杜文振陳海明 李 棟 崔 莉

(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100190)

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基于能量自采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)切換機(jī)制研究①

杜文振②陳海明 李 棟 崔 莉③

(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100190)

針對(duì)野外傳感網(wǎng)系統(tǒng)中采用太陽(yáng)能供電的網(wǎng)關(guān)因天氣變化而產(chǎn)生能量供給失效的問(wèn)題，研究了基于歷史能量采集信息和實(shí)時(shí)氣象信息的多網(wǎng)關(guān)切換方法。首先基于氣象信息決定需要切換的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)切換的時(shí)機(jī)；其次提出了一種網(wǎng)關(guān)選擇算法(EasiGS)，根據(jù)候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間讓節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)式選擇網(wǎng)關(guān)接入，以避免網(wǎng)關(guān)失效帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，并通過(guò)最優(yōu)網(wǎng)關(guān)接入方法降低系統(tǒng)中采集節(jié)點(diǎn)的整體能耗；最后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用關(guān)注的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率、網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)與候選網(wǎng)關(guān)之間的傳輸距離等信息，通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)EasiGS的計(jì)算開銷進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)表明，EasiGS能使系統(tǒng)整體能耗達(dá)到最優(yōu)，并且優(yōu)化后的EasiGS能夠有效降低節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算量。

環(huán)境監(jiān)測(cè)， 太陽(yáng)能供電網(wǎng)關(guān)， 網(wǎng)關(guān)切換方法， 網(wǎng)關(guān)選擇算法， 能量恢復(fù)時(shí)間， 概率統(tǒng)計(jì)

0 引 言

野外環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)系統(tǒng)[1,2]在水體監(jiān)測(cè)、森林監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的長(zhǎng)期使用。該類系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(1)傳感網(wǎng)絡(luò)本身由許多具有數(shù)據(jù)采集及傳輸通信能力的傳感節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān)構(gòu)成；(2)網(wǎng)關(guān)使用能量自采集技術(shù)(如太陽(yáng)能)進(jìn)行供電。此類系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)除了執(zhí)行自身的能量采集、任務(wù)處理等功能之外，還擔(dān)負(fù)著把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器的任務(wù)。因此，如果網(wǎng)關(guān)因供電不足失效，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和數(shù)據(jù)完整性。

目前的傳感網(wǎng)系統(tǒng)大多采用多網(wǎng)關(guān)備份的方法[3-8]，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)切換機(jī)制來(lái)保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。但現(xiàn)有方法多采用判斷當(dāng)前工作網(wǎng)關(guān)失效之后切換到備用網(wǎng)關(guān)的技術(shù)思路。這種方法存在以下局限性：首先，切換方法不能完全避免數(shù)據(jù)丟失，因?yàn)闊o(wú)論怎么提高網(wǎng)關(guān)掃描速度，路由也只會(huì)在網(wǎng)關(guān)失效之后進(jìn)行切換，很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)縫切換；其次，未重視失效網(wǎng)關(guān)能夠恢復(fù)工作的可能性，切換算法會(huì)嚴(yán)重影響傳感網(wǎng)系統(tǒng)的整體能量均衡；極端情況下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)頻繁切換，帶來(lái)過(guò)多的整體能量消耗。

目前在網(wǎng)關(guān)切換方面的研究大多是針對(duì)802.11網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)提出的，如文獻(xiàn)[8-15]。網(wǎng)關(guān)切換解決的問(wèn)題包括：(1)如何快速掃描需要切換的網(wǎng)關(guān)；(2)確定需要切換網(wǎng)關(guān)后如何進(jìn)行快速的切換。在進(jìn)行網(wǎng)關(guān)切換之前，節(jié)點(diǎn)需要在候選網(wǎng)關(guān)中選擇最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)。現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)選擇方法[3-9]大多綜合權(quán)衡多種參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇。然而，與無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，本文考慮的網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用能量自采集技術(shù)，網(wǎng)關(guān)的切換不僅需要考慮其剩余能量還需要考慮失效網(wǎng)關(guān)能量恢復(fù)等因素。如何結(jié)合網(wǎng)關(guān)自供電這一特點(diǎn)，研究合適的網(wǎng)關(guān)切換策略與方法，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)以保證傳感網(wǎng)系統(tǒng)整體能耗最優(yōu)是一個(gè)具有實(shí)際意義的問(wèn)題。本文從保證數(shù)據(jù)可靠性和降低系統(tǒng)整體能耗出發(fā)，研究了采用自供電技術(shù)的多網(wǎng)關(guān)傳感網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)無(wú)縫切換機(jī)制和最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法及其優(yōu)化，研究結(jié)果得到了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文主要貢獻(xiàn)包括以下幾點(diǎn)：

(1)針對(duì)野外環(huán)境太陽(yáng)能供電傳感網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)能量供給失效問(wèn)題，利用歷史能量采集信息和實(shí)時(shí)天氣信息，提出了一種無(wú)縫切換的網(wǎng)關(guān)切換方法，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

