一個(gè)不同的上游節點(diǎn);如果前者小于后者且二者之差大于1，則發(fā)送者將成為該節點(diǎn)的新的上游節點(diǎn)。相應的，路由表中的節點(diǎn)跳數以及消息跳數均需更新，修改后的HOP消息將繼續被該節點(diǎn)中轉;如果前者不小于后者，則節點(diǎn)將丟棄這新收到的HOP消息。注意在以上的描述中，節點(diǎn)僅在收到第1個(gè)HOP消息時(shí)才會(huì )立即進(jìn)行轉發(fā)。這一策略的好處在于可以加快HOP消息的傳輸速率，也縮短了初始化階段的執行延遲。另一方面，引入退避時(shí)間的好處在于可以讓節點(diǎn)處于等待狀態(tài)以便可以從其鄰居節點(diǎn)接收到更多的HOP消息。雖然較長(cháng)的退避時(shí)間會(huì )增加此階段的完成時(shí)間，但該方法是有效的，因為該階段對靜止的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)只需執行一次，并且也可以避免由于額外的轉發(fā)消息而增加的能耗。畢竟，能源問(wèn)題是傳感器節點(diǎn)最寶貴的資源?？梢钥吹?，在初始化階段執行之后，每個(gè)節點(diǎn)將準確的獲知自己的最小跳數以及其所有的上游節點(diǎn)。

　　當指定要監測的目標出現后即進(jìn)入了數據傳輸階段。感知到該目標的多個(gè)節點(diǎn)利用信息交互盡可能的挑選出跳數最小且自身能量最大的節點(diǎn)作為目標的感知節點(diǎn)，而其他感知到該目標的節點(diǎn)作為備份節點(diǎn)，這些備份節點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低節點(diǎn)能耗。在數據真正傳輸之前，真正的感知節點(diǎn)利用Rodoplu等人提出的MECN算法和節點(diǎn)的上游節點(diǎn)信息建立一條從源節點(diǎn)到收集節點(diǎn)B的最小能耗路徑。