能量有效性论文

能量有效性论文（精选8篇）

能量有效性论文 第1篇

无线传感器网络( WSNs) 由大量价格低且体积微小的传感器通过自组织方式构成,其中,传感器可以感知周围的环境信息,将这些传感的信息收集处理后通过特定的路由协议将传感数据传输给汇集节点( 基站) ,从而可以实现对环境的实时监控[1]。随着计算机、集成电路和通信等技术的飞速发展,WSNs已成为IT领域的热点,在很多领域得到了广泛应用[2],如环境监测[3]、医疗、智能家居、智能农业等。

与传统的网络技术相比,WSNs有很多优势,如低成本、自组网能力和容错能力等,但同时也存在着技术挑战,其中之一就是能量资源的限制。通常,WSNs节点的能量供给来源于电池,由于其应用场景的多样性,尤其是很多传感器节点部署在野外、工作时无人值守,对于能量的重新获取非常困难,甚至是不可能的[4,5]。因此,如何提高传感器节点的能量有效性,以延长整个网络的寿命,是WSNs研究领域中重要的课题之一。

当前,提高WSNs能量有效性的方法有五个主要方面: 节点休眠调度、功率控制、介质访问控制( MAC) 协议、路由协议和数据管理[5]。研究目标主要关注于协议和算法,对能量有效性系统的评估还没有很好的方法,尽管提出了一些能量有效性评估指标,但这些指标大多只关注优化能耗的某些方面,存在着局限性,应用场景单一等弊端。因此,本文通过系统地研究WSNs的能耗分布,提出了影响WSNs能量有效性的关键因素,分析了这些因素对现有能量有效性评估指标的影响,分类比较并提出了已有指标的适用范围和特点,为WSNs能量有效性评估指标的选取与优化提供帮助。

1 WSNs的能量有效性

1. 1 WSNs节点能耗分布

WSNs的能耗主要体现为节点能耗。WSNs节点包含四个模块如图1 所示: 传感器模块、处理模块、无线通信模块和供电模块[6]。

( 1) 传感器模块

传感器模块主要负责感知周围环境信息,并将收集到的模拟信号转换为数字信号。传感器模块的能耗取决于几个环节:信号采样、A/D转换和信号调制,同时,也与节点传感活动有关( 周期、睡眠/唤醒等等) 。其周期性模式的能耗模型为:

式中Eon - off是关闭传感器运行一次的能耗,Eoff - on是打开传感器运行一次的能耗,Esensor - run是传感器运行时的能耗,它等于传感器工作电压乘以当前运行的传感器数量和传感运行的时间间隔。

( 2) 处理模块

处理模块的完成传感器的控制、协议通信和数据处理。通常,该模块支持三个状态: 休眠、闲置、运行。其能耗表示为Ecpu:

式中Ecpu是各个状态的能耗Ecpu - state和状态之间转换能耗Ecpu - change的总和。其中,i = 1,2,…,m为处理器运行状态,m是处理器状态数,j = 1,2,…,n是状态转换的类型,n是状态转换数。Pcpu - state( i) 是状态i的功率,Tcpu - state( i) 是在状态i上运行的时间常变量。Ncpu - change( j) 状态转换j的频率,ecpu - change( j) 状态转换j一次的能耗。可以看出微控制单元( MCU) 性能高低可以显著影响节点的能耗。

( 3) 无线通信模块

无线通信模块主要负责发送和接收传感数据,通常包含四种状态: 发送、接收、监听和休眠,其中,发送/接收( 或监听) 的能耗所占比重最大。其能耗通常可以分为接收能耗和发送能耗。其总功耗表示为:

其中PA( d) 是功率放大器的功耗,它是传输范围d的函数,k和n是常系数,2 < n < 4,如果节点之间的障碍物越多干扰越大n就越大。PA( d) 取决于很多因素包括具体的硬件、直流偏置条件、负载特性、运行频率和PA输出功率PTX。

( 4) 供电模块

节点的供电模块通常直接与电池相关,电池是复杂的模块,其运行取决于许多因素,包括电池尺寸、电极材料的类型和在电解质中活性材料的扩散率,此外,额定容量和松弛效应这样的非理想因素也会影响电池的运行[7]。通常,供电模块的能耗与其他模块相比小很多,可以被忽略。

对于WSNs节点的部分组成所消耗的能量对比见图2 所示,从图可以看出无线通信模块的发送、接收和监听状态的能耗最大; 无线通信模块比其他模块的能耗要大很多。

1. 2 影响节点能耗的因素

通过对节点能耗的分析,可以发现其无线通信的能耗所占比重最大,而在无线通信中,影响能耗的关键因素分别是传输距离、时延与调制。

( 1) 传输距离

发送数据的能耗E与传输距离d的相关为[9]:

其中k为常系数,c是固定常数,一般是电路等能耗。通常节点之间的障碍物越多干扰越大n就越大。从式( 6) 可看出传输距离和能耗是非线性关系,随着传输距离的增加,能耗会快速上升。如果节点间的传输距离太小,那么从源节点到汇集节点就需要过多的中继节点,从而增加电路能耗等额外的能耗; 但是若节点间的传输距离太大,则会直接增加功率放大器的功耗。同时过大的传输距离也会由于信道干扰、功率下降等原因使通信信道的可靠性下降,导致误码率增加[10,11],研究表明单跳传输的成功接收率一般为70% ~ 90% ,而在恶劣环境下会更低[12],若再经过多跳传输,成功接收率会进一步降低,导致数据重传率增加,从而进一步增加能耗。由于通信模块的能耗占节点能耗比重最大,故每跳的传输距离选择会显著影响节点的能耗[13,14]。

( 2) 时延

WSNs为减少能耗,采用节能技术之一是动态电源管理( DPM) 技术[15]。即当有节点需要感知、处理数据以及监听、发送或接收数据时,开启相应模块进行相应操作; 如不需要进行任何操作时,则进入休眠模式。在监听模式中,尽管传感器节点实际上不接收或传送数据,也会消耗大量的能量。若节点长期处于休眠状态会延长WSNs的使用寿命,增加能量有效性,但也因此会增加数据的处理与转发时延。另一种节能技术是动态电压调节( DVS) ,其本质上是一种MCU的节能方法[15,16]。MCU执行任务时的能耗E为:

其中Coff,VDD和ntotal表示有效充电电容、任务电压和执行的指令周期总数。大多数MCU系统有一个时变计算负载,因此并不总是需要系统达到峰值性能。DVS通过动态调整处理器的电源电压来满足瞬时处理要求,因此消除了性能闲置能量。但这种降低运行频率的方法使处理延增加,而增加能耗。

从上面分析可看到,时延与能耗存在必然的关联,不可为了节约能量而忽视时延的增加,因为许多应用对时延的要求是很严格的[17]。另一方面,当节点模块转换为低功耗状态时必然会引起时延增加,而时延增加也可能引起处理时间增加,从而增加能耗。因此需要在数据吞吐量、时延、能耗与网络性能间的进行权衡[18]。

( 3) 数据信息的调制

数据信息的调制也会影响无线通信模块的能耗,动态调制调节( DMS) 是用于无线通信模块的数据调制方面节能方法。与DVS相似,系统运行时的负载状态是动态变化的,因此在满足时延条件的前提下,根据当前负载,动态调节数据调制级别可以降低通信模块的能耗[7,19]。其中,传输比特率Rb和调制级别K的关系为:

其中Rs是传输符号率。

而传输功率Ps和调制级别K的关系为:

其中Cs是常数。从式( 8) 、式( 9) 可以看出,若使用高阶调制,则每比特信息的平均传输时间小,能耗小,但会增加误码率且每个数据包收集处理数据的时延和电路能耗,因此能耗也会增加;相反,若使用低阶调制,则每比特信息的平均传输时间大,能耗大,但会降低误码率且每个数据包收集处理数据的时延和电路能耗,因此能耗也会减少。因此根据应用要求和信道状况选择合适的调制,是提高WSNs能量有效性的有效途径之一[20]。