(2)基于網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間、恢復(fù)工作時(shí)間、傳感節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率等因素，設(shè)計(jì)了最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法EasiGS。

(3)考慮到傳感網(wǎng)系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模性以及切換的頻繁性，基于EasiGS，結(jié)合具體的實(shí)際應(yīng)用，給出不同參數(shù)(數(shù)據(jù)發(fā)送頻率、網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)與候選網(wǎng)關(guān)之間的傳輸距離)下的近似最優(yōu)算法，減少了計(jì)算開銷。

(4)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了近似最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇方法的正確性，并結(jié)合具體的參數(shù)給出了近似算法優(yōu)化性能分析。

1 相關(guān)研究工作

1.1 網(wǎng)關(guān)切換時(shí)機(jī)選擇

對(duì)于網(wǎng)關(guān)切換時(shí)機(jī)的選擇，現(xiàn)有的研究主要集中在對(duì)網(wǎng)關(guān)的快速掃描和提高路由性能兩個(gè)方面。網(wǎng)關(guān)的快速掃描主要是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)可用的網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[9]利用快速同步方法來(lái)降低掃描延遲。文獻(xiàn)[10，11]在鏈路層進(jìn)行快速的可用信道掃描來(lái)降低掃描延遲。文獻(xiàn)[12，13]提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)降低切換延遲。文獻(xiàn)[14]通過(guò)提高多跳路由協(xié)議的性能來(lái)降低路由發(fā)現(xiàn)延遲。但以上工作的基本思路都要求網(wǎng)關(guān)切換請(qǐng)求由節(jié)點(diǎn)發(fā)起，并由節(jié)點(diǎn)主動(dòng)查詢候選網(wǎng)關(guān)。在本文的應(yīng)用場(chǎng)景中，雖然節(jié)點(diǎn)也具備主動(dòng)查詢候選網(wǎng)關(guān)信息的功能，但是切換時(shí)機(jī)由主網(wǎng)關(guān)確定，并發(fā)起切換通知。這也就意味著可以在主網(wǎng)關(guān)失效之前通知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切換，并在主

網(wǎng)關(guān)失效之前選定最優(yōu)的候選網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[12，13]雖然提出了新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但是這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不適用于本文的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2 網(wǎng)關(guān)選擇

在網(wǎng)關(guān)的選擇方面，文獻(xiàn)[16]提出的方法由網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)，選擇跳數(shù)最少的網(wǎng)關(guān)作為最優(yōu)切換網(wǎng)關(guān)。此方法在最初網(wǎng)絡(luò)建立的時(shí)候可用，但是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)關(guān)需要頻繁切換的情況下，這種由網(wǎng)關(guān)發(fā)起機(jī)制會(huì)導(dǎo)致大量廣播數(shù)據(jù)包，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠行лd荷和系統(tǒng)整體能耗。

文獻(xiàn)[3]考慮延遲、跳數(shù)、比特誤碼率等參數(shù)綜合計(jì)算節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的最小代價(jià)，選擇代價(jià)最小的網(wǎng)關(guān)作為候選網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)代價(jià)函數(shù)計(jì)算路由之間的數(shù)據(jù)流量，選擇的候選網(wǎng)關(guān)使得網(wǎng)絡(luò)總體的數(shù)據(jù)流量最小。文獻(xiàn)[5]基于節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的歐式距離和候選網(wǎng)關(guān)負(fù)載量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，并分別賦予它們適合的權(quán)重，從而選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[6]在選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。以上工作都基于多參數(shù)賦權(quán)形式設(shè)計(jì)最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法，但其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中存在如下問(wèn)題：首先，計(jì)算參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值需要在節(jié)點(diǎn)端發(fā)起多次查詢，會(huì)引起一定的通信和能量開銷；其次，網(wǎng)關(guān)選擇算法計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，例如文獻(xiàn)[6]，其在節(jié)點(diǎn)上完全實(shí)現(xiàn)的難度很大，另一方面，如果采用由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)該算法，則需要發(fā)送大量查詢數(shù)據(jù)包。另外，文獻(xiàn)[7]將網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間作為網(wǎng)關(guān)選擇的一個(gè)因素，但是未考慮網(wǎng)關(guān)可恢復(fù)工作的可能。

綜合以上網(wǎng)關(guān)選擇算法，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)有的工作則存在以下局限性：首先，現(xiàn)有的工作較少考慮網(wǎng)關(guān)失效后恢復(fù)的場(chǎng)景，而本文根據(jù)實(shí)際情況將恢復(fù)供電時(shí)間作為影響網(wǎng)關(guān)選擇的一個(gè)重要因素，根據(jù)網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間、恢復(fù)工作時(shí)間、節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率等參數(shù)選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)；其次，在資源受限的節(jié)點(diǎn)上通過(guò)復(fù)雜算法選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算開銷，不適用于頻繁切換網(wǎng)關(guān)的場(chǎng)景，本文通過(guò)優(yōu)化方法降低計(jì)算開銷，從而降低網(wǎng)關(guān)的切換開銷。

