無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性的評(píng)估指標(biāo)分析

張小瓏　石志東　房衛(wèi)東,2*　王秀芝　單聯(lián)海

1(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院　上海 201899)

2(中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所　上海 200051)

3(上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司　上海 201800)

4(上海無線通信研究中心　上海 200335)

?

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性的評(píng)估指標(biāo)分析

張小瓏1石志東1房衛(wèi)東1,2*王秀芝1單聯(lián)海3,4

1(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院上海 201899)

2(中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所上海 200051)

3(上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司上海 201800)

4(上海無線通信研究中心上海 200335)

摘要能量的有效使用是決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期可靠運(yùn)行的重要因素，而對(duì)其的度量，則反映在能量有效性評(píng)估指標(biāo)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗分布，采用分類對(duì)比的方法簡(jiǎn)述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗分布，分析并提出了影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性的關(guān)鍵因素。針對(duì)能量有效性評(píng)估指標(biāo)的選擇，通過研究關(guān)鍵因素對(duì)現(xiàn)有能量有效性評(píng)估指標(biāo)的影響，分類并比較了這些指標(biāo)的適用范圍和特點(diǎn)。結(jié)果表明不同應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)選擇合適的能耗評(píng)估指標(biāo)，這些指標(biāo)的分類為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性評(píng)估指標(biāo)的選擇與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞WSNs能量有效性評(píng)估指標(biāo)

ANALYSIS ON EVALUATION METRICS OF ENERGY EFFICIENCY IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

Zhang Xiaolong1Shi Zhidong1Fang Weidong1,2*Wang Xiuzhi1Shan Lianhai3,4

1(School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 201899,China)2(Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology,CAS,Shanghai 200051,China)3(Shanghai Internet of Things Co.,Ltd.,Shanghai 201800,China)4(Shanghai Research Center for Wireless Communications,Shanghai 200335,China)

AbstractAs an important factor, the effective use of energy makes the wireless sensor networks operate in long-term and reliably, therefore, its measurement is reflected in the energy efficiency evaluation metrics. Based on the power consumption distribution of nodes in WSNs, we give a brief on the power consumption of nodes in WSNs in the way of classified comparison, and analyse and present the key factors affecting the energy efficiency of WSNs as well. Focusing on the choice of energy efficiency evaluation metrics, and through studying the influence of key factors on existing energy efficiency evaluation metrics, we classify and compare the availability scope and features of these metrics. Results indicate that proper energy efficiency evaluation metrics should be chosen for different applied scenes. The classification of these metrics provides the guidance for choosing and optimising the evaluation metrics of energy efficiency in WSNs.

KeywordsWireless sensor networks (WSNs)Energy efficiencyEvaluation metrics

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)由大量價(jià)格低且體積微小的傳感器通過自組織方式構(gòu)成，其中，傳感器可以感知周圍的環(huán)境信息，將這些傳感的信息收集處理后通過特定的路由協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)傳輸給匯集節(jié)點(diǎn)(基站)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。隨著計(jì)算機(jī)、集成電路和通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，WSNs已成為IT領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，如環(huán)境監(jiān)測(cè)[3]、醫(yī)療、智能家居、智能農(nóng)業(yè)等。

與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，WSNs有很多優(yōu)勢(shì)，如低成本、自組網(wǎng)能力和容錯(cuò)能力等，但同時(shí)也存在著技術(shù)挑戰(zhàn)，其中之一就是能量資源的限制。通常，WSNs節(jié)點(diǎn)的能量供給來源于電池，由于其應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，尤其是很多傳感器節(jié)點(diǎn)部署在野外、工作時(shí)無人值守，對(duì)于能量的重新獲取非常困難，甚至是不可能的[4,5]。因此，如何提高傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有效性，以延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，是WSNs研究領(lǐng)域中重要的課題之一。

當(dāng)前，提高WSNs能量有效性的方法有五個(gè)主要方面：節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度、功率控制、介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議、路由協(xié)議和數(shù)據(jù)管理[5]。研究目標(biāo)主要關(guān)注于協(xié)議和算法，對(duì)能量有效性系統(tǒng)的評(píng)估還沒有很好的方法，盡管提出了一些能量有效性評(píng)估指標(biāo)，但這些指標(biāo)大多只關(guān)注優(yōu)化能耗的某些方面，存在著局限性，應(yīng)用場(chǎng)景單一等弊端。因此，本文通過系統(tǒng)地研究WSNs的能耗分布，提出了影響WSNs能量有效性的關(guān)鍵因素，分析了這些因素對(duì)現(xiàn)有能量有效性評(píng)估指標(biāo)的影響，分類比較并提出了已有指標(biāo)的適用范圍和特點(diǎn)，為WSNs能量有效性評(píng)估指標(biāo)的選取與優(yōu)化提供幫助。