综上所述,传输距离、时延和调制方案都是影响节点能量有效性的重要因素。因此,在优化与评估网络协议的能量有效性时要综合考虑这些因素。

2 能量有效性评估指标

WSNs的能量有效性评估指标不仅可以用来评估网络协议的总体性能,还是指导网络协议的选择、设计和优化的有效方法。根据上节中影响节点能耗的关键因素,将能量有效性评估指标的分析结合“传输距离”、“时延”和“数据信息的调制”分成三类。

2. 1 与传输距离相关的指标

Bin L. 等人提出了EPTD( Energy consumption Per unit Transmit Distance) 评估指标[21],考虑了传输能耗和电路能耗和传输距离的关系。指标可以表示为:

其中,E表示传输每比特的总能耗,d表示传输距离。通过该指标可以确定基于协同多输入多输出( CMIMO) 分簇WSNs的最优协同传输节点数量和传输距离,进而选择合适的下一跳转发簇,从而优化WSNs的能量有效性。

Anshul S. 等根据干扰噪声等因素对信道的影响,考虑了误码率和传输距离的关系,基于EPSB ( Energy Per Successfully received Bit) ,提出EPSBM指标[22]。通过EPSB优化传输功率; 当传输功率固定时,再通过EPSBM可以优化传输距离。

2. 2 与时延相关的指标

Benedito J. B. Fonseca Jr. 等人研究了能耗分布、重新部署率和调制技术,提出单位时间平均运行成本COPT( Cost of Operation Per unit Time)[23]:

其中Nd( t) 表示在时间t内重新部署的次数,Cw是系统带宽的单位时间成本,Cd是每次重新部署的总成本。通过该指标评估了重新部署WSNs的单位时间运行成本,并为调制技术的选择提供指导。

Stephanie L. 等人重点考虑了要保证信息新鲜度的WSNs应用[24]。提出“能量 × 时延”,将时延作为一个重要因素,权衡WSNs与能耗的关联。

EPUT( Effective Packet per Unit of Time) 指单位时间传输的有效数据包。在数据传输过程中由于采集和保证可靠性等原因,会造成冗余,因此使用EPUT来衡量有效数据包的传输效率,进而衡量能量有效性。

网络寿命( Lifetime) 已成为评估传感器网络的一个关键指标。它为传感器网络的使用提供了一个上限,近期许多算法或协议的提出就是要增加WSNs的寿命,同时也使用网络寿命作为评估标准。目前,网络寿命的定义尚未有统一标准。Isabel D等总结常见的几种网络寿命定义,并对其分类,而且指出一些影响网络寿命的因素[25],并提出了一种更一般化且简明的网络寿命定义。Mustapha R. S. 等人则考虑了网络寿命的时空分布特点,通过已有的Lifetime评估指标评估了几种常见的协议,分析了节点数量和节点离基站距离以及簇首数量对每种协议网络寿命的影响[26]。Atay O. 等人提出了一种基于实用性的网络寿命衡量框架WCOT ( Weighted Cumulative Operational Time)[27],指出网络寿命的定义应与具体应用相关的,网络寿命指标不应仅仅关注WSNs时间轴上的单个点,而忽略了网络运行状态的演变。通过利用实用性函数作为基础,从而将WSNs的网络状态考虑在内。由于不同应用的实用性函数不同,而且同类型应用的实用性函数也会有差别,因此,如何选取准确的实用性函数是一个难点。而且WCOT给出的网络寿命是一个相对时间不是绝对时间。

2. 3 与调制方案相关的指标

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

其中BD和BP分别是一个数据包的数据和前同步码平均数量,T是单位为s的比特时间,PTX是以m W为单位的传输功率,PRX是以m W为单位的接收功率包括模数转换( ADC) 和同步电路。常数 ξ 是由MAC方案决定的,表示接收模式( PRX) 和发送模式( PTX) 时间的平均比值。Josephine A等考虑了调制时的附加同步控制编码的影响,并将EPUB分为收发功耗和附加同步控制编码两部分分别分析。通过该指标可较好地评估和比较传感器网络物理层的能耗,指导WSNs物理层的设计,并可结合实际无线设备分析数据包长、数据速率、载波频率和调制方案对能耗的影响。

Qing C等人提出了EPB( Energy Per Bit) 评估和优化不可靠链路的能量有效性[11]。Matthew H. 等人在使用EPB的同时[29],结合加性高斯白噪声和块瑞利衰落信道模型,对调制方案、传输功率和跳距离等方面进行了优化,降低了物理层的能耗。和EPB类似,EPUE( Effective Packet per Unit Energy) 是指单位能量传输的有效数据包。该指标可以用于在数据传输过程中调制方案、调制级别、误码率和数据冗余等因素对能量有效性的影响。

2. 4 其他指标

夏先进等人考虑了WSNs应用和节点等方面的异构性,利用经典力学中的做功理论建立WSNs能量有效性评估指标[30]。通过使用“做功效率”,即WSNs在使用寿命内的有效做功与总功耗( 实际能耗) 的比值作为评估WSNs能量有效性的指标,提出平均能量衰减率和能量熵作为WSNs能耗状态的衡量指标,综合的设计了一套WSNs能量有效性评估的框架,能够用于异构的WSNs中,可更有效地评价和分析WSNs的能量有效性。另外,总能耗和总传输数据包分别是指每轮数据传输所消耗的总能量和传输的总数据包,是用于评估协议常见的指标。

3 评估指标分析比较

通过对评估指标中影响能量有效性因素的研究,分析、比较并总结了常见的WSNs评估能量有效性的指标。如表1 所示,( + + ) 表示重点考虑、( + ) 表示有考虑到、( - ) 表示没有考虑到。

通过表1 可以看出,每种评估指标关注点都不同,考虑的因素及适用范围不同,也各有优点和不足。EPTD用于分簇协同传输多跳WSNs,且只用于协同传输节点选择和中继簇选择;EPSBM是在EPSB的基础上改进的,仅针对跳距离的选择;COPT只用于重新部署的网络,适用范围小; “能量 × 延迟”一般用于注重时延的WSNs中; EPUT考虑了数据冗余和时延的影响,间接评估了能量有效性; Lifetime是评估WSNs性能最直接的指标,很多提高能量有效性的方法或协议的提出就是要延长Lifetime,因此也造成了Lifetime的多种定义,且差别很大,难以反映WSNs运行过程中的瞬时能耗,尤其是某些Lifetime的定义只关注于分析而不适用于网络性能的优化; EPUB主要是针对物理层的数据速率、载波频率和调制方案的分析和优化,而没有考虑其他因素的影响; EPB是较具有一般性的评估指标,物理意义简明,考虑的因素全面; EPUE直接用于网络性能评估,物理意义明确; 做功效率只关注于能耗分析而不适用于网络性能优化,且计算公式复杂,公式的准确性也难以判定; 总能耗和总传输数据包过于简单,局限性大且不适于网络优化。

无线传感器网络能量有效性研究的主要目的就是增加网络寿命,因此,我们认为Lifetime指标是无线传感器网络设计中最常用的评估指标; EPB指标相对于其他指标更加简单,而且体现了网络性能和能耗的关系,是一种比较普遍的评估指标; 当研究最优传输距离时,可以选择EPSBM作为评估指标; 当网络延时被认为很重要时,可以考虑选择“能量 × 延迟”作为评估指标;当研究控制编码的影响时,建议使用EPUB指标。

4 结语

WSNs能量的有效性分析与合理的评估指标是评价WSNs协议以及指导WSNs设计的关键。

能量有效性论文 第2篇

关键词：电梯；能量回馈；节能技术

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0005-02

随着现代社会高楼和商场发展的速度越来越快，电梯的应用技术也越来越成熟。人们的生活也越来越离不开电梯，电梯节能也称为电梯设计人员考虑的问题之一，如何更好的利用电梯中能量回馈是一大问题之一，电梯节能中能量回馈节能技术的有效运用，会给社会节约资源，和企业带来更好的社会效益和经济效益。

