传感器网络能耗均衡策略及应用

摘    要
 无线传感器网络是由许多随机分布的传感器节点通过自组织方式形成的一种网络结构，这些传感器节点可以采集温度、湿度等信息，并传送给接收器进行处理。因为传感器节点的能量供给方式是采取电池提供能量，所以整个网络的能量消耗的问题非常突出，如何采取各种措施延长网络的生命周期成为无线传感网络的一个关键问题。
本文首先介绍了无线传感器网络的能耗问题，引入了能量空洞理论，并分析了当前解决能量空洞的几种可以采取的能耗均衡策略，最后重点研究了一种非均匀节点分布策略，在对理论理解的基础上对这种策略进行了网络模拟仿真实验。通过设定实验的参数，试图在各种设定环境下进行模拟，并通过对比实验和实验数据分析得出结论，验证了这种节点分布策略的有效性以及指出存在的一些问题，在本文的最后提出了这种非均匀分布策略的扩展和应用。
1.2 国内外的当前研究现状 think58

[资料来源：http://www.THINK58.com]

对于无线传感器网络能耗均衡的研究，国内外主要有以下两个方面：
1) 对算法和协议的研究。
a) 改进路由算法。如文献[2]中提出的能量平衡路由协议EBDD，相对于传统的DD协议有更高的能量效率。
b) 采取数据压缩和变频，如文献[3]中提到，通过采用变频无线传感器，可以通过改变自己发射功率和频率，修改传输半径，实现单跳多跳的自主选择。
2) 对网络的组织形式的研究。
a) 采取节点的分布策略，采取非均匀的分布策略，使网络节点的密度分布按照一定的规则，实现能耗均衡
b) 采用移动的网络组织形式，如文献[4]中采取可移动式的Sink节点，使传统意义上的靠近Sink节点的节点不断更替，从而实现了Sensor之间不区分什么内外层节点。
c) 采用拓扑控制，可以结合功率控制和分簇式层次网络，LEACH[5]采用了簇状头部旋转平衡能量消耗，从而可以一定程度上减少能量空洞。
2.3.1 网络仿真模拟器的介绍
一般来说，目前对网络和通信的研究方式主要有三种，它们分别是：
1) 理论研究：在理论上和协议上对网络和通信技术进行分析研究，采用数学模型、协议分析、状态机、集合论以及概率统计等理论分析手段对现有的算法、协议、网络性能进行研究。 think58.com [资料来源：http://think58.com]
2) 网络仿真：主要指通过计算机程序进行模拟仿真的方法。
3) 试验网方法：通过真实的实验室测试网络，网络测试床(Network Test bed)和小规模的商业实验网络对网络进行实战检验。
这三种方法各自有自己的特点和缺点，都是相互关联在一起的，只是在不同部分有不同侧重。
1) 理论研究主要用于早期研究与设计阶段，通过创造性思维对新算法和新技术进行理论准备和验证，除了人力和知识，几乎不需要什么额外成本；
2) 试验网方法是网络和系统在投入实际适用前系统的演练，能够发现网络设计与用户需求之间的相合度以及检验网络实际使用的效用和性能。该阶段建设成本很高，要求技术和设备开发相对成熟，网络系统基本成型，一般主要是针对业务和系统稳定性和服务性能的检验；
3) 而网络仿真阶段可以说是处于上面两个方法的中间阶段，它可以对新的算法协议进行计算机上的模拟仿真，可以在很早就发现许多需要在试验网测试中的问题，并有利于及时调整和改进，这个阶段，由于采用计算机软件进行仿真，使得很多研究人员能够研究大规模网络和学习新协议新算法的设计和实现。并且能够在实用前对其进行检验 和改进，此外，他还可以在各种新老系统和算法之间进行比较而不必话费巨资去建立多个实际系统。 think58.com [资料来源：http://THINK58.com]
通过对比，我们可以看到，网络仿真是网络通信研究中非常重要的一种方法，下面我们介绍一下网络仿真的优点和缺点：
网络仿真的优点主要体现在以下几个方面：
1) 成本低：与试验网方法比较而言，网络设备、构件和系统均通过计算机软件模拟实现，实现成本低廉。
2) 灵活可靠、可重构：由于采用软件实现，他的实用、配置和改变更加灵活可靠，对大规模网络也可以轻松进行重新构建。
3) 避重就轻：可以通过软件的方法，有选择性的选择在研究中感兴趣的方面，而把其他一些不相干的方面忽略，这样更加有利于对感兴趣点的深入研究，提高研究效率。
4) 提供研究大规模网络的机会：大规模网络不一定每人都有机会参与建设和研究，而网络仿真平台给了无这样条件的科研人员一个研究大规模网络的机会。
5) 易于比较：由于可以通过软件配置轻松建立、重构各种网络模型，实现各种不同的协议和算法，这使得研究人员能够轻松的比较这些不同模型、协议和算法之间的性能等各方面的优劣。
当然，由于是通过软件进行模拟仿真，它毕竟是虚拟网络，与真实的网络环境还是有一定的差异性，因此，仿真方法也存在一些天生的不足之处：
1) 无法完全重现真实网络环境，使得仿真网络可能会忽略一些重要的网络细节； 内容来自think58 [资料来源：www.THINK58.com]
2) 在对协议、算法和网络系统进行仿真之前，必须通过软件编程对其进行软件模块的实现，这增加了额外的工作量；
3) 网络仿真所得的结果并不一定与真实网络环境下的结果一致，因此，在投入实际应用之前，还需要多方面的验证和通过测试网和真实网络的检验。
总而言之，网络仿真是当前网络通信研究中的重要技术手段之一，在网络通信的建设开发过程中起着不可替代的重要作用。大部分网络通信的技术研究也都必须经过网络仿真研究这么一个重要环节。学术界对网络通信的研究更加离不开网络仿真。
为了方便网络研究人员的研究工作，一款好的网络仿真软件是必不可少的。网络仿真软件必须提供简单易用的网络仿真环境的建立手段，必须实现常用的已经存在的绝大部分网络协议、算法和应用模块，必须能够方便的进行配置和扩展，利于添加新的协议和算法。
当前有许多优秀的网络仿真软件，其中应用比较广泛的主流仿真软件有  OPNET 、 NS2、MATLAB、SPW、QualNet 等，这为网络研究人员提供了很好的网络仿真平台。下面就NS2网络模拟器做一个简单的介绍