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基于效用函数的无线传感器网络寿命指标
Atay Ozgovde , Cem Ersoy 行文资讯：
文章历史：
收于2008年5月6日
2008年11月20日收到修订过的2008年11月20号准予发表
2008年12月3日可在线阅读
关键词：
无线传感器网络 网络的生命周期
摘要：
网络的生命周期是一种新型的性能指标，源于评估所组成的节点与非可补充能源网络的需要。无线传感器网络（WSNs）是这类网络的主要例子，其中延伸网络寿命是重要关注对象。无线传感器网络设计优化高度依赖于场景中的应用。正确应用程序的特定网络寿命量化必须进一步优化设计，或比较评估所提出的计划。然而，在实践中，我们可以看到，鉴于重点是用以提高能源效率的复杂计划，而用来评估这项工作的最基本的生命指标是妥协的结果。为了切实正确量化一生，我们提出了一个基于效用寿命测量框架，称为加权累计运行时间（WCOT）。WCOT让用户通过其纳入度量工具将依赖界面纳入应用程序。WCOT是效用值的权重进行加权求和的时间。有了这种机制，一个更具代表性的度量映射到一个数值，得到完整的网络行为。它是在以量化的寿命，度量其中重点的网络功能，与某些里程碑完全相反，其中包括死亡的第一个节点，最后一个节点死亡。
１．简介
无线传感器网络（WSN）的研究有一个最终的性能目标：延长网络的生命周期。作为决定性的性能评价标准，如何定义网络寿命是值得特别注意的。无线传感器网络的基本功能是监视感兴趣的区域。因此，无线传感器网络寿命的自然定义是部署在传感器节点之间的时间开始收集数据和实例，其中低于可接受的阈值水平监测质量下降。典型的无线传感器网络是描绘图时间表。监测质量的条款和可以接受的阈值对水平有不同的应用场合有不同的解释。鉴于无线传感器网络的广泛应用，这不可能给予监测质量和操作的可接受水平以普遍适用的定义。因此，网络的生命周期应审查申请相关内容。现有文献中的无线传感器网络寿命的指标，无视网络的生命周期依赖和应用，要为整个无线传感器网络应用的范围提供一个单一的定义。一辈子的度量是较为详细的申请不符合相一致要求两个主要问题的原因： １寿命测算将是不正确，２试图以优化网络性能等在一个不当的资源分配会导致终生的度量。
一辈子在此度量的优化并不一定导致一个应用程序场景最大一生能承受的最初部署的传感器节点损失预定的百分比。这种努力将致力于所有的网络资源，无需担心延误会发生在稍后阶段可能会导致效率低下的第一个节点死亡。因此缩短寿命，对于原方案。适当的寿命 1 定义与应用程序要求的是一个必须为正确量化的使用寿命，使其能够进一步得到优化。在本文中，我们的目标是双重的，首先，我们提出一个新的生命时间度量所谓的加权申请累计运行时间（WCOT）为故其实际的性能取决于环境评价，其次，在WCOT的帮助下，我们展示了如何与应用需求中获得终身度量不兼容，可能会导致错误的结果。要做到这一点，我们针对一个特定的无线传感器网络应用领域，进行了模拟实验，其性能均通过WCOT和度量，直到第一个节点死亡（FND）的时间序列进行评估。我们选择FND作为指标，因为它的对手是广泛应用于优化无线传感器网络的性能比较的工程。获得的终生价值两个指标要么不符要么矛盾的情况下研究。据观察，FND价值计量不捕获的网络工程的实际寿命行为，而WCOT实际应用相所涉及的网络的运作寿命关的特点。我们相信，随着这些结果，它变得明显，更多的关心应该在一生中公制目前无线传感器网络社会缺乏行使。本文的其余部分组织如下：无线传感器网络文学中的有关工作总结在第2节。关于详细的实用映射给出了在第3节。WCOT详细解释在第4节。仿真设置和一个WCOT与其他寿命指标进行比较评价，提出了第5节。最后，第6节总结文件。
2．现有的寿命指标
人们可以得出的传感器网络在文学的定义与各种寿命。然而，他们表现与量化的网络运行寿命不同的方向。在这里，我们将继续对一些常见的寿命的定义和讨论他们的能力，代表了无线传感器网络功能的持续时间。在我们的讨论中，我们将在现实一生度量按照要求追求的应用水平。最常见的一生中遇到的定义无线传感器网络文学是无可争议的，直到第一个传感器节点发生死亡（FND）。由于传感器发生的死亡与传感器网络所提供的功能水平下降，而且在没有了传感器之后，网络被认为是普遍适用的死亡人数节点的阈值。FND是以简单的方法，并担任该网络由最初的死亡是死亡触发传感器节点，FND是以简单的方法，并担任该网络由最初的死亡是死亡触发传感器节点。ＦＮＤ的流行归功于另一个因素的是，它可以很容易地进入唱片风格的问题纳入配方。这是相当难以纳入一个线性优化问题的一个更现实的寿命测量方法，大多数这样的努力利用FND量化网络的生命周期。