1 能量回馈

1.1 概 述

在电梯、矿山提升机、港口起重机、工厂离心机、油田抽油机等许多场合，都会伴随着负载势能、动能的变化。比如，提升机、起重机等在下放重物时势能会减小，离心机设备在停机时，动能会减小。而由能量守恒定律我们知道，能量是不会凭空消失的，那么这部分能量到哪里去了呢？答案是通过电机转换成为了再生电能。实际上，在采用变频调速的设备里，这部分电能一般是通过能耗制动电阻再转换为热能白白浪费掉了的。

设想如果能够有一种装置，将这部分再生电能利用起来回送到电网，那么不是可以省下这部分电能，起到节能降耗的效果吗？能量回馈装置就是这样一种产品。它使用的电力电子变换技术，其主要实现的作用就是将上述设备在运行过程中所产生的再生电能利用起来，并转换为同步的交流电能回送到电网，起到节电的效果。

1.2 回馈节能基本原理

将运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。

2 电梯能量回馈技术及工作原理

2.1 能量回馈技术

能量回馈技术就是把电梯自身存在并且无用的直流电逆变为可用、有效的交流电。同时把逆变后的交流电回馈到电梯周边局域网中再次利用的一个过程。

2.2 工作原理

电梯运行过程就是电能与机械能转换的过程，当电梯电梯重载上行或轻载下行时，需要给电梯提供能量使机械势能增加，电梯通过曳引机将电能转换为机械势能，曳引机处于耗电状态；当电梯轻载上行或重载下行时，运行过程需要使机械势能减少，电梯机械势能通过曳引机转换为电能，曳引机处于发电状态。

曳引机发电过程产生的电能需要及时处理，不然对曳引机有严重的危害。常规的做法是通过制散热电阻把发的电转化的热能散发到空气中 ，这就造成电梯机房的温度很高，通常需要安装空调和排风机来降温。

能量回馈技术的应用就是替代制动单元和制动电阻，通过自动检测变频器的直流母线电压，将变频器的直流环节的直流电压逆变成与电网电压同频同相的交流电压，经多重噪声滤波环节后连接到交流电网，达到绿色、环保、节能的目的。

该设备设计目的就是优先于制动电阻工作，在保证回馈电流不污染电网的情况下实现多余电能的再次利用，同时消除机房主要散热源。

3 电梯节能的必要性

3.1 必要性

随着城市里的高楼大厦越建越多，电梯的使用也越来越多。有关统计表明目前全国电梯已超过200万台，每天约有15.84亿人次乘坐电梯。而使用的电梯中只有很少的一部分采用了节能型电梯。

另外10年前安装的电梯则属于严重耗电型电梯。通过对宾馆、商用办公楼、很多机关大楼等建筑的用电情况进行实际调查分析，可以看出电梯的用电量和电梯机房制冷用空调用电量基本差不多，但是比照明和供水用电要大的多。那么产生这样大的用电量的原因是什么呢？通过计算分析，原来在电梯使用过程中，电阻产生的热量非常之高，温度通常都可以达到上百度。但是为了使电梯能正常运转工作，因为温度过高而出现机械故障，就需要安装比较大排风量的空调机或风机，这些大排风量的空调机或排风机用电量是非常惊人的。甚至可以说，在有些地方这些用来降温的设备所使用的用电量通常都比电梯的用电量都要高很多，可见这样的能耗是非常惊人的，一部普通电梯每天用电大约在30～80 kW·h，按照每部电梯每天平均耗电50 kW·h、全国在用电梯数量200万部、每部电梯每年运行300天计算，我国每天电梯消耗电能约1亿度电，每年消耗的电能约为300亿 kW·h。全国每年电梯消耗的电能相当于大亚湾核电站25个月的发电量，可见电梯耗电之巨。因此，现实中电梯节能就显得非常有必要了。

3.2 举例说明

下面以IPC-PFE系列电梯为例：

例一：IPC-PFE系列电梯能量回馈装置是采用加拿大技术生产制造的电梯专用高性能回馈式。如果升降电梯能使用电梯能量回馈装置，就可以顺利地实现将电容中储存的直流电能转换成交流电能回送到电网，节电率达30%～40%。

还有，因为无电阻发热元件的原因，降低了机房的环境温度，同时也改善了电梯控制系统的运行温度，使控制系统不再死机，延长电梯使用寿命。机房可以不再使用空调等散热设备，可以节省机房空调和散热设备的耗电量，节能环保，使电梯更省电。

IPC—PFE系列电梯能量回馈装置采用DSP中央处理器，速率高、精度高、稳定性能好、抗干扰能力强；采用自诊断技术确保输出电压精确，防止电流回送，使变频器不受任何影响。在频繁制动的场合，节电更明显；真正实现了变频调速系统的四象限运行。

4 电梯节能六种途径及运用实例

电梯节能是指减少运行中电梯在能量传输过程中的消耗，特别是在待机状态下的能量消耗，以及提高电梯运行效率。

4.1 重量平衡最理想

如果电梯轿厢和对重在上下运行时重量平衡，电动机只需克服电梯滑动与转动部件的阻力，此时，电梯最为节能。但电梯轿厢内载荷是个变量，如能将电梯对重也随轿厢内载荷变化而相应变化，这种节能方法最为理想，但实施此项技术难度很大。

4.2 减少待机能耗

国外有关研究部门对15万台运行中的电梯进行了能耗测试。报告显示，在电梯能耗中，最大的能耗是待机能耗，待机能耗约占电梯总能耗的58%，可见减少待机能耗对提高电梯能效有显着作用。

4.3 优化对重配置

电梯的平均负载率约为额定载荷的20%，目前公认的电梯平衡系数为40%～50%。经大量测试分析后，业内人士建议，可将平衡系数优化为曳引驱动取0.35、能源再生装置取0.21、液压电梯取0.30，说明优化对重配置也可降低电梯在运行中的能耗。

4.4 能量回馈

在电梯能量回馈中，能量回收因梯种、使用频次和载重量等不同，一般为20%～40%。

目前，国家电梯能耗标准尚末出台。能量回馈节能是采用PWM有源逆变方式在电梯电压变频器原电阻制动单元的端子上加装ERB装置，从而达到能量回馈的作用，该种方式适用于载重量大、使用频次高的电梯。

4.5 合理优化电梯的选用和管理

根据大楼性质、服务对象、使用面积、流量和去向等合理配置电梯品种、数量、运行和停层等布局方案可以起到节能的效果，也是最务实的做法。

4.6 开发节能新技术

直线电动机、矩陈逆变器、高效率减速器等新技术在电梯中的应用也可节约电梯的能耗。

例二：例如：地处上海市某大厦共8台高层电梯，每台电梯每月的原有用电量在2 800 kW·h左右，现在安装使用电梯节能产品后，每台电梯每个月的用电量在1 500 kW·h左右，每月实现的节电量在1 000多kW·h，在一年之内就可收回成本，再用电方面为公司节约了一笔不小的开支。

在现代经济活动中，企业的正常运行需要大量财力做保证，因此节约成本也成为企业首要任务，而节能电梯就是节约企业成本的第一步，我们有理由相信电梯节能技术的应用前景必将十分广阔。

5 结 语

电梯节能技术的推广任务是艰巨的，但前途光明。利用电梯能量回馈技术对社会上老旧电梯特别是高校中使用频率较高的电梯进行电梯节电技术改造非常有必要。不仅符合我国节能减排的发展方针，降低大量的能源消耗，而且可以引起了良好的社会效应和巨大的经济效益。

参考文献：

[1] 苏绍辉.能量回馈节能技术在电梯节能中的应用[J].企业导刊，2011， （11）.

