隨著無線網絡以及硬件技術，特別是超大規模集成電路技術的發展，將感知、通信、計算能力集成在一個傳感器節點成為可能。無線傳感器網絡(以下簡稱傳感器網絡)就是由成千上萬個這樣的節點構成的。

　　它集感知、通信功能于一身，其目的就是實現對惡劣環境或者是人所不易到達的環境中各種參數(如溫度、濕度、目標位置等)的監測和對某些敏感數據的采集。傳感器網絡如今已經得到了廣泛的應用，包括用以分析遠距離無人地區的環境情況(如依靠采集溫度來實現對森林火警的監測);將感知節點安裝在特定的交通工具上以分析本地區的通信流量并由此設計出從源點到目標點的最佳交通路線;軍事上可用于監測、定位和跟蹤目標點的運動;在高污染區還可以收集相關的信息以便于災后重建。由于這些傳感器節點受自身規模的限制，而且能源有限，要給網絡內大量的節點重新補充能源幾乎是不可行的，這就需要考慮如何在能源有限的情況下最大限度地降低節點能耗以延長傳感器網絡的連續工作時間。

　　1.準備工作

　　傳感器節點按其功能可分為以下三個模塊

　　①感知模塊。假定數據源的產生速率為r，則節點單位時間的感知耗能為Psense=a3r，a3為一常數(單位為J/bit);②通信模塊。給定發送節點u和接收節點v，發送數據的速率為r，兩個節點間的距離為d。有Ptrans(u，v)=(a11+a2dk)r，Prec=a12r。Ptrans(u，v)表示節點u單位時間的傳輸能耗，Prec表示節點v單位時間的接收能耗。其中，k為路徑衰減指數(k一般取2或4)，而a11，a12和a2均為無線通信常數(其中a2的取值與k有關)。③計算模塊。相比于感知模塊和通信模塊來說，節點的計算模塊能耗很小，通?？梢院雎圆挥?。

　　本文假設：

　　①傳感器網絡被應用于目標跟蹤的場景下。②如圖1所示，E為網絡內某一時刻的數據源節點，而傳感器節點主要用于對指定目標點的監測并將采集到的結果以多跳的方式傳輸給遠端的收集節點B，這里我們認為節點B的能量充分大，即不考慮節點B的能耗。假設傳感器網絡中節點數量為N。③節點隨機的分布在有限區域R內，節點的通信半徑為rt，節點間的數據傳輸是雙向的，即對于網絡中的任意兩個節點u和v，若節點u可與節點v直接通信，則節點v也可與節點u直接通信，如圖1，節點的感知半徑為ds，即感知節點只有在距數據源ds之內才能感知到它的存在。④傳感器網絡內所有的感知節點天線位于同一個水平線上，并且天線是全向的。⑤利用GPS技術傳感器節點可獲取自己的位置信息，目前GPS的精度可達5 m左右。

　　由文獻[3]可知，給定一個二維空間R，傳感器節點的感知半徑ds，能耗參數a11，a12，a2，a3和路徑衰變指數k，感知節點的數量N，每個節點的初始能量E，并且假定數據源運行軌跡遵循某個均勻分布的概率分布函數lsource(x，y)，則可得到網絡生存時間T的上限值為

　　2.算法思想

　　傳感器網絡實際上就是以數據為中心的自組織網絡，但在以前的關于傳感器網絡生存時間的研究中都是假定周圍環境是可靠的，即感知節點只有在能量完全耗盡時才會失效，這并未考慮環境對感知節點的影響。

　　在傳感器網絡中，由于距數據源ds內的節點均能采集到數據并將數據進行轉發，因而如何保證這些節點盡可能的長時間持續運行是我們所關注的問題，針對該問題我們借鑒了容錯冗余的概念引入了備份的感知節點，使得某個感知節點的失效并不會影響整個網絡的正常工作。因而在本文中，我們提出了一個基于備份的分布式算法以延長網絡的連續工作時間，仿真結果表明在節點失效環境下通過合理的控制節點數量，該算法的持續工作時間要長于文獻[3]中的方法。

　　3.算法描述

　　在算法的實際運行中，可分為三個階段，分別為初始化階段、數據傳輸階段和任務接管階段。

　　在初始化階段，網絡中的每個節點需要確定自身到收集節點B的最小跳數。每個節點的初始狀態先置為工作態。收集節點首先以通信半徑rt廣播一個HOP消息。除收集節點之外，每個節點的初始跳數設置為無窮大。HOP消息的初始跳數設置為0。當某個節點收到HOP消息后，它將檢查是否已經接收過該消息。如果未曾收到過，則該節點將把發送節點的信息(包括發送節點的ID號)放入其路由表中并把發送節點設為自己的上游節點，將HOP消息的跳數加1并將其值設置為自己的跳數，之后便以通信半徑rt將新的HOP消息轉發給鄰居節點;否則(即某個節點以前曾收到HOP消息)該節點將退避一段時間后再發送該HOP消息。并且，該節點只會考慮在退避時間內所收到的最小跳數的HOP消息。

　　經過退避時間后，節點將對所收到的HOP消息的跳數與節點以前曾保存的跳數進行比較：如果前者比后者小于1，則節點將把發送者的信息也放人路由表中作為自己的另一個不同的上游節點;如果前者小于后者且二者之差大于1，則發送者將成為該節點的新的上游節點。相應的，路由表中的節點跳數以及消息跳數均需更新，修改后的HOP消息將繼續被該節點中轉;如果前者不小于后者，則節點將丟棄這新收到的HOP消息。注意在以上的描述中，節點僅在收到第1個HOP消息時才會立即進行轉發。這一策略的好處在于可以加快HOP消息的傳輸速率，也縮短了初始化階段的執行延遲。另一方面，引入退避時間的好處在于可以讓節點處于等待狀態以便可以從其鄰居節點接收到更多的HOP消息。雖然較長的退避時間會增加此階段的完成時間，但該方法是有效的，因為該階段對靜止的傳感器網絡來說只需執行一次，并且也可以避免由于額外的轉發消息而增加的能耗。畢竟，能源問題是傳感器節點最寶貴的資源?？梢钥吹剑诔跏蓟A段執行之后，每個節點將準確的獲知自己的最小跳數以及其所有的上游節點。

　　當指定要監測的目標出現后即進入了數據傳輸階段。感知到該目標的多個節點利用信息交互盡可能的挑選出跳數最小且自身能量最大的節點作為目標的感知節點，而其他感知到該目標的節點作為備份節點，這些備份節點將進入休眠狀態以降低節點能耗。在數據真正傳輸之前，真正的感知節點利用Rodoplu等人提出的MECN算法和節點的上游節點信息建立一條從源節點到收集節點B的最小能耗路徑。