2 采用能量自采集網(wǎng)關(guān)的野外環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)和網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中由傳感節(jié)點(diǎn)(包含路由節(jié)點(diǎn)，以下無(wú)特殊說(shuō)明均用節(jié)點(diǎn)代表)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端組成。其中，網(wǎng)關(guān)具有能量自采集功能，其主要組成單元如圖1中所示，包括：太陽(yáng)能供電單元、處理單元、氣象數(shù)據(jù)采集單元、任務(wù)單元和通信單元。

其中處理單元處理網(wǎng)關(guān)計(jì)算操作；任務(wù)單元管理網(wǎng)關(guān)需要完成的任務(wù)，并且根據(jù)供電單元信息得出剩余工作時(shí)間；通信單元負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)的通信；太陽(yáng)能供電單元給網(wǎng)關(guān)供電，即在光照充足的情況下，太陽(yáng)能電池板在供給網(wǎng)關(guān)工作電源的同時(shí)，為蓄電池充電，在光照不足的情況下，網(wǎng)關(guān)由蓄電池供電。正常情況下，蓄電池滿電量時(shí)一般可供應(yīng)網(wǎng)關(guān)工作3到7天。在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于各個(gè)網(wǎng)關(guān)所承擔(dān)的數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)量不同，使得每個(gè)網(wǎng)關(guān)的剩余工作時(shí)間不同。氣象和天氣信息獲取單元負(fù)責(zé)從服務(wù)器獲取參考的氣象信息。

圖1 基于能量自采集網(wǎng)關(guān)的傳感網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層路由算法建立起以各個(gè)網(wǎng)關(guān)為頂點(diǎn)的層次網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。在本文中用到的主要參數(shù)如表1所示。其中，hop(Nij,k)既可事先通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)將該信息存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)本地，也可在進(jìn)行網(wǎng)關(guān)切換時(shí)向從屬其他網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)取得；本文采用兩者相結(jié)合的方法。Lday(i)由網(wǎng)關(guān)根據(jù)自身剩余電壓和工作消耗能量情況計(jì)算求得；Rday由網(wǎng)關(guān)根據(jù)接收到的氣象信息計(jì)算而得。利用向服務(wù)器端獲取到的7天內(nèi)的天氣信息，得出網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間。如果獲取到7天的氣象信息都不能使太陽(yáng)能板充電，則把網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間置為最大值7天。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)建路方案，建立起以各個(gè)網(wǎng)關(guān)為頂點(diǎn)的層次網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最近的網(wǎng)關(guān)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)自己的距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)信息hop(Nij, i)。如圖2所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄自身距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)信息。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)圖

符號(hào) 含義G(g1，g2，…，gi…)傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)集合Nij從屬于網(wǎng)關(guān)gi標(biāo)號(hào)為j的節(jié)點(diǎn)hop(Nij，k)從屬于網(wǎng)關(guān)gi的節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)gk的跳數(shù)Lday(i)網(wǎng)關(guān)gi的剩余工作時(shí)間Rday網(wǎng)關(guān)能夠恢復(fù)工作的時(shí)間R節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送速率

3 網(wǎng)關(guān)切換方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)詳細(xì)介紹網(wǎng)關(guān)切換算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。3.1節(jié)介紹根據(jù)天氣和氣象信息網(wǎng)關(guān)切換機(jī)制。3.2節(jié)介紹了網(wǎng)關(guān)選擇算法EasiGS的詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

3.1 網(wǎng)關(guān)無(wú)縫切換機(jī)制

基于2.1節(jié)的介紹，網(wǎng)關(guān)可從服務(wù)器獲得當(dāng)前天氣信息，并可以從端獲取未來(lái)的氣象情況。根據(jù)這兩種信息，提前做出是否需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)切換的判斷。

定義1：太陽(yáng)能的充電速度為Rcharge，網(wǎng)關(guān)的電量消耗速度為Egate，在T天中網(wǎng)關(guān)能夠恢復(fù)充電的時(shí)間為Rday。

網(wǎng)關(guān)切換需同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：

Rcharge

(1)

Lday

(2)

式(1)通過(guò)網(wǎng)關(guān)的電壓值變化來(lái)判斷充電速度是否小于消耗速度(周期性采樣網(wǎng)關(guān)的電池電壓，采樣頻率根據(jù)實(shí)際需求在具體應(yīng)用中設(shè)定)，如果兩次采樣所得到的電壓值的差為負(fù)數(shù)則表明充電速度小于消耗速度，反之表明電壓值充電速度大于消耗速度。

式(2)通過(guò)歷史統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)關(guān)的電壓與壽命之間的關(guān)系來(lái)判定。圖3所示為某個(gè)網(wǎng)關(guān)的從1月4號(hào)到1月7號(hào)的電壓變化曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)關(guān)電壓低于2.4V時(shí)它已不能正常工作。讀取當(dāng)前網(wǎng)關(guān)電壓值，然后對(duì)照下圖得出距離電壓2.4V剩余工作時(shí)間，即Lday(由于網(wǎng)關(guān)存在充電因素，所以實(shí)際網(wǎng)關(guān)的剩余工作時(shí)間要大于Lday，所以需要周期性地更新Lday)。

