单跳无线传感器网络能量分析计算

节点在闲置模式下能量消耗很小 , e0 可以忽 略不计 , 另外 , 网络协议消耗能量与数据本身传播 消耗能量相比也很小 , 特别是在单跳情况下 , 可以 忽略不计 , 则式 ( 1 ) 成为 α ) =T En = T ( ea +μ
k
M ∑ ci +β
i∈ I
b
+δ S n + erf
k
( 3)
i∈ I h h n b
∑c
i∈ I
i
+β M b +δ Sn
( 2) ci 表示
∑ c 表示节点计算能量 , 这里
指令类型 , I是所有指令集合 。 est =β M b 表示信息 存储能量 , M b 代表存储量 , β表示每字节能量的 能量 。 ese =δ S n 表示节点中传感器感知信息消耗 的能量 , S n 是样本量 δ 为感知一个量输入样本的 能量消耗 。
第 31 卷 第 1 期 2007 年 2 月
南 京 理 工 大 学 学 报 Journa l of Nan jin g Un iversity of Sc ience and Technology
Vol . 31 No. 1 Feb. 2007
单跳无线传感器网络能量分析计算
杨余旺 ,于继明 ,赵 炜 ,郑 亚 ,杨静宇
一簇单跳传感器网络系统由一个簇头和若干 感知节点构成 , 系统总能量等于簇头能量与这些 感知节点能量之和 , 即 Es = Eh + nEn , 代入式 ( 3 ) 和 ( 7 )得 : ( 8) Es = Ea + Ee + Er 这里 : Ea = Tn ( ea + ec s) ; Ee = T [ ( nI+ d ) (
Energy Ana lysis and Com puta tion of S in gle2hop W ireless Sen sor Networks
YANG Yu 2 wang, YU J i2 m ing, ZHAO W ei,来自百度文库ZHENG Ya, YANG J ing2yu
( School of Computer Science and Technology, NUST, Nanjing 210094, China ) Abstract: This paper studies the theoretical model and the analysis computation of energy consump 2 tion for single 2hop w ireless sensor net works . The energy diffusion theory of electromagnetic field and the circuit energy consump tion theory are adop ted to obtain the energy models of common sensing nodes, data aggregation and cluster head nodes in sensor networks . B ased on this, a system energy model is further obtained for single 2hop sensor networks . These models are app lied to the system a2 nalysis of sensor networks composed of chip s from Motorola company, and the energy consump tion computation value is the sam e as that of the relative p roduct performance param eters from Motorola. Moreover, the relationship betw een the number of op tim um cluster head nodes and that of overall net works nodes, and the relationship betw een overall energy consump tion and all the node numbers in sensor networks are computed. These t wo kinds of relationship are likely to change linearly and slow ly . These analysis and computation results have direct reference value for nodes and system de2 sign of w ireless sensor networks . Key words: sensor networks; energy consump tion; single 2hop net work
)+ +β′ M b′ ∑ci′
i∈I k′ k
b
χ μ α] +δ Sn ) ]; Er = T [ ( nI + d )μ ′ +n
即系统总能量消耗由数据汇聚能量 Ea , 收发电路 能量 Ee 和电磁波辐射能量 Er 组成 。 3. 2 单跳传感器网络能量模型应用 单跳传感器网络通常由成千上万节点组成若 干簇 , 分布在一定区域内 。布置网络时面临的首要 问题是 , 需要多少个簇才能使整个网络系统消耗能 量最小。即在一定区域内布置一定数目的节点时 , 采用单跳组网方式 , 求解簇头数目的最优化问题 。 在此基础上 , 求得整个系统的最小能量需求。 2 假设系统布置的区域为 πR , 节点数为 nn , 簇 头数为 nh , 近似地认为每簇头数据的面积为 πR /
α 计算 。 式中 : erf表示无线辐射能量 , 可以按照 μ
2 簇头能量消耗模型
2. 1 数据汇聚模型
1 感知节点能量模型
