| 引 言
无线传感器网络(wireless sensor network)是一个热点的研究领域，他在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络的实现需要自组织(Ad hoc)网络技术，尽管已有许多Ad hoc网络的协议和算法，但并不能满足传感器网络的需求。具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。
(1)无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。
(2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限。传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。
(3)由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响到全局任务的进行。
(4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护路由协议的设计带来了严峻的挑战。
在过去几年里，能量高效和网络最大生存周期路由算法已经受到越来越多的关注，文献[4]中提出能量预测方法，利用剩余能量选择从汇聚节点到事件区域的路由，但没有考虑信息在网络中传输的最短距离(而在无线系统中，传输距离长短直接与能量消耗大小有关)，容易造成信息传输时延和能量的浪费。文献[5，6]中提出用于稀疏网络拓朴的最小能量路由分布式算法，文献[7，8]中提出基于覆盖区域节点离散化的近似方法。上面提到的工作集中在网络总能量消耗的最小化，然而正如文献[9]中指出，这种方法可能导致网络中的某些节点很快死亡，从而缩短网络生存周期。我们在文中提出了基于最大生存周期的无线传感器网络的能量模型，通过配置节点能量计算模型，引人一个标志Flag和长期睡眠状态机制来实现无线传感器络中节点的能量均衡，从而使网络生存周期最大化。
2 系统能量模型
用无向图G(V，L)描述一个静态的无线传感器网络模型，其中V是节点集合，L是边的集合。假设网络中的节点已经采用GPS或其他方法确定地理位置(为了描述方便，节点i的地理位置XSINK用(Xi，Yi)表示，汇聚节点SINK点的地理位置用(XSINK，YSINK))。如果两个节点i，j可以在允许的通信范围之内实现彼此问相互直接通信，我们用边连接节点i，j，用Ni表示节点i所有邻接点的集合。为了说明方便，假设网络是连通的且所有边都是可以相互通信的，即V中的任意2个节点i，j之间一定存在一条路径。
2.1 节点能量计算模型
设节点i检测到事件，向中间节点j发送信息，则对于一个无线电通信的简单模型而言，节点i发送单位信息需要的能量Et(i)表示为式(1)： 
其中et是传输每比特信息消耗的能量(包括启动时消耗的能量)，单位是能量／b，ed是无线传输过程中的单位能量损耗，et和ed的值由节点发送器特性决定。参数n是信道路径丢失指数，依赖于RF环境，n值一般是2或4，r是传输距离，B是无线信号比特率，在我们的研究中是固定的。
节点j接收单位信息所需的能量Er(j)是固定的，表示为式(2)：
Er(j)=erB (2)
其中er是接收每比特信息消耗的能量，单位是能量／b，目前可用的典型值为：et=50*10-9J／b，er=50*10-9J／b，ed=100*10-12J／b／m2(在n=2时)，B=1 Mb／s。
现在考虑在无线传感器网络中一跳路径中的能量损耗情况，假设在源节点i产生Ai厄兰信息量、距离下一跳节点j的距离是dij，则节点i向节点j发送Ai厄兰信息消耗的能量可表示为式(3)： 
节点j接收节点i发来的Ai厄兰信息需要消耗的能量表示为式(4)：
Er(j，i)=erBAi (4)
设节点i的初始能量为Er(i)=Er，网络经过一段时间的运行后，节点i在T1时刻前共执行了n1次的信息发送，n2次的信息接受(设此时节点i的能量还没低于阀值，且每次接收和发送信息的单位是Ai厄兰)，则节点i在T1时刻的剩余能量可用式(5)表示：
我们的目标是设计一个在Er(i)不低于Ev(节点能量阀值，可据实际情况设置)的情况下，让节点处于不同的工作状态以节约能量，通过不同的节点分发数据流来防止某些节点过早的死亡、均衡节点能量和延长网络的生存周期。
2.2 无线传感器节点的能量消耗模型
无线传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。图1是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议上的特邀报告中所描述的传感器节点各部分能量消耗情况。
随着VLSI，MEMS技术的进步，传感器 |