1WSNs的能量有效性

1.1WSNs節(jié)點(diǎn)能耗分布

WSNs的能耗主要體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)能耗。WSNs節(jié)點(diǎn)包含四個(gè)模塊如圖1所示：傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和供電模塊[6]。

圖1　WSNs節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

(1) 傳感器模塊

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境信息，并將收集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。傳感器模塊的能耗取決于幾個(gè)環(huán)節(jié)：信號(hào)采樣、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)制，同時(shí)，也與節(jié)點(diǎn)傳感活動(dòng)有關(guān)(周期、睡眠/喚醒等等)。其周期性模式的能耗模型為：

Esensor=Eon-off+Eoff-on+Esensor-run

(1)

式中Eon-off是關(guān)閉傳感器運(yùn)行一次的能耗，Eoff-on是打開傳感器運(yùn)行一次的能耗，Esensor-run是傳感器運(yùn)行時(shí)的能耗，它等于傳感器工作電壓乘以當(dāng)前運(yùn)行的傳感器數(shù)量和傳感運(yùn)行的時(shí)間間隔。

(2) 處理模塊

處理模塊的完成傳感器的控制、協(xié)議通信和數(shù)據(jù)處理。通常，該模塊支持三個(gè)狀態(tài)：休眠、閑置、運(yùn)行。其能耗表示為Ecpu：

(2)

式中Ecpu是各個(gè)狀態(tài)的能耗Ecpu-state和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換能耗Ecpu-change的總和。其中，i=1,2,…,m為處理器運(yùn)行狀態(tài)，m是處理器狀態(tài)數(shù)，j=1,2,…,n是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的類型，n是狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)。Pcpu-state(i)是狀態(tài)i的功率，Tcpu-state(i)是在狀態(tài)i上運(yùn)行的時(shí)間常變量。Ncpu-change(j)狀態(tài)轉(zhuǎn)換j的頻率，ecpu-change(j)狀態(tài)轉(zhuǎn)換j一次的能耗?？梢钥闯鑫⒖刂茊卧?MCU)性能高低可以顯著影響節(jié)點(diǎn)的能耗。

(3) 無線通信模塊

無線通信模塊主要負(fù)責(zé)發(fā)送和接收傳感數(shù)據(jù)，通常包含四種狀態(tài)：發(fā)送、接收、監(jiān)聽和休眠，其中，發(fā)送/接收(或監(jiān)聽)的能耗所占比重最大。其能耗通?？梢苑譃榻邮漳芎暮桶l(fā)送能耗。其總功耗表示為：

PT(d)=PTB+PTRF+PA(d)=PT0+PA(d)

(3)

PR=PRB+PRRF+PL=PR0

(4)

PA(d)=kdn

(5)

其中PA(d)是功率放大器的功耗，它是傳輸范圍d的函數(shù),k和n是常系數(shù)，2

(4) 供電模塊

節(jié)點(diǎn)的供電模塊通常直接與電池相關(guān)，電池是復(fù)雜的模塊，其運(yùn)行取決于許多因素，包括電池尺寸、電極材料的類型和在電解質(zhì)中活性材料的擴(kuò)散率，此外，額定容量和松弛效應(yīng)這樣的非理想因素也會(huì)影響電池的運(yùn)行[7]。通常，供電模塊的能耗與其他模塊相比小很多，可以被忽略。

對(duì)于WSNs節(jié)點(diǎn)的部分組成所消耗的能量對(duì)比見圖2所示，從圖可以看出無線通信模塊的發(fā)送、接收和監(jiān)聽狀態(tài)的能耗最大；無線通信模塊比其他模塊的能耗要大很多。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)能耗情況[8]

1.2影響節(jié)點(diǎn)能耗的因素

通過對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗的分析，可以發(fā)現(xiàn)其無線通信的能耗所占比重最大，而在無線通信中，影響能耗的關(guān)鍵因素分別是傳輸距離、時(shí)延與調(diào)制。

(1) 傳輸距離

發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗E與傳輸距離d的相關(guān)為[9]：

E=kdn+c2

(6)