圖3 網(wǎng)關(guān)電壓變化示意圖

考慮到在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)[17]統(tǒng)計(jì)，持續(xù)陰雨天的時(shí)間很少超過(guò)7天，因此Rday<7。根據(jù)圖1中所示的氣象和天氣信息獲取單元得到的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)出Rday。由于一年不同時(shí)期電池的一次充電工作時(shí)間會(huì)出現(xiàn)差別，所以網(wǎng)關(guān)根據(jù)所工作的時(shí)期動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如未來(lái)T=7天的氣象信息如表2所示，當(dāng)天分時(shí)段氣象信息如表3所示。

表2 未來(lái)7天氣象信息數(shù)據(jù)來(lái)源：http://www.weather.com.cn/weather/101010100.shtml

表3 當(dāng)天分時(shí)段天氣信息①

根據(jù)表2和表3，分別把描述天氣的情況進(jìn)行形式化定義，具體如表4所示。表3中根據(jù)不同季節(jié)白天日照時(shí)間來(lái)調(diào)整采集的分時(shí)段天氣信息。

表4 氣象形式化定義

定義2：T1，T2，T3，分別為L(zhǎng)evel=1,2,3時(shí)，即晴、陰和多云，天氣的持續(xù)天數(shù)。T21為多云天氣時(shí)(Level=2)，晴天(Level=1)的小時(shí)數(shù)。

Rday=T1+T21

網(wǎng)關(guān)切換流程如圖4所示。當(dāng)需要切換算法的時(shí)候，網(wǎng)關(guān)用廣播包向所在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送切換網(wǎng)關(guān)消息，切換消息通過(guò)層次網(wǎng)絡(luò)直到傳送到葉子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到切換消息后會(huì)向上層節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息。

3.2 網(wǎng)關(guān)選擇算法EasiGS

在傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)出切換網(wǎng)關(guān)命令之后，從屬于該網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)需要選擇切換的網(wǎng)關(guān)，選擇網(wǎng)關(guān)的目標(biāo)是使網(wǎng)絡(luò)整體消耗的能量最少。

3.2.1 輸入?yún)?shù)

節(jié)點(diǎn)收到切換網(wǎng)關(guān)命令之后，首先建立一個(gè)候選網(wǎng)關(guān)信息列表，列表信息包括hop(Nij,k)， Lday(k)，以及Rday；然后根據(jù)hop(Nij,k)、Lday(k)和Rday計(jì)算最優(yōu)候選網(wǎng)關(guān)。需要指出的是，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該選用傳輸數(shù)據(jù)所經(jīng)過(guò)的各節(jié)點(diǎn)的能量之和為指標(biāo)之一來(lái)選擇網(wǎng)關(guān)?？紤]在實(shí)際場(chǎng)景中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率一致，該能量指標(biāo)可近似視為與跳數(shù)參數(shù)具有一致的分布，即傳輸數(shù)據(jù)能耗最低的路徑就是跳數(shù)最少的路徑。因此，本文采用hop(Nij,k)來(lái)作為一個(gè)指標(biāo)。

圖4 網(wǎng)關(guān)切換流程圖

3.2.2 算法設(shè)計(jì)

EasiGS算法是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠快速選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)而設(shè)計(jì)的，優(yōu)化目標(biāo)是總跳數(shù)最少。總跳數(shù)包括正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)和進(jìn)行最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇時(shí)查詢數(shù)據(jù)包所經(jīng)過(guò)的跳數(shù)。網(wǎng)關(guān)選擇的過(guò)程如算法1所示。

算法1 網(wǎng)關(guān)選擇算法．EasiGSInput：Nij[k]，Rday，CalGW，Ld=0；k=1，2，…，N，k≠i；Output：gt；1 FORk=1，2，…，Nk≠i2 IFRday≤Nij[k]．Lday(k)3 Nij[k]放入集合AHop中4 對(duì)集合AHop中按Nij[k]．hop(Nij，k)從小到大排序5 ELSE6 Nij[k]放入集合IHop中7 對(duì)集合IHop中按Nij[k]．hop(Nij，k)從小到大排序8 ENDIF9 ENDFOR10 IFAHop=?11 IFNij[k]∈IHop12 t←argmaxk(Nij[k]．Lday(k))13 returngt14 ENDIF15 ELSEIFIHop=?16 IFNij[k]∈AHop17 t←argmink(Nij[k]．hop(Nij，k))18 returngt19 ENDIF20 ELSE21 IFmin(AHop．Hop)≤min(IHop．Hop)22 IFNij[k]∈AHop23 t←argmink(Nij[k]．hop(Nij，k))24 returngt25 ENDIF26 ELSE27 FOR Nij[k]．hop(Nij，k)∈Ihop．Hop≥Min(Ahop．Hop)28 IHop←IHop?Nij[k]29 ENDFOR30 FOR Nij[k]∈Ihop31 IFLd≥Nij[k]．Lday(k)32 IHop←IHop?Nij[k]33 ENDIF34 Ld←Nij[k]．Lday(k)35 ENDFOR36 FORNij[k]∈(IHop∪{Nij[m]} whereNij[m]∈AHopandNij[m]． hop(Nij，m)=min(AHop．Hop)37 Nij[k]放入集合CalGW