传感器网络节点具有感知信息和发送信息的 功能 ,其能量消耗可以表示为 k ( 1) En = T [ ea + (μ +λ)α ] + e0 μ α、 μ α λ、 α 式中 : T、 ea 、 、 、 、 k、 e0 分别表示节点收发 数据包循环次数 、 每个循环过程中节点电路消耗的 能量、 收发数据无线传播能量 、 电磁场的扩散损失 项、 具有网络协议能量消耗 、 信源到信宿的距离、 扩 散损失因子、 节点在闲置模式下的能量消耗。 进一步分析式 ( 1 ) 可以用以下式子表示 : ea = ei + est + ese = 式中 : ei =
(南京理工大学 计算机科学与技术学院 ,江苏 南京 210094 )
摘 要 : 该文研究单跳无线传感器网络系统能量消耗的理论模型及其分析计算 。采用电磁场能 量扩散理论 、 电路能量消耗理论和技术 ,得到传感器网络中用于感知的普通节点 、 数据汇聚和簇 头节点的能量模型 ,以此为基础 ,获得单跳传感器网络的系统能量模型 。将这些模型应用到以 Motorola 芯片所构成的传感器网络系统分析中 , 所计算的网络节点能量消耗同 Motorola 产品性 能指标一致 ,并计算出单跳网络中最优簇头数目与节点总数目的关系 , 以及网络系统总能量和 总节点数目的关系 ,两者都近似成线性缓慢变化的特征 。该文研究结果对于无线传感器网络节 点设计和系统设计都具有直接的参考价值 。 关键词 : 传感器网络 ; 能量消耗 ; 单跳网络 中图分类号 : TP 393. 08 文章编号 : 1005 - 9830 ( 2007 ) 01 - 0081 - 04
总第 152 期
杨余旺 于继明 赵 炜 郑 亚 杨静宇 单跳无线传感器网络能量分析计算
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3 单跳传感器网络系统能量模型
3. 1 一簇单跳传感器网络系统总能量模型
4 计算结果
4. 1 基于 Motorola 芯片的网络节点能量计算 Motorola MC68HC908RF2 芯 片 和 Motorola 8020A 传感器可以构成传感器网络节点 。
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南 京 理 工 大 学 学 报
第 31 卷第 1 期
无线传感器技术和节点间的无线通信能力为 传感器网络赋予了广阔的应用的景 , 包括环境监 控、 工业技术 、 和战场战术应用 ,并且可以部署于几 乎任何一个地方 ,进行组网探测和跟踪重要事件 。 微型传感器网络拓扑结构主要有单跳 、 多跳 、 单跳和多跳混合的形式 。 文献 [ 1 ]设计适合单跳传感器网络的计算与 通信能量平衡及能量优化算法 , 能量优化意味着 系统的总体能量消耗最小 , 能量平衡保证所有的 传感器网络节点消耗相等的能量 ,在系统失效前 , 不会出现某节点的单个失效 。 文献 [ 2 ]研究了传感器网络中无线电波异常 的模型和解决方法 。 文献 [ 3 ]研究了传感器网络的拓扑问题 。文 献 [ 4 ]研究了基于嵌入式传感器网络的插补覆盖 问题 。文献 [ 5 ]提出了一种传感器网络最大化生 命周期数据收集算法 。文献 [ 6 ]介绍了几种优化 技术及算法 。 该文针对单跳无线传感器网络系统能量消耗 问题 ,采用电磁场能量扩散理论 、 电路能量消耗理 论和技术 ,得到其普通节点 、 数据汇聚和簇头节点 的能量模型 ,以及网络系统能量模型 ,并给出单跳 网络中节点能量 , 最优簇头数目和系统总能量的 相关计算和结果 。
i∈ I i k
在所研究的单跳网络系统模型中 , 所有节点 将感知的样本数据传输到簇头中 , 簇头负责对数 据的汇聚处理计算 , 并将计算结果单跳传输到系 统基站中 。 假设系统共有节点的数目为 n, 簇头接收的 数据包数目为 Pin , 每个收发周期过程中的输出数 据包数目 Pout为 ( 4) Pout = nPinρ + d 式中 :ρ 表示输入数据包处理因子 (大多是压缩因 ) 子 , d 是汇聚因子 。 上式中如果 ρ等于 0, 则对应于簇头输出数 据包与节点无关 , 例如簇头接收基站指令 , 要求触 发传感器感知温度的控制激活指令 。如果 ρ = 1, 则簇头无任何汇聚信息处理计算 , 和节点一样负 责将数据包转发到基站 。 令 Pinρ = l , 则式 ( 3 ) 成为 : ( 5) Pout = n I + d 2. 2 簇头能量模型 簇头能量模型为 Eh = Eh + Eh , 即簇头能量由 簇头与一般感知节点通信 、 本身数据处理 、 与基站 通信这三部分所消耗的能量构成 。 由式 ( 1 ) 和 ( 3 ) 得 : n b h h′ Eh = Eh + Eh = T{ n ( ea + ec ) + Pout [ ea + k′ h (μ′ )χ ] } + e0 ( 6) +λ′ 式中 : ea 、 e0 分别表示簇头与感知节点通信的电路 消耗能量和闲置模式下消耗的能量 , ec 是每个数 h′ k′ μ′ λ′ χ 据包融合处理时消耗的计算能量 , ea 、 、 、 是 簇头到基站通信能量的计算参数 , 均类似于式 ( 1 ) 的定义 。 闲置模式下能量消耗和网络协议消耗能量可 以忽略不计 , 结合式 ( 3 ) 和式 ( 5 ) 得 h n ( ea + ec ) + ( n I + d ) ( 7) Eh = T k′ χ +β′ M b′ +μ′ ∑ ci′
收稿日期 : 2005 - 09 - 15 修回日期 : 2006 - 12 - 08 基金项目 : 国防科工委基础研究项目 ; 国防科工委研究生创新基金项目 作者简介 : 杨 余 旺 ( 1966 - ) , 男 , 安 徽 舒 城 人 , 副 教 授 , 主 要 研 究 方 向 : 网 络 通 信 , E2 mail: yuwangyang608 @ 163. com。
n( M ∑ci +β
i∈I h
表 1 表示网络节点中有关组件的能量消耗 。 其中第一 、 二、 三列分别表示组件类型 、 一秒中组 件实际工作时间 、 工作时电流数量 。
表 1 节点中有关组件的能量消耗 组件类型 无线辐射 温度传感 压力传感 发射电路 信号转换电路
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