其中k為常系數(shù)，c是固定常數(shù)，一般是電路等能耗。通常節(jié)點(diǎn)之間的障礙物越多干擾越大n就越大。從式(6)可看出傳輸距離和能耗是非線性關(guān)系，隨著傳輸距離的增加，能耗會(huì)快速上升。如果節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離太小，那么從源節(jié)點(diǎn)到匯集節(jié)點(diǎn)就需要過多的中繼節(jié)點(diǎn)，從而增加電路能耗等額外的能耗；但是若節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離太大，則會(huì)直接增加功率放大器的功耗。同時(shí)過大的傳輸距離也會(huì)由于信道干擾、功率下降等原因使通信信道的可靠性下降，導(dǎo)致誤碼率增加[10,11]，研究表明單跳傳輸?shù)某晒邮章室话銥?0%~90%，而在惡劣環(huán)境下會(huì)更低[12]，若再經(jīng)過多跳傳輸，成功接收率會(huì)進(jìn)一步降低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳率增加，從而進(jìn)一步增加能耗。由于通信模塊的能耗占節(jié)點(diǎn)能耗比重最大，故每跳的傳輸距離選擇會(huì)顯著影響節(jié)點(diǎn)的能耗[13,14]。

(2) 時(shí)延

WSNs為減少能耗，采用節(jié)能技術(shù)之一是動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)技術(shù)[15]。即當(dāng)有節(jié)點(diǎn)需要感知、處理數(shù)據(jù)以及監(jiān)聽、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，開啟相應(yīng)模塊進(jìn)行相應(yīng)操作；如不需要進(jìn)行任何操作時(shí)，則進(jìn)入休眠模式。在監(jiān)聽模式中，盡管傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際上不接收或傳送數(shù)據(jù)，也會(huì)消耗大量的能量。若節(jié)點(diǎn)長期處于休眠狀態(tài)會(huì)延長WSNs的使用壽命，增加能量有效性，但也因此會(huì)增加數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。另一種節(jié)能技術(shù)是動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)，其本質(zhì)上是一種MCU的節(jié)能方法[15,16]。MCU執(zhí)行任務(wù)時(shí)的能耗E為：

(7)

其中Coff，VDD和ntotal表示有效充電電容、任務(wù)電壓和執(zhí)行的指令周期總數(shù)。大多數(shù)MCU系統(tǒng)有一個(gè)時(shí)變計(jì)算負(fù)載，因此并不總是需要系統(tǒng)達(dá)到峰值性能。DVS通過動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器的電源電壓來滿足瞬時(shí)處理要求，因此消除了性能閑置能量。但這種降低運(yùn)行頻率的方法使處理延增加，而增加能耗。

從上面分析可看到，時(shí)延與能耗存在必然的關(guān)聯(lián)，不可為了節(jié)約能量而忽視時(shí)延的增加，因?yàn)樵S多應(yīng)用對(duì)時(shí)延的要求是很嚴(yán)格的[17]。另一方面，當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊轉(zhuǎn)換為低功耗狀態(tài)時(shí)必然會(huì)引起時(shí)延增加，而時(shí)延增加也可能引起處理時(shí)間增加，從而增加能耗。因此需要在數(shù)據(jù)吞吐量、時(shí)延、能耗與網(wǎng)絡(luò)性能間的進(jìn)行權(quán)衡[18]。

(3) 數(shù)據(jù)信息的調(diào)制

四川工商學(xué)院ICT云創(chuàng)園目前組織成員有42人，涵蓋2016級(jí)、2017級(jí)同學(xué)，主要由中興通信學(xué)院的學(xué)生組成，其組織架構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)信息的調(diào)制也會(huì)影響無線通信模塊的能耗，動(dòng)態(tài)調(diào)制調(diào)節(jié)(DMS)是用于無線通信模塊的數(shù)據(jù)調(diào)制方面節(jié)能方法。與DVS相似，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，因此在滿足時(shí)延條件的前提下，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)調(diào)制級(jí)別可以降低通信模塊的能耗[7,19]。其中，傳輸比特率Rb和調(diào)制級(jí)別K的關(guān)系為：

Rb=K·Rs

(8)

其中Rs是傳輸符號(hào)率。

而傳輸功率Ps和調(diào)制級(jí)別K的關(guān)系為：

Ps=Cs·Rs·(2K-1)

(9)