38 ENDFOR39 對(duì)集合CalGW執(zhí)行算法240 ENDIF41 ENDIF

算法1中輸入變量Nij[k]是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，包含3個(gè)成員變量hop(Nij,k)、Lday(k)和EHop。EHop是算法2中計(jì)算出來(lái)代表總的跳數(shù)代價(jià)；在算法1中Ld是用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)跳數(shù)信息的一個(gè)變量。考慮到節(jié)點(diǎn)的資源受限，為了減少每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量，在進(jìn)行最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇之前，先對(duì)候選網(wǎng)關(guān)進(jìn)行篩選，僅對(duì)篩選出來(lái)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行總的跳數(shù)計(jì)算。篩選的基本原則是在保證總的跳數(shù)少的前提下，盡可能選擇剩余工作時(shí)間長(zhǎng)的網(wǎng)關(guān)。算法1的第1行到第9行把網(wǎng)關(guān)分為兩類，一類是網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間大于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的(AHop)；另一類是網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間小于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的(IHop)。本文優(yōu)先選擇剩余工作時(shí)間長(zhǎng)且距離網(wǎng)關(guān)跳數(shù)少的節(jié)點(diǎn)，所以對(duì)這兩類網(wǎng)關(guān)進(jìn)行篩選，篩選的方法是把剩余工作時(shí)間相對(duì)較短并且距離節(jié)點(diǎn)跳數(shù)較多的網(wǎng)關(guān)從集合中去掉(第10行到第19行)。篩選之后的候選網(wǎng)關(guān)滿足以下性質(zhì)：剩余工作時(shí)間越長(zhǎng)的候選網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)距離該網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)越多。

最終把節(jié)點(diǎn)可選的候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間情況分為以下三類：

(1)候選網(wǎng)關(guān)的剩余工作時(shí)間大于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)工作時(shí)間(第15行到第19行)，節(jié)點(diǎn)直接選擇距離跳數(shù)最少網(wǎng)關(guān)即可(第15到第19行)，因?yàn)樵诖朔N情況下每一個(gè)候選網(wǎng)關(guān)的壽命都能滿足任務(wù)的能量需求，選擇跳數(shù)最少的候選網(wǎng)關(guān)就是最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)。

(2)候選網(wǎng)關(guān)的剩余工作時(shí)間都小于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)工作時(shí)間(第10行到第14行)。如果多網(wǎng)關(guān)比較后再切換，會(huì)在原本很短的剩余工作時(shí)間內(nèi)進(jìn)行冗余的查詢操作。為此，在以下兩種方案中選擇一個(gè)作為網(wǎng)關(guān)切換方案：一種是直接選擇剩余工作時(shí)間最長(zhǎng)的候選網(wǎng)關(guān)(第10行到第14行)；另一種是先選擇剩余工作時(shí)間較短的網(wǎng)關(guān)然后再切換到剩余工作時(shí)間最長(zhǎng)的候選網(wǎng)關(guān)(性能參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)部分的分析)。具體采用哪種方案與節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率、候選網(wǎng)關(guān)最少跳數(shù)等參數(shù)相關(guān)，本文在實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

(3)候選網(wǎng)關(guān)的剩余工作時(shí)間既有大于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)工作時(shí)間又有小于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的(第20行到第40行)。此時(shí)，在大于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的候選網(wǎng)關(guān)中選擇跳數(shù)最少的一個(gè)網(wǎng)關(guān)，再和小于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)關(guān)組合起來(lái)，計(jì)算在網(wǎng)關(guān)恢復(fù)工作時(shí)間內(nèi)各種方案的跳數(shù)代價(jià)，最終，通過(guò)比較選擇最優(yōu)的方案。

3.2.3 網(wǎng)關(guān)選擇算法的優(yōu)化

在上一小節(jié)中，對(duì)于篩選后的候選網(wǎng)關(guān)分為三類，其中，情況(1)無(wú)需進(jìn)行計(jì)算，直接選擇距離跳數(shù)最少的候選網(wǎng)關(guān)即為最優(yōu)的方案；情況(2)和情況(3)則需要對(duì)不同方案進(jìn)行總跳數(shù)計(jì)算，然后從中選擇總跳數(shù)最少的方案。在本節(jié)中，針對(duì)情況(2)和情況(3)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，提出了一種近似最優(yōu)的低時(shí)間復(fù)雜度候選網(wǎng)關(guān)選擇算法。

為了便于計(jì)算，在算法1中假設(shè)d1,d2,…,dn分別代表已經(jīng)進(jìn)行篩選過(guò)的候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間，且是從小到大排列；h1,h2,…,hn分別代表相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)到該網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)；節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率用R表示；網(wǎng)關(guān)恢復(fù)工作時(shí)間用tr表示；則對(duì)于di(1≤i≤n)和h2(1≤i≤n)存在以下性質(zhì)：