[2] 周科.电梯节能及能量回馈节能技术在电梯节能中的实践应用漫谈 [J].无线互联科技，2013，2（15）.

[3] 白瑜峰.能量回馈技术在电梯上的应用分析和节能效果探讨[J].科技 风，2011，8（15）.

[4] 张帆.浅谈能量回馈型节能电梯的推广意义[J].黑龙江科技信息，2010， （7）.

能量有效性论文 第3篇

由于无线通信距离受限且Ad hoc网络没有基站设施的支持,网内节点间的通信往往需要通过借助其他节点中继转发才能实现,这样就形成了多跳路由。节点动态加入和退出网络并能随机运动,以及节点采用电池供电等因素,造成链路断开和重建相当频繁,所以造成链路中断的两个主要原因是:节点高移动性、节点能量有限。在路径选择的时候如何能够选择更稳定的链路组成路由,将提高路由有效性,减少路由控制开销,保证网络服务质量。

针对节点高移动性,笔者在文献[1]中已经提出了节点可信度模型和相关算法,该模型能够有效的评估节点移动性和可靠性,提高了Ad hoc网络路由算法的性能。

Ad hoc网内节点兼有主机和路由器的功能,节点能量不足,不仅使得这些节点本身不能工作,还会影响到依靠这些节点进行分组转发的其他网络节点,可能降低网络的连通性,影响到整个网络的寿命。能量有效路由算法的主要目的是在不影响路由协议基本性能的前提下,尽量的延长网络节点的寿命,保证网络的连通时间,进一步保证Ad hoc网络的服务质量(QoS)。

目前,主要有以下一些能量有效路由算法:最小电池代价路由算法MBCR(Minimum Batery Cost Routing)[2]:使用节点的电池能量作为节点寿命的度量,把路由上节点的代价(与剩余电池能量相关的函数)之和作为路由选择的量度,虽然能保证所选的路径具有总的最低电池代价,但有可能该路径上某些节点具有最大电池代价,从而加速这些节点的能量耗尽;最小化最大电池代价路由算法MMBCR(Min-Max Battery Cost Routing)[2]:在每条可用的路径上,找出其中能量剩余最小的节点,然后比较各个路径上这些能量剩余最小的节点,选择其中具有最大值的节点所在的路径作为路由,从而避免在所有可用路径中选择含有最小电池剩余能量节点的那条路径,但无法对路径总的能量进行选择控制;条件最小化最大电池代价路由算法CMMBCR(Conditional Min-Max Battery Cos Routing)[3]:既考虑路径上的能量消耗总量,也考虑节点的剩余能量情况。当源节点到目的节点的多条路径上所有节点都有足够的电池剩余能量,选择传输总能量最小的那条路径,否则采用MMBCR算法计算路由,避免选择含有最小电池剩余能量节点所在的路径。CMMBCR算法中存在高剩余电池能量的节点由于分配过多任务而出现能量迅速耗尽的现象。

该文将针对节点能量有限的问题,在第二部分提出了节点剩余能量的计算公式,基于节点剩余能量提出了一种能量有效的移动Ad Hoc网络路由算法MTMR(Max Total and Min Remains)和MTMR算法的寻径示例,并与AODV路由算法进行比较;第三部分给出结论和需要进一步研究的工作。

1 能量有效路由算法MTMR

目前主要有五种能量度量方式[4]:1)最小化路由通信消耗的总能量,目的是在两个通信节点之间找到一条各跳链路消耗的能量之和最小的路径;2)最大化网络生命周期;3)最小化节点能量水平差异;4)最小化代价/分组,目标就是要得到一条具有最小总代价的路由;5)最小化节点最大开销。

MTMR路由算法综合最大化网络生命周期和最小化节点最大开销两种方法,从可用路径中排除具有最小剩余能量的节点的同时选择具有最大总剩余能量的路径最为首选路由,从而保证所选路由的稳定性,提高路由有效性。

1.1 节点剩余能量的计算

节点剩余能量基于这样的假设:每个节点有一个初始的能量E0,剩余能量为Er。节点从t1时刻经过Δt时间到达t2时刻,在Δ时间内节点发送的数据包数目为packet_size,每发送一个数据包消耗的能量假设为e,节点维持非休眠状态最低单位时间能耗为c,则节点在t2时刻的剩余能量为:

1.2 能量有效路由算法MTMR

MTMR路由算法包括3种基本的控制分组:路由请求分组RREQ、路由应答分组RREP和路由出错分组RERR。MTMR路由包括路由发现、资源预留、路由维护和资源释放4个部分,本文主要介绍MTMR的路由发现操作。

假设节点i的剩余能量为Eri,有一条路径N1NiNm,该路径总的剩余能量为∑(Eri),某个节点j是在这条路径上所有节点中具有最小剩余能量的节点。

路由请求分组RREQ报文格式如表1所示。

路由应答分组RREP报文格式如表2所示。

1.2.1 路由发现

当一个节点需要和某个节点通信而没有到达此目的节点的有效路径时,便启动路由发现过程。源节点首先向其邻节点广播路由请求分组RREQ。RREQ分组用一个极大

的数字初始化最小Eri字段,初始化∑(Eri)字段为0,这样保证源节点的剩余能量不影响路径选择。

当节点j接受到从节点i发送来的一个RREQ分组,节点j是否转发该分组取决于分组的相关字段,本文用P表示RREQ分组,RT表示节点j的分组接收列表。能量有效路由算法MTMR的转发路由请求分组的处理机制如下所示:

如果收到RREQ分组的节点为目的节点或者存有到目的节点的有效路由,该节点向源节点发送路由应答分组RREP,并将RREQ分组中的最小Eri和∑(Eri)的值复制到RREP相应字段中。当中间当节点收到多个RREP分组时,采用与节点转发多个RREQ分组相同的机制进行RREP分组选择转发。

源节点收到多个RREP分组时,要根据目的节点序列号、跳数、最小Eri和∑(Eri)四个字段的值来决定选择哪一条路径作为源节点到目的节点的路由,若目的节点序列号、跳数相同,则选择最终路由的机制是:

1)首先排除在所有可用路径中的最小Eri字段最小的路径;

2)从剩余路径中选择具有最大∑(Eri)字段的路径作为最终路由。

1.2.2 应用MTMR路由算法的寻径实例

图1给出了MTMR路由发现过程的一个实例,其中节点S表示源节点,节点D表示目的节点,其余为中间节点,中间节点上的数字表示该节点的剩余能量(源节点和目的节点必须参与通信,它们的剩余能量不用考虑):

图1(a)中根据MTMR路由协议的RREP分组转发机制,目的节点D会收到三个路由请求分组,经由的路径分别是S->A->E->L、S->B->F->L和S->C->G->M,并产生三个RREP分组。

当三个RREP分组到达源节点S时,三个RREP分组的跳数相同,最小Eri和∑(Eri)字段的值分别为(5,18)、(3,19)和(2、20),根据源节点选择最终路径的机制,虽然路径S->C->G->M->D有最大路径总剩余能量∑(Eri),但这条路径也包含了三条路径中的最小Eri的最小值,因此不选择该路径,最后选择的将是路径S->B->F->L->D。

与按需驱动路由协议AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing)相比,在AODV中最多只有两条路径的路由请求分组会到达目的节点,这两条路径的组合可能是S->C->G->M->D和S->B->F->L->D,或者是S->C->G->M->D和S->A->E->L->D,无论是哪种情形,路径S->C->G->M->D都有50%的概率被选中做为最终路由。而采用MTMR路由算法,路径S->C->G->M->D被选中的概率为0%。这样,可以彻底避免由于节点C的剩余能量过小导致其在通信未结束前就耗尽能量而退出网络,源节点需要重新进行路由请求的情况。