其中Cs是常數(shù)。從式(8)、式(9)可以看出，若使用高階調(diào)制，則每比特信息的平均傳輸時(shí)間小，能耗小，但會(huì)增加誤碼率且每個(gè)數(shù)據(jù)包收集處理數(shù)據(jù)的時(shí)延和電路能耗，因此能耗也會(huì)增加；相反，若使用低階調(diào)制，則每比特信息的平均傳輸時(shí)間大，能耗大，但會(huì)降低誤碼率且每個(gè)數(shù)據(jù)包收集處理數(shù)據(jù)的時(shí)延和電路能耗，因此能耗也會(huì)減少。因此根據(jù)應(yīng)用要求和信道狀況選擇合適的調(diào)制，是提高WSNs能量有效性的有效途徑之一[20]。

綜上所述，傳輸距離、時(shí)延和調(diào)制方案都是影響節(jié)點(diǎn)能量有效性的重要因素。因此，在優(yōu)化與評(píng)估網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能量有效性時(shí)要綜合考慮這些因素。

2能量有效性評(píng)估指標(biāo)

WSNs的能量有效性評(píng)估指標(biāo)不僅可以用來評(píng)估網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總體性能，還是指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的有效方法。根據(jù)上節(jié)中影響節(jié)點(diǎn)能耗的關(guān)鍵因素，將能量有效性評(píng)估指標(biāo)的分析結(jié)合“傳輸距離”、“時(shí)延”和“數(shù)據(jù)信息的調(diào)制”分成三類。

2.1與傳輸距離相關(guān)的指標(biāo)

Bin L.等人提出了EPTD(Energy consumption Per unit Transmit Distance)評(píng)估指標(biāo)[21]，考慮了傳輸能耗和電路能耗和傳輸距離的關(guān)系。指標(biāo)可以表示為：

Ed=E/d

(10)

其中，E表示傳輸每比特的總能耗，d表示傳輸距離。通過該指標(biāo)可以確定基于協(xié)同多輸入多輸出(CMIMO)分簇WSNs的最優(yōu)協(xié)同傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸距離，進(jìn)而選擇合適的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇，從而優(yōu)化WSNs的能量有效性。

2.2與時(shí)延相關(guān)的指標(biāo)

Benedito J. B. Fonseca Jr.等人研究了能耗分布、重新部署率和調(diào)制技術(shù)，提出單位時(shí)間平均運(yùn)行成本COPT(Cost of Operation Per unit Time)[23]：

(11)

其中Nd(t)表示在時(shí)間t內(nèi)重新部署的次數(shù)，Cw是系統(tǒng)帶寬的單位時(shí)間成本，Cd是每次重新部署的總成本。通過該指標(biāo)評(píng)估了重新部署WSNs的單位時(shí)間運(yùn)行成本，并為調(diào)制技術(shù)的選擇提供指導(dǎo)。

Stephanie L.等人重點(diǎn)考慮了要保證信息新鮮度的WSNs應(yīng)用[24]。提出“能量×?xí)r延”，將時(shí)延作為一個(gè)重要因素，權(quán)衡WSNs與能耗的關(guān)聯(lián)。

EPUT(Effective Packet per Unit of Time)指單位時(shí)間傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)傳輸過程中由于采集和保證可靠性等原因，會(huì)造成冗余，因此使用EPUT來衡量有效數(shù)據(jù)包的傳輸效率，進(jìn)而衡量能量有效性。