性質(zhì)1：對(duì)于i>j，1≤i≤n，1≤j≤n；

則di>dj，且hi>hj。

下面針對(duì)情況(2)和情況(3)分別進(jìn)行分析，提出近似最優(yōu)的候選網(wǎng)關(guān)選擇方案。

在候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間低于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的情況下,則對(duì)于篩選后的候選網(wǎng)關(guān)除了滿足性質(zhì)1還滿足性質(zhì)2。

性質(zhì)2：對(duì)于1≤i≤n；

則di

此種情況下，由算法1可得，對(duì)于直接選擇最大剩余時(shí)間和先選擇跳數(shù)相對(duì)較少然后再切換剩余時(shí)間最長(zhǎng)方案，在dn時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳送的總跳數(shù)分別為：

當(dāng)1≤i

(3)

當(dāng)i=n時(shí)；

hopi=Cinitial+dihiR+αi

(4)

其中αi為冗余跳數(shù)，即查詢候選網(wǎng)關(guān)或者切換網(wǎng)關(guān)的時(shí)候傳輸失敗或者數(shù)據(jù)丟失重傳等因素造成的額外跳數(shù);Cinitial為初始化情況下對(duì)所有符合條件的候選網(wǎng)關(guān)進(jìn)行查找和查詢候選網(wǎng)關(guān)信息的總跳數(shù);Ci為查詢候選網(wǎng)關(guān)Gi的總跳數(shù)，在本文中Ci取為4hi。 如上所示，式(3)減去式(4)可得：

1≤i

在式(5)中αi-αn在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì)。所以式(5)可以簡(jiǎn)化為：

hopi-hopn=diR(hi-hn)+4hn

1≤i

結(jié)合實(shí)際情況，在本文網(wǎng)關(guān)選擇算法中假設(shè)hi取值范圍是4到15；di不低于10h；當(dāng)hi在4到15之間隨機(jī)分布的情況下，可得出以下推論：

推論1：當(dāng)R>2的情況下，hopi(1≤i

證明：

(1)取di等于10，R等于2，則式(6)可以轉(zhuǎn)化為：

f(hi, hn)=hopi-hopn=20(hi-hn)+4hn=4(5hi-4hn)

因此該問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為：在4≤hi<15，4

(2)式(6)中hi-hn<0，所以隨著di和R的增加，式(6)是遞減的，也就是hopi(1≤i

綜合(1)和(2)結(jié)果可知，推論1得證。

根據(jù)推論1應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)原理，計(jì)算不同方案的概率，可得出如下結(jié)論：在候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間都不是很長(zhǎng)的情況下，為了避免頻繁的切換，可以選擇一個(gè)剩余工作時(shí)間最長(zhǎng)的網(wǎng)關(guān)；或先選擇跳數(shù)最少的網(wǎng)關(guān)再切換到剩余工作時(shí)間最長(zhǎng)的網(wǎng)關(guān)。

在候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間同時(shí)存在低于恢復(fù)時(shí)間和高于恢復(fù)時(shí)間的情況下，則對(duì)于篩選后的候選網(wǎng)關(guān)除了滿足性質(zhì)1外還滿足性質(zhì)3。

性質(zhì)3：對(duì)于1≤i

則dn>tr，且di

此時(shí)節(jié)點(diǎn)選擇直接切換到剩余工作時(shí)間大于恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)關(guān)，也可在剩余工作時(shí)間小于網(wǎng)關(guān)恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)關(guān)中選擇一個(gè)后再切換到剩余工作時(shí)間大于恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)的網(wǎng)關(guān)。

下面的式(7)是節(jié)點(diǎn)在選擇剩余工作時(shí)間低于恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)關(guān)Gk，然后再切換剩余工作時(shí)間大于恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)關(guān)Gm的總跳數(shù)代價(jià)。由于不同選擇方案初始查詢跳數(shù)代價(jià)都相同，所以為了計(jì)算方便，這部分的跳數(shù)代價(jià)沒(méi)有計(jì)入到初始跳數(shù)代價(jià)中。

(7)

根據(jù)算法2可得，對(duì)于先選擇剩余工作時(shí)間為di(1≤i

(8)

選擇剩余工作時(shí)間為dn的網(wǎng)關(guān)總跳數(shù)為

hopn=Cinitial+trhiR+αi

(9)

由式(8)減去式(9)可得

(10)

推論2：當(dāng)R>3，di>15且候選網(wǎng)關(guān)個(gè)數(shù)不超過(guò)5個(gè)的情況下，hopi(1≤i

證明：

(1)取di等于15，R等于3，則

因此該問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為：在4≤hi<15，4

(2)式(10)中hi-hn<0，所以隨著di和R的增加，式(10)是遞減的，也就是hopi(1≤i

綜合(1)和(2)結(jié)果可知，推論2得證。

在本文的第4部分，將針對(duì)具體的參數(shù)取值區(qū)間，基于統(tǒng)計(jì)的結(jié)果給出參考性的方案選擇。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與性能分析