尽管应用广泛，与初始围死一生节点并不反映实际的无线传感器网络的运行寿命，因为在几乎所有的无线传感器网络应用，死亡原因初步传感器网络上的功能只有微不足道的变形。此外，试图延长在网络生存时间方面的FND基本上是传感器节点的初始延迟死亡这并不一定意味着对许多可能的应用延长使用寿命。在这里，假设网络功能时，活着的传感器比最初部署的传感器是在一个预定的阈值以上。这显然是一个更好的寿命的定义相比，FND，然而阈值选择的方式是任意的，并不一定反映应用场景的限制。而且整个传感器网络的重要性是不是同质的，因此试图确定一个百分比值与寿命是不现实的。一般的做法是指定一个特定的阈值范围，以限制网络的生命周期tocol使用什么样的初始电池容量上或任何一个传感器网络的内部运作的专业知识节点。用户需要的黑盒子的做法，不集中在网络本身，而是对他/她自己的应用场景的要求。为了举例说明，对于监控应用，要害最终用户的重要因素，是如何的地理覆盖大部分地区由传感器网络，即在有效的监督区（ESA）和由经验丰富的数据包大小，他们的延迟达到汇聚节点，即报告延迟（路）。因此，用户将映射各种欧空局和RD值组合成实用程序。这些性能标准，两者都是我们应用网络的国家确定在上述讨论网络的目标衡量的条件。在其整个操作，动态变化的网络工具，这是一个单调的不增加时间的函数，在假设没有传感器的重新部署的条件下。请注意，效用函数不包含任何时间信息，而且我们需要有对网络状态的网络实时性能方面，进一步计算这在4.2节中给出的示范的例子所示的寿命。
4。WCOT（加权累计运行时间）
为了测量寿命，WCOT试图用一个终生的定义反向的方法，它可以让用户将其纳入度量本身特定应用的需求。WCOT是一个实用的方法，抽象掉我们应用的相关的概念与效用长期监测质量。公用程序，如在此上下文中，是指在山坳-laborative监测无线传感器网络中的传感器进行活动的程度。公用程序，如在此上下文中，表示该合作监测无线传感器网络中的传感器进行活动的程度。该网络的动态实用程序提供捕获实用的功能。该实用工具的功能，因此，不仅是指应用程序的特定阈值点后，该网络被认为已经死了，而且它指定的网络功能不断退化，最终出现由于传感器死亡。主要区别之一从WCOT目前的寿命指标之一来说是它的方式处理了WSN的降解功能。以现有的指标，假设网络功能充分而平等地在其整个生命周期，因此他们往往作为衡量初始和最终状态时间之间的寿命。WCOT，另一方面，持续时间划分为更小的时间和不同的权重分配到具有不同的公用事业运营间隔。寿命的加权计算方法，反映了时间的网络转变成实用的终身价值。这种做法导致增加寿命测量的精度，这意味着WCOT能够分配不同的WSN的终生价值而不能由现有的措施有区别的表演。
4.1正式定义
定义（WCOT）寿命的无线传感器网络是加权分操作时间，其中的权重是由手边的子区间 4 网络所提供的实用程序的时间间隔的总和。南非贸工部表示，让在其中的时间通过网络提供的效用是UI，让我们假设该实用程序可以采取不同的离散ð水平。假设离散的效用水平是基于这样一个事实：在网络效用减少是由于传感器只发生死亡，这在本质上是离散的。
4.2对WCOT图形解释：例如传统的实证的无线传感器网络的性能都在连续计算网络状态的时间。
ａ
ｂ
要通过WCOT计算，首先，在４图的这个WSN的性能寿命，要转变为一个与时间图表工具。这是通过图取代活节数。与相应的效用值获得由图4a 4ｂ5a显示所产生的效用与时间图。图中的阴影区域描述了一生的时间Dt的加权计算步骤．每个期限的效用值加权具体的期限，以获取有效的产生时间。当所有的时间考虑在内，实际执行WCOT比图离散集成。在图5b中，两个不同的传感器网络的性能是由WCOT量化计算结果领域。该区的大小取决于不断变化的实用工具的实例，直到下降到零。因此，一生中获得的价值是WCOT对一个无线传感器网络性能的整个历史的反映。比较两个传感器网络的性能，我们做的每个图形集成等领域的计算和比较，如图5B 所示。
4.3 方案之效用函数使讨论了传感器节点的绝对数量无关，我们定义为活着的传感器节点的数目比例的节点数量与最初部署了活着节点比（情报局）。因此，这里提出的实用功能在[0，1]区间，即是他们的域和活动范围。
4.4 齐效用分配
如果每个传感器节点部署工具最初被认为是雷同的与整个网络的运行时间比，我们可以谈论一个实用节点间是均匀分配静态的。在这种效用分配类型，一个传感器节点的死亡原因为1 =初始效用，其中n是最初部署的传感器节点的数目的n次退化。
图 6
（一）经营同类工具的任务。
（二）转让偏实用的例子。
4.5 偏效用分配
