面向能耗控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)議優(yōu)化

曾 東，熊 飛

(1.中國聯(lián)通重慶市萬州區(qū)分公司，重慶404100;2．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400030)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目龐大、分布密集等自身特點，易因能量耗盡導(dǎo)致節(jié)點或鏈路故障，影響網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性等。能量受限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個顯著的特征［1］。有關(guān)能耗優(yōu)化與提高網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計充分考慮到能源的高效使用，以降低網(wǎng)絡(luò)運行能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的首要目標［2］。

基于節(jié)點功率控制的優(yōu)點在于能夠在滿足連通度的前提下，調(diào)節(jié)單個節(jié)點發(fā)射功率(output power)，使節(jié)點單跳可達到的臨近節(jié)點的數(shù)目得到均衡。但是其應(yīng)用中還是采用在每個節(jié)點中預(yù)先設(shè)置固定參數(shù)的模式，只是固定參數(shù)是經(jīng)過計算所得到的最優(yōu)化數(shù)值，并未考慮到參數(shù)動態(tài)調(diào)整對能耗優(yōu)化的影響，通過發(fā)送端和接收端之間的距離，動態(tài)調(diào)整發(fā)送功率參數(shù)，使發(fā)送功率達到能夠完成傳輸數(shù)據(jù)目的的情況下能耗最小，改變通用的固定參數(shù)設(shè)置所導(dǎo)致能量浪費的現(xiàn)象，從而達到節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

因此，主要研究網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)送功率參數(shù)的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化，在不影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)幕A(chǔ)上，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，降低節(jié)點能耗，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 相關(guān)研究工作

降低能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容，現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)主要集中在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸部分。

①針對數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)研究主要集中在降低處理器的能耗，能有效地節(jié)省數(shù)據(jù)處理時的能耗，但網(wǎng)絡(luò)能耗主要集中在無線傳輸階段，節(jié)能效果并不理想［3，4］;② 針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量損耗主要集中在無線通信方面，節(jié)能方法必然涉及到網(wǎng)絡(luò)通信的各協(xié)議層。當前的研究工作主要集中在無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)路由和多址接入等3個方面。此次優(yōu)化設(shè)計將主要針對無線傳輸階段，對節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)送功率進行優(yōu)化設(shè)計［5］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化體現(xiàn)在節(jié)點協(xié)議優(yōu)化方面，主要從拓撲控制、路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(MAC)3個方面進行優(yōu)化。拓撲控制主要包括節(jié)點功率和拓撲結(jié)構(gòu)2個方面的研究，對節(jié)點單跳可達到的臨近節(jié)點的數(shù)目進行均衡，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)能效并延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。路由協(xié)議需要兼顧網(wǎng)絡(luò)能耗與生命周期［6］。數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制協(xié)議MAC(medium access control)負責無線信道的使用方式，并對節(jié)點之間空閑的無線通信資源進行分配。在節(jié)省能量、可拓展性、網(wǎng)絡(luò)效率算法復(fù)雜度和與其他層協(xié)議協(xié)同等方面是MAC協(xié)議設(shè)計中要著重考慮的［7］。

2 發(fā)送功率參數(shù)設(shè)置優(yōu)化

2．1 節(jié)點發(fā)送功率參數(shù)設(shè)置方法

在SimpliciTI協(xié)議中，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送功率參數(shù)設(shè)置方法是固定參數(shù)設(shè)置，即無論兩個節(jié)點之間相距多遠，源節(jié)點都采用已設(shè)定好的發(fā)送功率參數(shù)。為了能夠覆蓋網(wǎng)絡(luò)中較多的節(jié)點，尤其是兼顧到較遠節(jié)點的覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸，需要將源節(jié)點的發(fā)送功率參數(shù)設(shè)置得較大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點主要處于4個狀態(tài):睡眠、空閑、發(fā)送和接收。在未進行接收和發(fā)送信息時，節(jié)點會監(jiān)聽周圍從而處于監(jiān)聽狀態(tài)，在發(fā)送和接收時是處于傳輸狀態(tài)。節(jié)點的傳輸和監(jiān)聽都是具有一定時間范圍的［8］，如圖1所示。圖1中A點可以監(jiān)聽到B、C、D、E點發(fā)送的信息，但是只能夠正確解析B和D點發(fā)送過來的信息，而不能正確解析C和E點發(fā)送的信息。發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點在傳輸信息時應(yīng)該使用適當?shù)墓β蕘戆l(fā)送信息，否則會產(chǎn)生過多的能量消耗或者無法成功發(fā)送信息。推薦使用最大的功率來傳輸RTS和CTS，而用最小的功率來傳輸數(shù)據(jù)DATA和ACK幀。因此，改變現(xiàn)有的固定參數(shù)設(shè)置方法，根據(jù)節(jié)點的位置而動態(tài)調(diào)整發(fā)送功率能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸范圍和監(jiān)聽范圍

2．2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送功率參數(shù)動態(tài)調(diào)整

為解決發(fā)送功率固定參數(shù)設(shè)置法導(dǎo)致能量過度消耗，提出了通過計算2個通信節(jié)點之間的距離，將發(fā)送功率控制在最小，即能夠完成連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚“l(fā)送功率。