本節(jié)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析本文提出的網(wǎng)關(guān)選擇算法EasiGS的性能。一方面驗(yàn)證本文提出的網(wǎng)關(guān)選擇算法能夠使得節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)；另一方面分析不同最少跳數(shù)、網(wǎng)關(guān)數(shù)量和發(fā)送頻率場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)性能，并根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出如何選擇相應(yīng)的最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇方案的參考性結(jié)論。

本文采用Matlab做為仿真實(shí)驗(yàn)工具，設(shè)定的候選網(wǎng)關(guān)最多跳數(shù)不超過(guò)15跳，剩余工作時(shí)長(zhǎng)不低于10h。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)上節(jié)中網(wǎng)關(guān)選擇算法優(yōu)化部分進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)上節(jié)中的推論，本文分別針對(duì)以下兩種情況進(jìn)行驗(yàn)證：一是候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間低于恢復(fù)時(shí)間，二是候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間同時(shí)存在低于恢復(fù)時(shí)間和高于恢復(fù)時(shí)間。

4.1 候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間低于恢復(fù)時(shí)間

在本節(jié)中把直接切換到剩余時(shí)間最長(zhǎng)網(wǎng)關(guān)的方案定義為方案一；把先切換到跳數(shù)最少的網(wǎng)關(guān)再切換到剩余時(shí)間最長(zhǎng)的網(wǎng)關(guān)定義為方案二。

在本實(shí)驗(yàn)中，N表示候選網(wǎng)關(guān)個(gè)數(shù)，H表示節(jié)點(diǎn)距離候選網(wǎng)關(guān)最少跳數(shù)，R表示數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率，D表示一天時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總跳數(shù)。Thop1表示節(jié)點(diǎn)選擇方案一的總跳數(shù)，Thop2表示節(jié)點(diǎn)選擇方案二的總跳數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，綜合考慮成本等因素，系統(tǒng)中會(huì)部署盡可能少的網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)可選的候選網(wǎng)關(guān)十分有限。本文的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景選取的候選網(wǎng)關(guān)上限為5個(gè)，已經(jīng)足夠覆蓋實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景將Rday設(shè)定為120h，通過(guò)不同的R，分別統(tǒng)計(jì)N分別為2、3、4、5和H為4到9的情況下，比較方案一和方案二產(chǎn)生的最少跳數(shù)的次數(shù)。如果方案一比方案二產(chǎn)生的最少跳數(shù)少，則方案一優(yōu)于方案二。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10000次，R分別設(shè)定為0.5、1、2次/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

圖5 方案一最優(yōu)的次數(shù)與H和N的關(guān)系(R=0.5)

如圖5可得，在R為0.5、N為5的情況下，進(jìn)行的10000次實(shí)驗(yàn)中，即使在方案二優(yōu)于方案一的情況下，在本實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)Thop1-Thop2>D的次數(shù)如下表5所示。

在Thop1-Thop2≤D的情況下，方案一和方案二的差別不大，所以根據(jù)圖5和表5可得出結(jié)論：在R為0.5且N為5的情況下，方案一不落后于方案二的概率超過(guò)80%，在此種情況下，直接選擇方案一。

表5 方案一比方案二產(chǎn)生的總跳數(shù)相差大于D統(tǒng)計(jì)(在

如圖6可得，在R為1的情況下，進(jìn)行的10000次實(shí)驗(yàn)中，方案一和方案二兩種方案產(chǎn)生最少跳數(shù)的次數(shù)不相上下，所以在此種情況下需要分別進(jìn)行計(jì)算來(lái)選擇最優(yōu)的方案。

圖6 方案一最優(yōu)的次數(shù)與H和N的關(guān)系(R=1)

如圖7所示，在R為2的情況下，進(jìn)行的10000次實(shí)驗(yàn)中，方案一優(yōu)于方案二的次數(shù)不超過(guò)3000次，即R為2的情況下，有超過(guò)70%的概率方案二優(yōu)于方案一；即使在方案一優(yōu)于方案二的情況下，根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，Thop2-Thop1>D 的次數(shù)分別如表6所示：

圖7 方案一最優(yōu)的次數(shù)與H和N的關(guān)系(R=2)

NH23454017203750183569601551140703389275805116856090802861336

根據(jù)圖7和表6可得出結(jié)論：在R為2的情況下，方案一不落后于方案二的概率超過(guò)85%，在此種參數(shù)情況下，可以無(wú)需計(jì)算直接選擇方案一。

除了上述實(shí)驗(yàn)，還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在候選網(wǎng)關(guān)個(gè)數(shù)一定的情況下，隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的提高，兩種方案產(chǎn)出的最少跳數(shù)次數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8 方案一和方案二的優(yōu)的次數(shù)隨著R的變化趨勢(shì)(Rday=120)

圖9的實(shí)驗(yàn)是在候選網(wǎng)關(guān)個(gè)數(shù)一定的情況下，隨著候選網(wǎng)關(guān)Rday的增加，兩種方案產(chǎn)出的最少跳數(shù)次數(shù)的變化趨勢(shì)。