2 结论

文中给出了节点剩余能量的计算公式,基于能量有效的MTMR路由算法,该路由算法既考虑了路由中单个节点的能量剩余,也考虑了整个路由的能量代价,能够保证在满足路由能量最大的情况下不存在某些节点剩余能量过低的情况,从而避免了由于个别节点能量耗尽引起路由失效需要重启路由发现的情况。

目前节点剩余能量的计算公式只考虑了节点活动和维持非休眠状态的能量消耗,将来应该针对不同的物理链路特性的节点活动、空闲、休眠和消亡[5]的4种状态做出更精确的修改。另外,还需进一步进行仿真实验,将MTMR算法与其他算法在路由控制开销、路由有效率、数据分组端到端时延、数据分组递交率等方面进行定量的比较。

摘要：由于移动Ad hoc网络中节点通常采用电池供电,一旦电源耗尽,节点就会被迫退出网络,因此降低节点的能量消耗对保证节点间链路稳定至关重要。给出了节点剩余能量的计算公式,基于节点剩余能量提出了一种能量有效的移动Ad Hoc网络路由算法MTMR,该算法能够延长网络的生命周期,并给出了该路由算法的寻径示例。

关键词：移动Ad Hoc网络,节点剩余能量,能量有效路由算法MTMR,网络生命周期,路由发现

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“绿色能量”的能量 第4篇

作为荷兰王国的首都，阿姆斯特丹不仅在举办众多的国际节庆活动和国际会议方面举世闻名，而且也是吸引当代艺术家、思想家和企业家的磁石。凭着她那丰富的文化和历史遗产，阿姆斯特丹轻而易举地实现了过去与现在的平衡：从前用于贸易的仓库，已经改建成温馨的公寓住宅，与那些设置在18世纪楼宇里的国际金融机构和谐共存；郊区和周边岛屿上曾经的工厂，则改造为一个个独特的生活与办公空间……

驻足阿姆斯特丹街头，你是感受不到大城市惯有的那种喧嚣与嘈杂的。这里路不算宽，可小汽车也并不见多。主人告知，近年来，在阿姆斯特丹，许多人选择了“返璞归真”式的出行方式，自行车、有轨电车、地铁、船舶甚至滑轮鞋，都成了市民们的日常交通工具。

让我感到惊讶的是，61岁的科恩市长竟也是骑自行车上班一族，市民们却不以为“怪”。原来，科恩在2001年上任之初就提出，以推行骑自行车运动来缓解阿姆斯特丹市的交通压力，减少城市污染。为此，他带头每天坚持骑车上班，在狭长的街道中穿行，风雨无阻。

科恩在接受采访时告诉我，阿姆斯特丹一直把环境治理问题排在政府工作的首位，发展的可持续性是关键词汇。该市计划在2040年达到二氧化碳中和的目标，即产生的二氧化碳排量不能造成地球升温，也就是气候中性化。“为了达到这个目标，我们必须找到转化能源的方法。将垃圾转化成能源是我们一直在做的事，也是永远要做的事，这是阿姆斯特丹在全球环境治理中担当的角色之一。”

经由阿姆斯特丹市政府的安排，我走访了欧洲最大的废物回收能源基地——阿姆斯特丹废物回收能源基地，据称也是世界上最大的利用垃圾焚烧发电的单体工厂，看到了“废”变“能”的整个过程：传辅装置将经过分类的垃圾送进不同的坑道处理，然后再吊装到焚烧炉里焚烧。燃烧垃圾产生的热量可以将水加热至]200摄氏度，形成水蒸汽。水蒸汽被两次送入发电系统，不只是转化成电力，而且也可以产生热水，电和热水通过管道被输送到距基地1200公里范围内的市民家中，人们就不必用煤气烧水或取暖了。这样，在减少能源消耗的同时，也降低了二氧化碳的排放。

不仅如此，垃圾燃烧后分拣出的铁、金、银、铜等金属，都可被重新分离出来并出售(仅铁一项每年就可卖2500吨)，而沙子和玻璃被用于铺路、固定地基，烟灰可被用作建筑原材料或制造融雪剂等化工产品。基地负责人说，基地之所以能够最大程度地获得电力热效益，得益于所有市民严格地将生活垃圾进行了分类处理。“未来城市的废物处理，就是要让垃圾能被持久并且高效地利用。”

这个基地每年通过燃烧废物能获得10亿兆瓦的电力，市民们把这种电力称作“绿色能量”。阿姆斯特丹市目前的有轨电车、街上的照明灯等公众设施使用的都是这种“绿色能量”；剩余的电力则被卖到电力公司，由市民选择购买。垃圾，就这样从城市里来，在这里变成能源和产品，再回到城市里去。

能量有效性论文 第5篇

1 紫蜂路由协议描述

相对于现有的各种无线通信技术,紫蜂技术是最低功耗和成本的技术,同时由于紫蜂技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了紫蜂技术适合于承载数据流量较小的业务。

1.1 与传统无线传感器路由协议的比较

采用紫蜂技术的传感器网络不同于传统的无限传感器网络,传统的传感器网络中除了汇聚节点是一个增强功能的传感器节点外,其他传感器节点功能基本相同,它们都兼具终端和路由器的双重功能。而在紫蜂传感器网络中,除了紫蜂协调点在网络中具有与汇聚节点相似的功能和地位外,其余节点功能并不相同。为了达到节约成本、节省能量消耗的设计目标,紫蜂网络中的一部分节点功能被简化,这些节点只能进行简单的收发,而不具备路由器的功能。因此,传统无线传感器网络中的路由协议并不适用于紫蜂网络。

2.2紫蜂传统路由协议基本思想

为了达到低成本、低功耗、高可靠性等设计目标,紫蜂网络中采用了Cluster-Tree和AODVjr相结合的路由算法。在紫蜂网络中,无路由功能的节点可以按照父子关系使用Cluster-Tree算法选择路径,而具有路由功能的节点则可以采用AODVjr协议去发现路由,将报文发送给其他具有路由功能的节点。

在紫蜂路由中,可以将节点分为两类:RN+和RN-。其中RN+表示具有足够存储空间和能力执行AODVjr路由协议的节点,RN-是指其存储空间受限,不具备执行AODVjr路由协议能力的节点,RN-收到一个报文后只能使用Cluster-Tree算法处理。

在Cluster-Tree算法中,节点收到报文后立即将分组传输给下一跳节点,不存在路由发现过程,从而减少了路由协议的控制开销和节点能量消耗,并且降低了对节点存储能力的要求,以及节点的成本。同时为了避免Cluster-Tree算法造成的分组传输时延较高,网络通信流量不均衡等问题,紫蜂还允许RN+节点使用AODVjr路由协议去发现一条通往目的节点的最优路径。

紫蜂路由协议是Cluster-Tree与AODVjr两种协议的折衷,实现了两种协议的优势互补,具有较低的控制开销和平均时延,从而达到了紫蜂网络的需求。但是在传统的紫蜂路由协议中,并没有考虑任何能量均衡机制,因此很容易出现网络能量消耗严重,甚至造成网络分割,导致部分有效节点之间无法通行,严重缩短网络使用寿命。

2 能量有效路由协议的研究

紫蜂节点一般由电池供电,其网络寿命严重依赖于节点电池能量的有效利用。当出现一些紧急情况时,例如军事或救援行为中,为电池充电或更换电池通常是不可能的。同时,紫蜂网络中的节点即使自己不需要通信,仍需要频频参与其他节点报文的转发,从而消耗电池能量,影响网络整体性能。因此,节点电池能量的有效利用对于延长诸如紫蜂网络这样的无线网络寿命是至关重要的。

2.1 已有的能量均衡路由协议

能量消耗均衡路由协议建立在网络中所有节点都同等重要的假设基础上,其不足在于不能保证分组传输总耗能最低,而且为了避开低能量节点,可能会不同程度地增加源节点到目的节点的路径跳数,常用的能量均衡路由协议有两种:最小电池开销路由协议和最小最大电池开销路由协议。

