一種節能的無線移動通信網絡傳輸機制及其網絡生存時間研究

余根堅

（閩江學院計算機科學系，福建福州 350108）

一種節能的無線移動通信網絡傳輸機制及其網絡生存時間研究

余根堅

（閩江學院計算機科學系，福建福州 350108）

針對無線移動通信網絡的功率控制重要性特點提出了一個基于節能的無線移動通信網絡信息傳輸機制，并在該機制下，研究了網絡的最大生存時間，提出并證明了網絡的最大生存時間的一個上界，最后進行了仿真并詳細分析了仿真結果。

無線移動網絡；信息傳輸機制；傳輸性能；能量損耗函數

1 引言

無線移動通信網絡是由具有感知、處理和無線通信能力的無線節點通過自組織方式形成的網絡，它能夠使我們延伸至更廣闊的交互空間，獲得圍繞我們周圍動態的狀態信息，實現對于外圍世界更加精確而深邃的認識和控制，因而在軍事、環境、健康、家庭、交通、制造業、商業、設施管理、運輸、安全、空間探索、災難拯救以及各種消費電子產品和其它嵌入式系統等領域有著廣闊的應用前景，對人們的生活和工作方式、產業發展和變革產生革命性的影響。一般來說，通信節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池(<0.5 Ah,1.2V)，[1]在信號傳輸過程中，信號是以r-α形式衰減的，其中r為傳輸距離、α為路徑衰弱指數，這些特征都限制了此類通信網絡的網絡運行壽命，也就是說，初始的節點能量和網絡運行過程中的節點能量消耗將直接影響著網絡的生存時間和壽命。因此，對節點功率進行控制和控制協議復雜性，以及收發機系統結構盡量簡單。在多跳無線通信網絡中的節點功率控制和管理包括能量感知的拓撲控制、策略和路由機制。

關于無線通信網絡的研究領域主要有：[2]路由協議、拓撲控制、通信標準、定位和時間同步、網絡安全技術等，本文針對通信節點能量受限的情況，對通信網絡信息傳輸機制、網絡生存時間和通信壽命進行研究。

2 通信網絡模型

本文所涉及的無線通信網絡模型結構如圖1所示。系統通常包括活動節點、休眠節點，大量節點分布于某一區域，并通過自組織方式構成無線系統，節點收集的數據經過多跳傳輸達到目標節點。如圖1中，在一個觀測區域R內，聯線小雙圈代表環境數據，圓圈代表活動節點，三角代表休眠節點；箭頭代表傳輸路徑；顯然針對不同的環境數據，活動節點可以處于不同的狀態。

圖1 本文通信網絡結構示意圖

本文所研究的無線通信網絡主要指的是由通信節點組成的一個通信區域，假設如圖1所示的通信區域內有N個通信節點，用集合￡＝｛1，2…，N｝表示，且把通信區域近似看成一個大的半徑為R的圓，通信節點獨立同分布，dij表示節點i，j之間的距離，節點的信息發射和接收半徑均為r，則當dij≤2r時，傳感器節點i，j可以相互通信。在通信區域內的節點密度為η＝N/πR2。

3 基于節能的信息傳輸機制

每一個節點攜帶的初始能量設為e0，不同功能的節點對能量的需求不同，如臨近匯聚節點的普通節點就主要將能量用于中繼數據包，而位于通信區域邊緣的節點將能量用于數據收集，因此有些節點能量的消耗就比較快。通常在實際應用中，如果能事先預測消耗能量快的節點，并采取措施來保證數據傳輸，而不會因為少數節點的能源失效而中斷。節能的主要方式就是節點休眠機制，也就是說，當節點沒有任務且不需要為其他節點轉發數據時，該機制就關閉節點的通信模塊功能、采集模塊功能和計算模塊功能。當通信任務發生時，只需要有相鄰區域內的節點被激活，這樣原先活躍節點在沒有任務時就轉為休眠模式，從而大大地節省節點能量。

圖2 基于節能的信息傳輸機制示意圖

在這種情況下，我們給出下面定義：

定義1：在上述信息接收機制下，每比特數據信息的傳輸距離為時的能量代價函數定義為：

對于ef(x)和ej(y)，采用文獻[5]的定義形式，即

其中C1、C2、C3、C4均為常數，α為路徑衰落指數，α≥2。

4 能量約束下的網絡生存時間

從而其概率密度函數為

處理增益，MAC協議等因素，有：

其中ρο為常數。

5 計算機仿真結果和討論

仿真參數η0＝4.25×10-4，即在半徑為750 m的通信區域內大概分布有750個通信節點，不妨設P0=1。另外基于實際背景，將R、r的取值范圍分別設定為500≤R≤1000、1≤r≤4。假設節點使用兩節干電池供電，這樣的電力在3V情況下大約是2200mAH，［5-6］即仿真中的節點初始能量e0＝2200mAH。如下頁圖3中顯示了在一定的能量代價函數參數c1、c2、c3、c4條件下，節點信息傳輸平均為3跳，路徑衰落指數為2.0時，對于不同的通信區域半徑，網絡的最大傳輸總信息量隨節點信息發射半徑的變化而變化。從下頁圖3可以看出，通信節點信息發射半徑對網絡的傳輸性能影響明顯，而通信區域的大小對傳輸性能影響不大，這是因為當監測區域增大時，通信節點數也將相應增多。

