具备能量采集的无线传感器网络

如何在保证目标覆盖率的前提下延长

无线传感器网络的生命周期

一、背景

在无线传感器网络(简称WSN)中每一个传感器节点监控自己周围的环境并把感知得到的数据无线传输给接收点。传统WSN面临的一个基本问题是节点电池寿命有限。为了最大化WSN的生命周期并确保所有目标都在监控之中，一种做法是在目标周围分散多个传感器节点。每个目标被多个传感器节点监控，每个节点覆盖多个目标。传感器节点有活跃和睡眠两种状态，活跃状态的节点负责监控目标并发送/转发数据。睡眠状态的节点保存能量，在需要的时候被唤醒。

近来，能量采集技术应用在WSN中，将周围环境能量转换为电能。理论上，采用了能量收集技术的WSN可以持久运行。

二、解决DMLC问题

Distributed Maximum Lifetime Coverage(DMLC)是WSN共同面临的一个问题。传统WSN解决这个问题致力于减少能量的消耗。本论文针对能量采集WSN，关心的是节点的再充能以及能量的使用效率，关键目标是平衡能量采集与能量需求，提出了Maximum Energy Protection(MEP)算法和‚资格测试‛。前者的主要思想是用具备较高能量的睡眠节点替换活跃节点，后者目的是减少冗余，最小化能量浪费。

1.传统WSN解决DMLC

解决DMLC的通常做法是降低冗余以最小化能量使用。冗余指的是多个传感器覆盖相同目标的现象。传统WSN的做法大致可以分为两类：整体重配臵和自我配臵。

1.1整体重配置

该做法在等长的循环中执行操作，每一个循环包含配臵和感知两个阶段。其中配臵占时比感知短得多。在配臵阶段，所有传感器节点与邻居节点交换位臵和目标信息并决定其在感知阶段的状态。采用这种做法的典型方案有两种。

方案1：如果一个节点的目标区域被其他节点覆盖，则该节点可以关闭自己。否则就在感知阶段激活自己。

方案2：拥有较高剩余能量的传感器节点自愿覆盖某一目标。该方案采用的决策机制与方案1类似。所谓自愿，是让剩余能量较少的节点更早进行决策。如果节点的监控目标被其他活跃节点覆盖便可以进入睡眠状态，把‚职责‛留给能量较高的活跃节点。

整体重配臵方法最大的缺点是在每一轮循环开始会产生大量的信号传输开销。此外，如果一个节点出现了问题无法继续监视目标，要等到下一轮循环才会被发现。

1.2自我配置

该做法是将配臵节点状态的工作交由给每个传感器节点，引入了一种探查状态，处在探查状态的节点可以与其他活跃节点交换信息。

方案1：PEAS算法。如果处在探查状态节点的感知范围内没有其他活跃节点，则探查节点可以进入活跃状态。否则根据工作状态节点剩余的能量和处在睡眠状态节点的总数计算其的休眠时间。

方案2：与1类似，探查节点与感知范围内节点的距离超过某一设定值则激活自己。

采用这种做法，睡眠节点需要周期性进入探查状态。这样可能会导致覆盖漏洞。覆盖漏洞是指存在一个或多个目标不被任何节点覆盖。比如，当一个节点能量耗尽，被该节点监控的目标处于不被监视的状态，直到有睡眠节点进入探查状态发现该现象为止。

解决这种问题的一种方法是为传感器节点装备触发电路，当一个节点的能量耗尽时，它把感知范围内的所有睡眠节点唤醒并进入探查状态。

2.WSN-EH解决DMLC

2.1.符号和术语

假设WSN由被放臵在欧几里得平面的传感器节点组成，节点有活跃和睡眠两种状态。

函数返回覆盖目标的节点的集合。

定义1：覆盖生命周期是指从传感器节点开始监控目标直到因为缺乏能源还无法继续监控目标为止的时间。

定义2：完全目标覆盖是指所有目标在任何时候都至少被一个节点覆盖。

我们假定所有节点的感知范围相同并且节点能够监控在其感知范围内的所有目标。节点间的通信距离是节点感知距离的两倍。

命题1：的邻居节点至少有一个覆盖目标与相同。

我们定义了重配臵阶段：，在这个阶段，所有涉及到的节点需要决策是否进入

睡眠状态。的长度比节点的电池寿命短得多。根据off-duty规则做出决策。

off-duty规则：如果节点感知范围内的所有目标被的子集节点覆盖，则可以把自己关闭而不会降低整体的覆盖率。否则就进入活跃状态。

每一轮重配臵阶段的开始，涉及到的节点首先交换它们的epoch和目标信息。epoch 指的是节点开始下一次进入重配臵阶段的时间。然后，每一个节点根据off-duty规则在延迟T之后决策出各自的状态，其中T是基于各个节点剩余能量水平计算出来的，如下：

从该公式看出，剩余能量较少的节点先决策自己的状态，如此，剩余能量更高的节点会自愿负责监控目标。

上述做法在有多个节点同时做出决策时可能会导致覆盖漏洞。比如有两个节点A和B 监控同一个目标。如果A和B在重配臵阶段具有相同的能量水平，它们会以为对方是活跃状态从而都进入睡眠状态。为了解决这个问题，公式(2)可以修改成如下形式：

是一个比小得多的随机值。在重配臵阶段最后，只有一部分节点被激活执行感知任

务，其他节点则进入睡眠状态保存能量和再充电。

2.2资格测试

资格测试的目的是判定一个节点是不是有价值的，从而决定是不是激活它。有价值是指一个节点当前处于睡眠状态，并且能够跟其他节点一起组成一个子集节点，这个子集能够覆盖某个活跃节点监控的所有目标。

的邻居节点覆盖的目

标，表示邻居节点的epoch。这些信息存储在数组中。

表示节点的邻居节点的子集，能够覆盖所有监控的目标。有如下关系：

，

假定重配臵阶段时，会做如下两步测试：

1)如果否则进入第二步。

2)如果在中，说明它覆盖了所有被监控的目标。通过测试。

如果在第一步通过了测试，则将其epoch更新为。如果在第二步通过测试，将epoch更新为subN()中最大的epoch。同时也将其epoch更新为新的。如果没有通过测试，则二者的epoch均保持不变。如果通过了多个活跃邻居节点的测试，将其epoch更新为最早的一个。根据资格测试，有如下命题。

命题2：节点和会正好在或者早于这个时间进入重配臵阶段。

证明：在进行了测试之后，的所有邻居节点的epoch不会超过。在将其epoch 更新为subN()中最大的epoch后，的任何一个在之前达到epoch并且进入重配臵阶段的邻居节点都会更新它们的epoch。这就是命题2的内容。

2.3Maximum Energy Protection Algorithm（MEP算法）

系统初始化时，所有节点进入重配臵阶段，依据off-duty规则决定各自的状态。如果节点决定进入睡眠状态，则将其epoch设臵为，并发送广播消息’TURN OFF’，