最小电池开销路由协议(Minimum Battery Cost Routing,MBCR)把路径上所有节点的剩余电池能量总和作为路由选择的度量标准,选择剩余能量较多的路由路径,防止了节点的过度使用,在一定程度上延长了网络寿命,推迟了网络分割的时间。但是此量度只考虑了电池开销函数值的总和,没有考虑各个节点实际的剩余能量大小和开销,在实际应用中仍然存在一定弊端。

最小最大电池开销路由协议(Min-Max Battery Cost Routing,MMBCR)针对MBCR存在的一些不足,对其作了适当改进。该协议仍然把节点电池剩余能量作为路由选择的量度,重新定义路径电池开销函数,选择路径上节点的最大电池开销最小的路由路径。MMBCR在选择路由时,保证避开了网络中剩余能量最少的节点,从而达到了全网能量消耗均衡,延长网络寿命的目的。

MMBCR将以n0为源节点,以nd为目的节点的路径j=n0,n1,,nd的电池开销定义为,其中eni表示节点ni在某一时刻的电池剩余能量,f(eni)表示反映节点ni剩余能量的开销函数,其定义为f(ei)=1/ei。

MMBCR选择电池开销最小的那条路径r,即Cr=min{Cj|j∈A},其中A是源节点n0和目的节点nd之间所有可能路径的集合。

2.2 能量均衡在传统紫蜂路由协议上的应用

紫蜂路由协议同样需要考虑能量利用的高效性,目前所推出的紫蜂路由协议,并没有专门的针对网络能量有效利用方面的机制,但紫蜂网络的特性和应用领域都决定了节能问题在紫蜂协议栈各层中的重要性。本文将把基于MMBCR的能量均衡理念应用到传统的紫蜂路由协议中,产生新的紫蜂路由选择方案,以实现紫蜂网络的能量均衡消耗。

令紫蜂网络中的RN+节点在选择路径时采用MMBCR策略,首先需要将RREQ和RREP分组中原先存储路径开销的域用来存储分组所经路径上具有瓶颈能量的节点的电池开销,即按照MMBCR协议计算所经路径的电池开销,同时还需要将RN+节点路由表结构中的路径开销域中存储到各自RN+邻居节点的电池开销,以供节点实时选择可用的路径。

RN-节点虽然不存于选择路径,但是在转发RREQ和RREP分组时,需要将自己的电池开销与分组中的路径开销域的值作比较,如果自己的电池开销大于控制分组中的路径开销,就更新路径开销为自己的电池开销,以便使RN+节点选择一条瓶颈能量最低的路径。

路由执行伪码如下:

这样就能保证RREQ和RREP分组的路径开销域始终存储的是所经路径上节点的最大电池开销。基于能量均衡的路由建立过程如下所述:

1)初始节点向周围节点广播一个RREQ分组,如果收到RREQ的节点是一个RN-节点,它就按照Cluster-Tree路由转发此分组;如果收到RREQ的节点是一个RN+节点,则根据RREQ中的信息建立相应的路由发现表条目和路由表条目,并继续广播此分组;

2)节点在转发RREQ之前会计算本节点与邻居节点之间的电池开销,如果RREQ路径开销域中的值小于计算得到的电池开销,则将其存储到分组的路径开销域中,否则该域值不变。最后将更新值存储到节点的路由发现表条目中;

3)一旦RREQ到达目的节点,或目的节点的父节点,此节点就向RREQ的源节点回复一个RREP分组,RREP会沿着已建立的反向路径向源节点传输,收到RREP的节点建立到目的节点的正向路径并更新相应的路由信息;

4)节点在转发RREP前会计算反向路径中下一跳节点与本节点之间的电池开销,并将其存储到RREP中的链路开销域中。当RREP到达相应RREQ的发起节点时,路由建立过程结束。

这种能量均衡的紫蜂路由协议在选择路径时可以保证在选择路由时,可以利用MMBCR机制尽量避免剩余能量最低的节点,从而实现网络中节点的公平使用,延长剩余能量较低的寿命。

3 结束语

能量有效性对于紫蜂网络是至关重要的性能指标,尽可能降低节点能量消耗,从而延长网络的生命周期,是设计传感器网络路由协议的首要目标之一。本文对紫蜂传统路由协议和能量均衡路由协议进行了详细介绍,并提出了基于MMBCR的能量均衡的紫蜂路由协议,在这种方案中,节点选择路由时尽可能地避开剩余电池能量最低的节点,从而达到使网络能量均衡消耗,延长网络寿命的目的。

参考文献

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[3]朱向庆,王建明.紫蜂协议网络层的研究与实现[J].电子技术应用,2006(11).

能量有效性论文 第6篇

1 有效的数据采集和能量高效通信协议技术 (EDGE)

本文基于三种不同的参数选择簇首:当前传感器节点能量水平、节点距离基站的距离以及LEACH算法。也可以在簇首节点的无线电通信半径内选择一个节点作为一个簇首, 最终在距离基站较近的地方选择一个簇首作为网关节点, 采用以上两跳通信方式来取代直接将融合数据从簇首传送到基站的方法进行通信。该算法延长了整个网络生命周期, 确保了所有传感器节点之间实现能量均衡, 延缓了第一个节点的死亡时间。

于是, 我们提出了一种新的簇首选择方法EDGE (有效的数据采集和能量高效通信协议技术) , 并融入网关选择方案 (网关是负责转发数据包到基站的簇首节点) 。该算法包括:簇首选择和网关选择。

1.1 簇首选择

分层路由算法分三个步骤:成簇, 数据传输准备和数据传输。我们重新提出的算法采用“轮”的方法, 每一轮分为:建立、稳定、传输三个阶段, 每个阶段之前先成簇。

1.1.1 建立阶段 (簇初始化)

每个节点广播一个“HELLO”信息给相邻节点, 广播的“HELLO”节点的生存时间设定为1, 因为我们仅需要收集一跳范围内的邻居。无线电范围设定为一个固定的传送范围 (10米) , 簇的范围为半径10米的圆。每一个节点记录相邻节点的数目。定义一个门限值:Nth= (N x P) -l, N是节点数, P是成为簇首的概率, 设置P是0.1, 在这个圆内, 仅有10%的节点可以成为簇首。当一个节点的邻居节点数目达到门限值, 该节点就会向它的下一跳节点广播消息, 通知所有的节点“我已经当选簇首”, 收到消息的其他节点记录此信息并退出计时器。还有一些节点, 它们的邻居节点也达到了Nth, 但不广播消息, 因为在这个无线范围内仅有一个节点可以成为簇首。计时退出后, 每一个节点结合邻居数量和返还给其簇首的消息重新选择簇首。

1.1.2 建立阶段 (簇首选择和形成)

根据门限值, 簇成员的最大数量是限定的, 簇首为簇成员安排时隙表, 在建立阶段, 每一个节点都能像在LEACH中一样接收消息, 然后簇首将广播包含TDMA时隙的消息, 同时每一个节点都将收到属于它时隙的消息。因此, 每一个簇成员要到时隙到来时, 再向簇首传递信息。此外, 同一个包中还传送当前能量水平。

证明:S是整个传感器节点的集合, C是所有簇内成员, ∨a∈CH。让CHa={bId (b, a) Rcompete, b∈S}。相反, 假设有一个节点, 也是簇首, b∈Ca。根据簇首选择标准, a.Ecurrent>c.Ecurrent., ∨c∈Ca。如果b∈Ca, 那么a.Ecurrent>b, 在EDGE网络中, 通信是对称的。如果b是簇首, b.Ecurrent>a.ECurrent, 那么a在距离Rcompete中, 这是矛盾的。所以, 对于∨a∈CH和∨b∈Ca, b就没有资格当选簇首。

1.1.3 稳定阶段

一旦簇形成, TDMA时间表稳定, 数据传输就可以开始了。

2.2 网关选择 (两跳通信)