網(wǎng)絡(luò)壽命(Lifetime)已成為評(píng)估傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。它為傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用提供了一個(gè)上限，近期許多算法或協(xié)議的提出就是要增加WSNs的壽命，同時(shí)也使用網(wǎng)絡(luò)壽命作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。目前，網(wǎng)絡(luò)壽命的定義尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。Isabel D等總結(jié)常見的幾種網(wǎng)絡(luò)壽命定義，并對(duì)其分類，而且指出一些影響網(wǎng)絡(luò)壽命的因素[25]，并提出了一種更一般化且簡(jiǎn)明的網(wǎng)絡(luò)壽命定義。Mustapha R.S.等人則考慮了網(wǎng)絡(luò)壽命的時(shí)空分布特點(diǎn)，通過已有的Lifetime評(píng)估指標(biāo)評(píng)估了幾種常見的協(xié)議，分析了節(jié)點(diǎn)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)離基站距離以及簇首數(shù)量對(duì)每種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)壽命的影響[26]。Atay O.等人提出了一種基于實(shí)用性的網(wǎng)絡(luò)壽命衡量框架WCOT (Weighted Cumulative Operational Time)[27]，指出網(wǎng)絡(luò)壽命的定義應(yīng)與具體應(yīng)用相關(guān)的，網(wǎng)絡(luò)壽命指標(biāo)不應(yīng)僅僅關(guān)注WSNs時(shí)間軸上的單個(gè)點(diǎn)，而忽略了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的演變。通過利用實(shí)用性函數(shù)作為基礎(chǔ)，從而將WSNs的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)考慮在內(nèi)。由于不同應(yīng)用的實(shí)用性函數(shù)不同，而且同類型應(yīng)用的實(shí)用性函數(shù)也會(huì)有差別，因此，如何選取準(zhǔn)確的實(shí)用性函數(shù)是一個(gè)難點(diǎn)。而且WCOT給出的網(wǎng)絡(luò)壽命是一個(gè)相對(duì)時(shí)間不是絕對(duì)時(shí)間。

2.3與調(diào)制方案相關(guān)的指標(biāo)

Josephine A等人提出EPUB(Energy per Useful Bit)[28]：

(12)

其中BD和BP分別是一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)和前同步碼平均數(shù)量，T是單位為s的比特時(shí)間，PTX是以mW為單位的傳輸功率，PRX是以mW為單位的接收功率包括模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和同步電路。常數(shù)ξ是由MAC方案決定的，表示接收模式(PRX)和發(fā)送模式(PTX)時(shí)間的平均比值。Josephine A等考慮了調(diào)制時(shí)的附加同步控制編碼的影響，并將EPUB分為收發(fā)功耗和附加同步控制編碼兩部分分別分析。通過該指標(biāo)可較好地評(píng)估和比較傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的能耗，指導(dǎo)WSNs物理層的設(shè)計(jì)，并可結(jié)合實(shí)際無線設(shè)備分析數(shù)據(jù)包長、數(shù)據(jù)速率、載波頻率和調(diào)制方案對(duì)能耗的影響。

Qing C等人提出了EPB(Energy Per Bit)評(píng)估和優(yōu)化不可靠鏈路的能量有效性[11]。Matthew H.等人在使用EPB的同時(shí)[29]，結(jié)合加性高斯白噪聲和塊瑞利衰落信道模型，對(duì)調(diào)制方案、傳輸功率和跳距離等方面進(jìn)行了優(yōu)化，降低了物理層的能耗。和EPB類似，EPUE(Effective Packet per Unit Energy)是指單位能量傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)包。該指標(biāo)可以用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中調(diào)制方案、調(diào)制級(jí)別、誤碼率和數(shù)據(jù)冗余等因素對(duì)能量有效性的影響。

2.4其他指標(biāo)

夏先進(jìn)等人考慮了WSNs應(yīng)用和節(jié)點(diǎn)等方面的異構(gòu)性，利用經(jīng)典力學(xué)中的做功理論建立WSNs能量有效性評(píng)估指標(biāo)[30]。通過使用“做功效率”，即WSNs在使用壽命內(nèi)的有效做功與總功耗(實(shí)際能耗)的比值作為評(píng)估WSNs能量有效性的指標(biāo)，提出平均能量衰減率和能量熵作為WSNs能耗狀態(tài)的衡量指標(biāo)，綜合的設(shè)計(jì)了一套WSNs能量有效性評(píng)估的框架，能夠用于異構(gòu)的WSNs中，可更有效地評(píng)價(jià)和分析WSNs的能量有效性。另外，總能耗和總傳輸數(shù)據(jù)包分別是指每輪數(shù)據(jù)傳輸所消耗的總能量和傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)包，是用于評(píng)估協(xié)議常見的指標(biāo)。

3評(píng)估指標(biāo)分析比較

通過對(duì)評(píng)估指標(biāo)中影響能量有效性因素的研究，分析、比較并總結(jié)了常見的WSNs評(píng)估能量有效性的指標(biāo)。如表1所示，(++)表示重點(diǎn)考慮、(+)表示有考慮到、(-)表示沒有考慮到。