接下來考察節點信息傳輸跳數對傳輸性能的影響，從下頁圖4可以看出，在同樣的信息傳輸距離到匯聚節點的情況下，節點的信息傳輸跳數越多，即信息包經過越多的中繼節點的轉接，則網絡所能傳輸的總信息量越大，因為本文的信息傳輸是基于節能的信息傳輸機制，在相同的信息傳輸距離下，傳輸跳數k越大，由x＝l+kr，有

即ef(l)是指數量級減少，雖然kej(r)為線性增加，但比起ef(l)的指數級減少，就顯得不重要了。

圖3 在不同通信區域半徑下，通信節點信息發射半徑對最大傳輸總信息量(Bit)的影響

從而當x＞r時，傳輸跳數k越大，其能量代價函數值e(x)就越小，即可以用更少的節點能量來完成相同的信息傳輸任務。所以總的來說，本文的信息傳輸機制可以有效地節省節點功率，延長網絡壽命，從而在總體上提高通信系統的傳輸性能和吞吐量。

圖4 在信息數據包傳輸距離相同的情況下，節點信息傳輸跳數對最大總傳輸信息量(Bit)的影響

另外，從下頁圖5中容易看出，信息傳輸的能量需求函數參數對通信系統的傳輸總信息量影響極為顯著，可見對于功率控制不僅最大化通信網絡生命周期關系重大，而且對于提高通信系統的傳輸性能和吞吐量也有重要意義。

圖5 對于不同的能量代價函數，最大傳輸總信息量(Bit)和通信節點信息傳輸跳數的關系

近年來，無線通信網絡在軍事、環境監測、農業、家庭智能化等方面的光明前景使其研究受到越來越多人的關注。在很多應用環境中，對網絡可靠性的要求非常高。但由于無線通信網絡必須具有節能的特點，使得網絡容易出現節點失效和通信鏈路不可用的情況，同時網絡的惡意攻擊也會導致節點和鏈路的失效，這些因素都將嚴重影響無線通信網絡的可靠性。網絡可靠性和穩定性問題已經成為無線通信網絡的一個研究熱點。由于篇幅所限，關于節能的無線網絡穩定性和可靠性問題將另外撰文進行深入研究。

6 結論

本文所研究的無線移動通信系統特別適合于部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，這種通信系統網絡維護十分困難，所以通信節點一旦能量失效就變成無效節點。如何延長節點壽命、提高信息傳輸性能和系統吞吐量是通信系統面臨的首要挑戰，隨著現代電子電路技術的進步，消耗在節點處理器模塊和感應模塊上的功率變得越來越小，而大部分節點能量都是消耗在通信模塊上。本文針對上述問題，提出了一個基于節能的無線通信信息接收機制，并在該機制下，研究了系統的最大傳輸性能和吞吐量，提出并證明了通信系統的傳輸總信息量的一個上界。最后進行了仿真并詳細分析了仿真結果，得出幾個結論。

本文所提出的基于節能的無線通信信息接收機制不僅滿足所要求的功率控制任務，而且對于通信系統的傳輸性能的提高也有重要意義和應用前景。

[1]余根堅，鄭寶玉.基于節點間信息事件分析的無線Ad Hoc網絡傳輸性能研究[J].計算機學報.2007（4）：524-531.

[2]余根堅,鄭寶玉.無線移動Ad Hoc網絡簇間傳輸性能的上下界[J].自然科學進展，2006（10）：1351-1355.

[3]Yao Y，Gehrke J E.Query processing in sensors networks[C].In Proc.1st Biennial Conf.Innovative Data Systems Research (CIDR 2003)，Asilomar,CA,2003:1023-1027.

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[6]Shin J,Guibas L J,Zhao F.A distributed algorithm for managing multi-target identities in wireless ad-hoc sensor networks[C].

The 2nd Int.Workshop Information Processing in Sensor Networks(IPSN03),Palo Alto,CA,2003:536-542.

An Information Transmitting Mechanism for Wireless Mobile Communication Networks with Economical Energy Consumption and Its Transmitting Capacity

Yu Genjian
(Computer Science Department of Minjiang University,Fuzhou 350108,Fujian,China)

For the significance of the power control of wireless mobile networks,an information transmitting mechanism for wireless mobile networks with economical energy consumption is proposed.In such a mechanism,the maximum transmitting capacity is analyzed and the upper limit of general transmitting information volume of WSN is put forward and attested.Finally,some simulation experiments are conducted and the results are analyzed in details.

wireless mobile networks;information transmitting mechanism;transmission capacity;energy consumption function

TN915

A

1673-8535（2010）06-0008-06

余根堅（1969-），男，福建古田人，閩江學院副教授，博士，主要研究方向：無線通信與網絡信號處理、無線通信安全、復雜網絡。

（責任編輯：高堅）

2010-10-18

高校專項課題資助項目（JK2010045）；閩江學院基金項目（YKY09005）