节点当选为簇首后, 要广播一条包含其距基站距离、位置信息、当前簇首能量水平的信息。其他接收到信息的簇首将比较接收该簇首和其它簇首发出信息的距离。如接收信息的距离大于其它簇首的距离, 那么选择接收该簇首发出的信息并备份其位置信息。这个过程结束后, 每个簇首都知道网关簇首的位置。如果两个簇首在距离基站的同一位置, 那么有更多残余能量的是网关节点。

3 仿真和性能分析

3.1 网络模型

本论文假设仿真网络模型有如下性质: (1) 该网络具有稳定的基站和N个传感器节点。 (2) 基站具有很高的能量。 (3) 节点有功率控制功能。 (4) 每一个节点都以固定比率监测环境, 并不断发送数据给基站。 (5) 无线传感器网络拓扑在一轮之后被改变。我们仅分析传感器节点和簇首能量耗散, 不考虑基站的能量是否充足。

3.2 无线模型

Eelec代表发送电路和接受电路消耗的能量, Eamp是信号放大器放大倍数, 依赖传输距离改变。当距离d

这里, L≥1, 表示传输损耗, hr是地面接收天线的高度, ht是地面发送天线的高度, 姿是独立的载波信号波长。

仿真中, 主要是计算d0, 设参数hr=ht=1.5m, L=1 (没有传输损耗) , 无线电频率取914MHZ, 姿= (3108/914106) =0.328m, 因此, 得到d0=87m。无线电依靠ETx (k, d) 发送一个k-bit的信息, 距离为d, ETx (k, d) 定义如下:

无线通信消耗了能量ERx (k) , 用来接收来自其他传感器节点的kbit数据。

仿真中使用的系统参数:网络规模:200200m2;基站位置: (100, 270) ;单个节点初始能量0.5J;E-elec50nj/bit;ξfs10pj/bit/m2;ξmp0.0013pj/bit/m4;E-DA5nj/bit/signal;数据包大小500bytes;包头25bytes。

3.3 性能评估分析

采用NS-2仿真平台, 比较EDGE和LEACH、LEACH-C、E-LEACH的性能差别。

结论

仿真实验结果表明, EDGE没有使用两跳和使用两跳到达第一个传感器节点死亡的通信时间比LEACH分别长2.30倍和2.56倍。另外, EDGE没有使用两跳和EDGE使用两跳到所有传感器节点损耗完能量需要的时间比LEACH长1.21和1.22倍。在一个有200个传感器节点的网络中, EDGE算法相比于LEACH, 能够确保在整个网络生命周期的每一轮中都选择很少数量的簇首并传送有效的数据包到基站。因此, 该算法对延长网络的生存期具有重要意义, 在网络性能降低时, 还能维持高水平的数据传送。但该算法在簇首选择过程中, 由于簇首之间也需要交换信息, 因此也会导致系统损耗的增加。在下一步工作中, 将解决该问题并继续研究传感器网络能量的有效保存。

参考文献

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能量有效性论文 第7篇

无线传感器网络[1]是一种新的信息获取和处理模式,如何降低能耗、最大化网络生命周期是无线传感器网络研究的重点之一。无线传感器网络可分为同构网和异构网:同构网中所有传感器节点的初始能量和硬件都相同,而异构网则由多种不同类型的传感器节点构成。当前有关无线传感器网络路由的研究多考虑同构网,但在实际中,同构网极少存在,因为即使传感器节点硬件同构,其初始能量、能量消耗率等性能也不相同[2],因此异构网的研究开始得到广泛关注。

现有的同构网路由算法如LEACH[3]和PEGAS-IS[4]等,由于没有考虑节点的异构性,不能使异构网能量消耗达到最优,因此有必要针对异构网的特点设计新的路由算法。文献[2]把监测区域划分为一些区域,每个区域选择一个簇首,这种簇首选择方法不能够获得整个网络的最优簇首选择,只能获得局部最优。这就意味着算法中的能量均衡消耗是以降低能量有效为代价的。文献[5]提出了一个包含高级节点和普通节点的二级异构网络模型,对于不同类型的节点,给出不同的加权概率,使具有较多能量的高级节点比普通节点成为簇首的机会更多,从而有效延长了网络的稳定周期。文献[6]将二级异构网络扩展为多级,提出一个分布式能量有效分簇算法DEEC(Distributed Energy-Efficient Clustering Algorithm),在加权概率中考虑平均能量和节点剩余能量。在簇首选举过程中,文献[5-6]只考虑了节点剩余能量,没有考虑距离因素。通过分析能耗模型可知,能耗与距离也有很大关系,在簇首选举中考虑距离因素,将会有效均衡并减少能量消耗,延长网络生存时间。文献[7]采用固定的簇划分,在选举簇首时将节点剩余能量与节点至所在簇质心间的距离结合起来考虑,使网络的生存时间比LEACH和基于ECS(Equal Clustering Size)结构的分簇算法有了很大的提高,但稳定周期却比LEACH算法短。文献[8]在簇首选举中考虑了剩余能量和节点到基站的距离,但每个节点都需要计算每一轮的平均剩余能量,实现较难,并会增加网络能耗。

本研究提出一种适合多级能量异构无线传感器网络的分布式分簇算法CDEE,该算法采用动态的簇划分,在簇首选举时,同时考虑节点剩余能量和节点到基站的距离,剩余能量越多且距离基站越近的节点成为簇首的概率越大;该算法采用估计的方法得到每个节点当前轮的平均剩余能量,在不影响性能的前提下可有效降低能耗。

1 CDEE算法

1.1 基本假设

假定N个传感器节点均匀散布在一个MM的正方形区域内,节点总有数据传回到基站,假设基站远离监测区域中心,且所有节点到基站的距离大于d0(其中,εfs和εmp的值取决于所用的传输放大器模型)。为了避免网络拓扑结构频繁改变,假定节点是微移动或者静止不动的。节点的初始能量在[E0,(1+α)E0]间随机分布(其中E0为能量下界,(1+α)E0为节点的能量上限,α是比E0多出的能量倍数)。

1.2 簇首的选择

网络总能耗Etot为[9]:

式中L簇首节点在该轮中传输的数据位数;Eelec传输器或接收器电路传输每一位(bit)数据所消耗的能量;EDA簇首执行融合的代价;N网络中节点个数;k簇头数;dto BS簇首到基站的平均距离;dto CH节点到簇首的平均距离;εmp、εfs如前所述。

由式(1)可知,网络总能耗主要受dto BS和dto CH影响。为了降低网络总能耗,在选择簇首时应选择dto BS小的节点成为簇首节点。因此,在簇首选择机制中引入距离因子ε,在节点剩余能量相差不大的情况下,使距基站较近的节点成为簇首的概率更大,从而节省由通信距离产生的能耗,使网络能耗更加均衡。

在簇首选择过程中,每个节点si(i=1,2,,N)都产生一个(0~1)之间的随机数,如果产生的随机数小于阈值,则当选为簇首,反之为非簇首节点。这里,阈值T'(si)设计为:

其中:

式中G前1/pi轮中没有当选为簇首的节点的集合;d(si)节点si到基站的距离;dmax节点到基站的最远距离,dmax=max{d(si)};pi节点平均概率;r当前轮数。

这里采用文献[5]的方法将节点的剩余能量引入到节点平均概率pi中,即:

式中p簇首最优比例;N网络节点个数;Ei(r)节点si第r轮的剩余能量;(r)第r轮时网络节点平均剩余能量。

从式(2)~式(5)可看出节点的剩余能量越多、离基站越近,则阈值T'(si)越大,节点在[0,1]产生的随机数小于T'(si)的概率也越大,成为簇首的机会也就越多。