表1　WSNs評(píng)估能量有效性指標(biāo)的分析比較

續(xù)表1

通過表1可以看出，每種評(píng)估指標(biāo)關(guān)注點(diǎn)都不同，考慮的因素及適用范圍不同，也各有優(yōu)點(diǎn)和不足。EPTD用于分簇協(xié)同傳輸多跳WSNs，且只用于協(xié)同傳輸節(jié)點(diǎn)選擇和中繼簇選擇；EPSBM是在EPSB的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，僅針對(duì)跳距離的選擇；COPT只用于重新部署的網(wǎng)絡(luò)，適用范圍??；“能量×延遲”一般用于注重時(shí)延的WSNs中；EPUT考慮了數(shù)據(jù)冗余和時(shí)延的影響，間接評(píng)估了能量有效性；Lifetime是評(píng)估WSNs性能最直接的指標(biāo)，很多提高能量有效性的方法或協(xié)議的提出就是要延長Lifetime，因此也造成了Lifetime的多種定義，且差別很大，難以反映WSNs運(yùn)行過程中的瞬時(shí)能耗，尤其是某些Lifetime的定義只關(guān)注于分析而不適用于網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化；EPUB主要是針對(duì)物理層的數(shù)據(jù)速率、載波頻率和調(diào)制方案的分析和優(yōu)化，而沒有考慮其他因素的影響；EPB是較具有一般性的評(píng)估指標(biāo)，物理意義簡(jiǎn)明，考慮的因素全面；EPUE直接用于網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估，物理意義明確；做功效率只關(guān)注于能耗分析而不適用于網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化，且計(jì)算公式復(fù)雜，公式的準(zhǔn)確性也難以判定；總能耗和總傳輸數(shù)據(jù)包過于簡(jiǎn)單，局限性大且不適于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性研究的主要目的就是增加網(wǎng)絡(luò)壽命，因此，我們認(rèn)為Lifetime指標(biāo)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最常用的評(píng)估指標(biāo)；EPB指標(biāo)相對(duì)于其他指標(biāo)更加簡(jiǎn)單，而且體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能和能耗的關(guān)系，是一種比較普遍的評(píng)估指標(biāo)；當(dāng)研究最優(yōu)傳輸距離時(shí)，可以選擇EPSBM作為評(píng)估指標(biāo)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)被認(rèn)為很重要時(shí)，可以考慮選擇“能量×延遲”作為評(píng)估指標(biāo)；當(dāng)研究控制編碼的影響時(shí)，建議使用EPUB指標(biāo)。

4結(jié)語

WSNs能量的有效性分析與合理的評(píng)估指標(biāo)是評(píng)價(jià)WSNs協(xié)議以及指導(dǎo)WSNs設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文結(jié)合影響WSNs能量有效性的主要因素對(duì)一些常見的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了分析，總結(jié)了這些指標(biāo)的特點(diǎn)和適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，合適的能耗評(píng)估指標(biāo)，方便研究者根據(jù)需要選擇合適的指標(biāo)來評(píng)估WSNs的能量有效性，并有助于協(xié)議的改進(jìn)和WSNs的設(shè)計(jì)。我們下一步的工作是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)評(píng)估指標(biāo)，得到更加便于實(shí)現(xiàn)的輕量級(jí)能耗評(píng)估評(píng)估指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A survey on sensor networks[J].Communications Magazine,IEEE,2002,40(8):102-114.

[2] 司海飛,楊忠,王珺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2011,28(1):16-20.

[3] Larios D F,Barbancho J,Rodriguez G,et al.Energy efficient wireless sensor network communications based on computational intelligent data fusion for environmental monitoring[J].Communications,IET,2012,6(14):2189-2197.

[4] Cheng Z,Perillo M,Heinzelman W B.General network lifetime and cost models for evaluating sensor network deployment strategies[J].Mobile Computing,IEEE Transactions on,2008,7(4):484-497.

[5] Gao D Y,Zhang L J,Wang H C.Energy saving with node sleep and power control mechanisms for wireless sensor networks[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2011,18(1):49-59.

[6] Pantazis N A,Nikolidakis S A,Vergados D D.Energy-efficient routing protocols in wireless sensor networks:A survey[J].Communications Surveys & Tutorials,IEEE,2013,15(2):551-591.

[7] Raghunathan V,Schurgers C,Park S,et al.Energy-aware wireless microsensor networks[J].Signal Processing Magazine,IEEE,2002,19(2):40-50.

[8] Estrin D.Wireless sensor networks tutorial part IV:sensor network protocols[C]//Proceedings of the 8th ACM Mobicom,Atlanta,Georgia,USA,Westin Peachtree Plaza,2002:23-28.