一个传感器网络应用基本上感兴趣的区域是监视和监测质量下降的比例利用，能够感应器，即不均匀分布效用是不现实的。所以，当给定义效用函数的fi，正面偏心ANR是接近团结的网络状态。Ui;n ¼ 1 À ð1 À ðaÞÞ是ini-tial传感器死亡假设导致在的较小退化的效用函数监视质量例子，而继续的死亡严重打乱网络的功能。一些不同的效用函数描绘图 的例子在图６．
4.6 一般偏实用功能
无线传感器网络的广泛应用存在意味着有大集团的代表，需求有不同的效用函数。一个单一连续的函数可能不足以代表作为一个传感器节点的人口职能转变的工具。作为补救，我们可以利用部分的功能，可以模拟传感器网络应用的特定手工具的行为。利用部分功能，我们可以指定不同的对应的特点完全不同的公用事业。给出一个效用函数被定义为一个部分函数的例子。请注意，当效用为零的ANR下降到低于0.6。
> i=nP i=n P 0:8 0
0:6 > i=n P 0 图 7描绘了图形另外两个实用工具，在部分功能上定义的函数。它们反映了完全不同的无线传感器网络需要的应用场景。
图７
５ 使用WCOT评价无线传感器网络绩效的影响
在本节中，我们提出了一种对其中的网络寿命既WCOT和FND的模拟测量。FND是，到目前为止，最常用的无线传感器网络的生命周期的文献计量。，我们一生的性能评估中考虑的另外一个替代指标直到最后一个节点死亡（LND）时间。然而，在测试LND中，就像预期的那样，高估了受多种因素影响的运行寿命。此外，LND高寿命的统计方差结果表明这 6 是一个不理想性能指标。因此，铭记的FND的普及，限制了我们的寿命的指标量化结果WCOT和FND。
应用方案
我们侧重于在性能分析测试的基本应用场景的环境监测。环境监测的一种常见的研究课题是对WSN的研究。随着可用于环境监测的定制商业产品的预计增殖，一生量化的实际问题也将为分析传感器网络解决方案所需。在这项工作中，我们粗略地划分为周期性事件引发的环境监测方案，并执行在这两种情况下量化寿命。同时定期事件的共同特点会触发不敏感监测的延迟，包括通信，空间和时间的数据在一定程度上的冗余传感器失灵。在第4节中提出的示范的例子，该实用工具表示为节点的数量可用功能。虽然这种效用映射给出了一个简单的可选性操作使我们清楚地了解WCOT，但它可能不总是反映网络的实际效用。由于这一事实，不仅数量众多的活动节点，而且他们地区分布也是评估的重要工具。测绘更好的选择是使用感应范围。当与可用的节点数量相比时，覆盖范围是一个比传感器网络实用工具更直接的指标，因为它直接关系到监测质量。该WCOT所有计算实用程序的功能，我们将在本文的其余部分给出，见图８。
图８ 用效用函数来表示环境监测中的应用情况。
在这里，感测覆盖率在0.7至1.0覆盖对应于效用值在[0.5，1]。低于0.7显示无功能的环境监测传感器网络。
5.1 周期交通情况
一个定期监测的例子是在农业中精确的农作物的温度和湿度监控。一个周期的环境监测计划的特点是低流量负载。一个周期的环境监测计划的特点是低流量负载。产生速率的数据顺序从几十分钟之间到几个小时不等。对于此类型的流量，我们可以放心地假设在MAC层自由交流。这一事实的重点放在能源效率的路由保持在可接受的尽可能长的范围内。在模拟实验中的最小能量路由（MER）和基本概率路由（BPR）用于指导传感器节点和汇聚节点之间的多跳通信。市场汇率是一个静态路由协议，其中整个WSN的操作在最少的能量路径安装过程中形成的时期。路由选择算法的选择是基于清晰，而不是性能。在这里，我们要集中在对网络的生命周期的无线传感器网络的性能评价。在这种情况下，更先进的路由算法，如LEACH算法，将会有复杂的运行细节的讨论。由于道路交通负荷，在一个完美的MAC层中，节点不争介质只是假设。
5.1.1 仿真设置该网络被假定为由一个单一的汇聚节点和众多的传感器节点组成。传感器节点部署的确切数目取决于目标节点的部署密度。传感器节点均匀横向长度为在随机方形的区域，部署点被放置在中间（ｌ= 2;ｌ= 2）。假定节点具有相同的硬件，包括传输能力和他们拥有的初始电池能量。此外，节点有能力单独调整其传输的权力mer的情况下，（二）改造的案例。正如图中看出，FND不仅低估了网络的运行寿命，这是在较短的误导终生价值密集部署的结果。在终生量化误差更为突出的改造的案例中，因为BPR是一个动态路由算法，该算法更有效地使用能源，因此有一个细长的工具退化期。为了进一步了解这种现象，图 10说明了其中第一个节点死亡时间对应于网络的整体寿命周期。
ａ
0.9 0.4
0.2
ｂ
100 0
1020
图10 演化的网络参数（300个节点，改造的案例），（二）静态路由的MER路径。盘旋节点表示第一个死亡节点。
FND，作为一个里程碑，并不代表整个网络的特点，但可以作为整个网络的效用并不一定得失效在初始传感器的影响指标。