公式(4)中,由于d(si)dmax,因此ε<1,从而T'(si)<T(si)。这样在经历一定的轮数后,对于那些距离基站很远的节点来说,虽然剩余能量还足以充当簇首和基站进行通信,但是由于ε1,使得T'(si)T(si),这些节点很难成为簇首。在这种情况下,网络节点的能量不能被均衡地消耗,整个网络会过早失效。针对这一问题,本研究对式(2)作如下改进:

式中p簇首最优比例;r's可调参数;T'(si)和ε如式(2)。

当经过连续的rs=round(1/p)轮后,如果节点si一直没有成为簇首,并且其第r轮的剩余能量时,令可调参数r's=0,使阈值变为T(si)。这样,由于阈值被提高,该节点成为簇首的机会增加。当该节点成为簇首之后,令rs=0,r's=round(1/p)。

1.3 网络节点平均剩余能量的估计

式中 Etotal(r)第r轮网络剩余总能量;Et0网络总的初始能量;Eround第r轮消耗的总能量。

为了使所有节点几乎同时死亡,假设理想情况下,网络每一轮所消耗的能量Eround相同。由于网络能量分布不均匀会导致网络节点不在同一时间耗尽能量,因此增加调整系数γ以便对估算出的生存期进行调整。

1.4 簇的形成

节点当选为簇首后,发布“加入簇”消息告知其他节点自己是簇首。“加入簇”消息由簇首ID号、簇首的剩余能量和簇首至基站的距离构成。非簇首节点根据接收到的信号的强度,选择信号强度最大的簇首作为自己的簇首,并发送“请求加入簇”消息通知簇首。然后簇首发送TDMA定时消息,并且通知该簇中所有节点,给每个簇成员分配时隙。节点只在自己的时隙内传送数据,其他时刻则进入休眠状态以减少能量消耗。当完成所有节点的时隙分配后,分簇过程结束,网络进入稳定工作阶段。

2 仿真结果与分析

本研究用Matlab对CDEE算法进行仿真,并选用同构网的LEACH算法和多级异构网的DEEC算法作对比。仿真系统由100个节点组成,节点随机分布在(x=0,y=0)和(x=100,y=100)的正方形区域内,基站位于(x=50,y=175),取γ=0.6,其他试验参数如表1所示。

能量倍数α从0.5增加到5时网络的稳定周期如图1所示。由图1可知:

(1)CDEE的稳定周期比DEEC和LEACH的稳定周期都增加了很多,这是因为CDEE算法选择剩余能量多并且距离基站近的节点作为簇首,避免了低能量节点的过早死亡,延长了网络的稳定周期。

(2)随着α的增加,LEACH的稳定周期变化不大,没有很好地利用由α增大所增加的能量,这说明LEACH不考虑节点能量差异的思想不适合异构网络;CDEE和DEEC的稳定周期却随着α的增大都有显著增加,这是因为两者都考虑了节点的能量差异,充分利用了异构网络增加的能量。

3种算法在每轮循环中的网络剩余能量如图2所示,从图中可以看出:CDEE算法的网络剩余能量比其他两种算法高,说明CDEE算法能有效降低能耗。

当α=2时,3种算法生存节点数随时间的变化如图3所示,由图可知,CDEE算法相对于DEEC和LEACH能更好地实现能量均衡。

3 结束语

针对多级能量异构无线传感器网络,本研究给出了一种新的分簇算法CDEE。该算法根据节点剩余能量和节点至基站的距离选择簇首,使具有较高剩余能量、距离基站较近的节点成为簇首的机会更多;同时针对多轮中一直没有成为簇首的节点,采用提高阈值的办法,增大其成为簇首的概率。仿真结果表明CDEE算法不仅增加了网络稳定周期、降低了网络能耗,而且使整个网络的能量负载更加均衡。

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能量有效性论文 第8篇

一、以生为本,激发兴趣

“以生为本”,就是“以学生为主体,以学生的学和发展为本”。《义务教育品德与生活课程标准》要求,教师必须善于有效地调动学生的学习积极性,使学生的主体精神得以充分地发挥。品德与生活课程尊重儿童参与活动的权利。因此,在新课程背景下,课堂教学围绕教学目标,适当运用游戏活动,有利于培养学生的学习兴趣和热情,从而促成教学目标的实现。

针对低段儿童天性好动、喜欢游戏这一特点,精心创设“蒙眼取物”游戏,让学生自然真实地表现,从中遇挫,继而成功,得到启示:当同学遇到困难的时候,如果你能去帮助同学,那么得到帮助的同学会因你而快乐,自己也会感到助人的快乐。

二、链接生活,体验感悟

《义务教育品德与生活课程标准》明确提出:“儿童品德的形成源于他们对生活的体验、认识和感悟,只有源于儿童生活实际的教育活动才能引发他们内心的而非表面的情感、真实的而非虚假的道德体验和道德认识。”

1.结合生活,激活体验

建构主义的学习理论认为:一切新的经验都需要以旧的经验为前提,都是在新旧经验相互作用过程中形成的;而且进入课堂学习的儿童已经积累了一定的生活经验,因此教师在教学过程中要充分利用儿童已有的生活经验,努力让它们成为学习新知的桥梁。

现在自驾游非常流行也非常方便,很多小朋友都曾经去过,所以孩子们就有话可说,他们踊跃参加,小手如林,想得非常周到全面,而且也很愿意说,孩子们愿意把自己的生活经验分享给别人,这样一个结合学生生活经验的情境的创设一下子激发了学生的学习兴趣,在活跃了课堂气氛的同时,也完成了本环节的教学目标:让孩子们充分体会到合理利用传媒,能给我们的生活带来方便、快乐。目标的实现水到渠成,一点也不显得突兀。

2.创设情境,拉近距离

教育家赞可夫说过:“一个好的情境,它能触及学生的情感和意志领域,拉近与学生的距离,必定能发挥有效的教学作用。”教师在教学过程中,应有目的地创设一种具体的、学生熟悉的情境,引起学生一定的态度体验,激发学生学习的兴趣,以达到理想的学习效果。

三、把握节奏,动静相宜

活动中的学生不仅应该是愉快的,更应该是思考的。教师在追求课堂气氛生动活泼、学生感官愉悦的同时,不能忘了给学生静静思考的时间。当提出一个高质量的问题或参与活动后,要让学生有足够的时间思考体验,做到动静结合。这样,学生的感受体验才能有深度,也就是说教师既要通过创设课堂情境、游戏等适应学生天性的活动,激发学生的学习热情,又要引导学生学会倾听与思考,培养独立探究的能力,才能做到动静和谐,提高品德课堂的有效性。

1.动要充分

品德课程是活动化的综合课程,但是,一切教育教学活动既要紧紧围绕教学目标,又要符合学生的特点,顺着孩子的天性前行,创造各种机会,让孩子们多参与课堂,当然,课堂并不是一部分学生活动的舞台,而是全体学生的舞台,活动要达到预期的效果,必须调动所有学生参与活动的积极性。这样的活动课堂,教师需要,孩子们更需要。

2.动中求静

子曰:“仁者乐山,智者乐水。智者动,仁者静。”孔子从一个侧面阐明了教育需要静的哲理。温水泡茶慢慢浓,文火煲汤渐渐透,一堂课既需要惊涛拍岸也需要润物细无声,这就呼唤课堂的“静”。

有动就会有静,动与静是相对的,动静结合,这是生命的真谛。由此引申到我们的品德课堂,灵动的品德课堂何尝不需要动静结合?课堂上的动静结合更是一门艺术。就需要我们教师科学、巧妙地去把握,力求做到:能让学生在课堂上有效地开展学习活动,彼此交流情感,及时捕捉内心的感悟,实实在在地解决生活中的问题、发展品德和提升生活能力。

四、抓好典型,循序渐进

一堂课并不是活动的无序结合,而应是具有内在联系的活动序列,这些活动相互强化和巩固,并向拟定的学习目标发展,课堂活动不仅要富于变化,难度适中,而且要连贯、紧凑和循序渐进。