從圖8和圖9可得，隨著R和Rday的增大，方案二優(yōu)于方案一的次數(shù)會(huì)增加。如果不采用此方法，首先要對(duì)所有候選方案分別進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行排序，選擇跳數(shù)最少的方案。如果從單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次計(jì)算考慮，不采用優(yōu)化方法的計(jì)算量非常小，但是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中存在著大量的節(jié)點(diǎn)，并且需要比較頻繁的切換，這種情況下產(chǎn)生的計(jì)算代價(jià)就變成一個(gè)值得考慮的因素。再者，在R大于2，且在一定的恢復(fù)時(shí)間內(nèi)的情況下，即可采用優(yōu)化方案進(jìn)行選擇。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中，R不會(huì)低于2次，所以在多數(shù)情況下，優(yōu)化方案都適用。

圖9 方案一和方案二的優(yōu)的次數(shù)隨著Rday的

4.2 候選網(wǎng)關(guān)剩余工作時(shí)間同時(shí)存在低于恢復(fù)時(shí)間和高于恢復(fù)時(shí)間

在本節(jié)中把候選網(wǎng)關(guān)按照跳數(shù)從小到大排序，假設(shè)有N個(gè)網(wǎng)關(guān)，則候選網(wǎng)關(guān)的編號(hào)依次為1到N；方案M代表節(jié)點(diǎn)先選擇網(wǎng)關(guān)M(1≤M

圖10 方案二或方案三的最優(yōu)的概率與R和Rday的關(guān)系(N=3)

圖11 方案二或方案三的最優(yōu)的概率與R和Rday的關(guān)系(N=4)

如圖10所示，在N為3且R大于2的時(shí)候，方案二或者方案三基本上都能以100%的比率產(chǎn)生最小跳數(shù)，所以在此種情況下，只需在方案二和方案三中進(jìn)行計(jì)算選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)，而無(wú)需計(jì)算和比較方案一。

如圖11所示，在N為2且R大于4的時(shí)候，方案二或者方案三以高于75%的概率產(chǎn)生最小距離，所以在此種情況下，只需在方案二和方案三中進(jìn)行計(jì)算選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)，而無(wú)需計(jì)算和比較方案一和方案四。

類似的結(jié)論可以在具有更多候選網(wǎng)關(guān)的情況下得到，在這里不再贅述?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)論，既可以保證節(jié)點(diǎn)總體發(fā)送跳數(shù)最少，又可以保證節(jié)點(diǎn)較高的概率選擇最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行切換。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，尤其是節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多和切換較頻繁的場(chǎng)景中，本文算法可以有效地降低系統(tǒng)的整體能量開銷。

5 結(jié) 論

采用野外環(huán)境太陽(yáng)能供電傳感網(wǎng)系統(tǒng)受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文從保證數(shù)據(jù)可靠性和降低系統(tǒng)整體能耗的角度出發(fā)，研究了在采用自供電技術(shù)的多網(wǎng)關(guān)傳感網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)無(wú)縫切換機(jī)制和最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法及其優(yōu)化方法。本文提出并證明了計(jì)算復(fù)雜度的近似最優(yōu)方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EasiGS算法能使系統(tǒng)獲得最優(yōu)的整體能耗性能。

未來(lái)的研究工作將進(jìn)一步考慮結(jié)合路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在整體能耗最低的條件下如何提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)的公平性，并在實(shí)際系統(tǒng)中[1]驗(yàn)證近似最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法的性能。

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doi：10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.004

Research on a gateway switching mechanism based on gateway’s energy-harvesting for wireless sensor networks

Du Wenzhen, Chen Haiming, Li Dong, Cui Li

(Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)

To address the problem of insufficient energy supply of the solar-powered gateway in field wireless sensor network system due to weather variations, a multi-gateway switching method based on historically collected energy information and real-time weather information was studied. Firstly, which gateways need to switch and when to switch were determined based on the weather information. Secondly, a gateway selection algorithm, called EasiGS, was presented to make nodes proactively choose the appropriate gateway as the accessing gateway based on the remaining work time of the gateway, so as to avoid data loss and to achieve reduced overall energy consumption of the system. Finally, the computational overhead of the gateway selection algorithm was further optimized according to the rate of data transmission, the time for the gateway to recover to work, the hops of shortest path between the candidate gateway and the node. The simulation results show that the EasiGS can achieve optimal overall power consumption of the system. The optimized EasiGS can effectively reduce the amount of computation required by the nodes.

environment monitoring, solar powered gateway, gateway switch method, gateway selection algorithm, time to restore energy, probability statistics

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.003

①國(guó)家自然科學(xué)基金(61303246)和863計(jì)劃(2014AA093402)資助項(xiàng)目。

②男，1989年生，博士生；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)線傳感器，傳感網(wǎng)系統(tǒng)路由協(xié)議等；E-mail: duwenzhen@ict.ac.cn

③通訊作者，E-mail: lcui@ict.ac.cn

2016-01-21)