[9] Stojmenovic I,Lin X.Power-aware localized routing in wireless networks[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on,2001,12(11):1122-1133.

[10] Hui W,Baoshu X.An Energy Efficient Routing Metric Algorithm Base on PCE for WSN[C]//Intelligent Computing and Cognitive Informatics (ICICCI),2010 International Conference on.IEEE,2010:90-93.

[11] Cao Q,He T,Fang L,et al.Efficiency Centric Communication Model for Wireless Sensor Networks[C]//Jordi Domingo-Pascual.25th IEEE Intemational Conferenee on Computer Communications Proceedings,Barcelona,Spain,2006:1-12.

[12] Zhao J,Govindan R.Understanding packet delivery performance in dense wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor systems.ACM,2003:1-13.

[13] Akhtar A M,Nakhai M R,Aghvami A H.Power aware cooperative routing in wireless mesh networks[J].Communications Letters,IEEE,2012,16(5):670-673.

[14] Rodoplu V,Meng T H.Minimum energy mobile wireless networks[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,1999,17(8):1333-1344.

[15] Benini L,DeMicheli G.Dynamic power management:design techniques and CAD tools[M].Springer,1998.

[16] Seo J,Kim T,Lee J.Optimal intratask dynamic voltage-scaling technique and its practical extensions[J].Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,IEEE Transactions on,2006,25(1):47-57.

[17] Kim E J,Shon T,Park J J H,et al.Latency bounded and energy efficient MAC for wireless sensor networks[J].Communications,IET,2012,6(14):2120-2127.

[18] Chiasserini C,Garetto M.An analytical model for wireless sensor networks with sleeping nodes[J].Mobile Computing,IEEE Transactions on,2006,5(12):1706-1718.

[19] Schurgers C,Aberthorne O,Srivastava M.Modulation scaling for energy aware communication systems[C]//Proceedings of the 2001 international symposium on Low power electronics and design.ACM,2001:96-99.

[20] 李燁,張旗,黃曉霞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].先進(jìn)技術(shù)研究通報(bào),2009,3(11):2-6.

[21] Li B,Wang W,Yin Q,et al.A new cooperative transmission metric in wireless sensor networks to minimize energy consumption per unit transmit distance[J].Communications Letters,IEEE,2012,16(5):626-629.

[22] Shrotriya A,Nitnawwre D.Optimizing Energy Consumption of Wireless Sensor Network Based on Hop Distance[J].IJCSC,2012,3(1):33-37.

[23] Fonseca B J B,Gubner J A.Operation Cost as a Performance Metric of Wireless Sensor Networks[C]//Statistical Signal Processing,2007.SSP’07.IEEE/SP 14th Workshop on.IEEE,2007:680-684.

[24] Lindsey S,Raghavendra C,Sivalingam K M.Data gathering algorithms in sensor networks using energy metrics[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on,2002,13(9):924-935.

[25] Dietrich I,Dressler F.On the lifetime of wireless sensor networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN),2009,5(1):1-38.

[26] Senouci M R,Mellouk A,Senouci H,et al.Performance evaluation of network lifetime spatial-temporal distribution for WSN routing protocols[J].Journal of Network and Computer Applications,2012,35(4):1317-1328.

[27] Ozgovde A,Ersoy C.WCOT:A utility based lifetime metric for wireless sensor networks[J].Computer Communications,2009,32(2):409-418.

[28] Ammer J,Rabaey J.The energy-per-useful-bit metric for evaluating and optimizing sensor network physical layers[C]//Sensor and Ad Hoc Communications and Networks,2006.SECON’06.2006 3rd Annual IEEE Communications Society on.IEEE,2006,2:695-700.

[29] Holland M,Wang T,Tavli B,et al.Optimizing physical-layer parameters for wireless sensor networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks(TOSN),2011,7(4):28.

[30] 夏先進(jìn),李士寧,李志剛,等.基于做功系統(tǒng)的WSN能量有效性評(píng)價(jià)模型[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(13):3647-3652.

中圖分類號(hào)TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.02.021

收稿日期：2014-06-09。國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(6130 2113)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13ZR1440800)；上海市青年科技啟明星計(jì)劃項(xiàng)目(14QB1404400)。張小瓏，碩士生，主研領(lǐng)域：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息安全，能量有效性。石志東，研究員。房衛(wèi)東，高工。王秀芝，碩士生。單聯(lián)海，副研究員。