為了獲得一定距離下所需要的最小發(fā)送功率模型，通過實驗點對點發(fā)送消息獲得在不同距離中，能夠成功連接的最小發(fā)送功率。根據(jù)CC1110芯片程序中PA_TABLE7-PA_TABLE0寄存器可以容納8個用戶選擇的輸出功率設(shè)置，而最佳的輸出功率和PA_TABLE設(shè)置之間的關(guān)系如表1所示。

表1 不同發(fā)送功率和頻率下最佳PA_TABLE設(shè)置

由表1可知，功率與P換算公式:

對于功率，dBm=10*lg(功率值/1 mW)。因此，當output power=0 dBm時，發(fā)射功率為1 mW。即發(fā)送功率和dBm值是一一對應(yīng)關(guān)系。因此用dBm代替實際發(fā)送功率。實驗測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗測得數(shù)據(jù)

通過實驗獲得了9組輸出功率和可傳輸數(shù)據(jù)距離。如圖2所示，橫軸代表發(fā)送端與接收端的距離，縱軸代表發(fā)送功率。當節(jié)點間距離較小時，功率增長較快。在－5 dBm和5 dBm之間距離增長較快，可得出模型:

圖2 測量數(shù)據(jù)散點圖

根據(jù)這9組實驗數(shù)據(jù)和提出的模型，通過曲線擬合，得到輸出功率和可傳輸數(shù)據(jù)距離的準確模型。擬合曲線如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)擬合得到的函數(shù)曲線

圖3為通過擬合出來的函數(shù)曲線，縱坐標表示發(fā)送功率，橫坐標表示2個終端節(jié)點之間的距離。圓圈點代表9組實驗數(shù)據(jù)，圖中的曲線表示擬合出來的函數(shù)曲線。通過數(shù)據(jù)擬合，得到了距離和功率之間的模型，如式(3)所示:

式中，P表示以dBm所代表的功率，d表示2個端點可通信的最長距離，單位為m。

從圖3可知，通過最小二乘法擬合出來的圖形達到了曲線與各試驗點之間距離最小的目的。并且符合實際中對距離和功率之間聯(lián)系的期望。在功率較小的時候，所能達到的最遠距離的增長較為緩慢，而在接近1 mW的時候距離增長變得較快。而在一段距離過后，增長速度又減緩到與最初增加速度相近。因此，發(fā)送功率和距離的曲線應(yīng)該是持續(xù)上升的指數(shù)曲線。

3 參數(shù)動態(tài)調(diào)整方法分析與仿真

3．1 參數(shù)設(shè)置動態(tài)調(diào)整方法分析

現(xiàn)有能耗模型為固定參數(shù)設(shè)置，即將發(fā)射功率設(shè)定為能夠覆蓋所有節(jié)點的固定值，但是當和一些距離較近的節(jié)點通信時可能出現(xiàn)功率過剩。因此，提出根據(jù)節(jié)點距離動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率的思想。

能量模型如圖4所示。

圖4 能量模型

節(jié)點能耗主要分為2個部分:發(fā)送數(shù)據(jù)能耗ETX(k，d)和接收數(shù)據(jù)能耗ERX(k)。

式中，k是數(shù)據(jù)包長度;d是發(fā)送端到接收端距離;Eelec是電路發(fā)送和接收1 bit數(shù)據(jù)時消耗的能量;ε是發(fā)射功率參數(shù)。由此能量模型分析可知:當距離已知時，功率越小能耗越少。因此通過功率－距離模型，通過已知的距離可計算出發(fā)送到目標節(jié)點的所需功率值。

3．2 點對點對等能耗仿真

在點對點對等網(wǎng)絡(luò)中，2個終端節(jié)點相互發(fā)送信息。假設(shè)2個節(jié)點相距距離最遠為20 m，并檢測當距離小于20 m時的使用固定參數(shù)設(shè)置和動態(tài)參數(shù)設(shè)置方法的能量消耗。

點對點網(wǎng)絡(luò)中固定參數(shù)設(shè)置法和動態(tài)參數(shù)設(shè)置法能耗對比如圖5所示。在圖5中，橫坐標代表2個終端節(jié)點之間的距離，縱坐標代表相應(yīng)距離相應(yīng)功率下所消耗的能量。點狀曲線代表改進之前固定參數(shù)設(shè)置能量曲線，實線代表改進后變參數(shù)設(shè)置能量曲線。由圖5可知，整體上改進后的參數(shù)設(shè)定算法比之前的固定參數(shù)設(shè)定方法更為節(jié)約能量，因此改進后的算法是具有可行性的，達到了預(yù)期能耗節(jié)約的目的。

圖5 點對點網(wǎng)絡(luò)中固定參數(shù)設(shè)置法和動態(tài)參數(shù)設(shè)置法能耗對比

3．3 點對多點拓撲網(wǎng)絡(luò)能耗仿真

假設(shè)在這個多點網(wǎng)絡(luò)拓撲中有一個數(shù)據(jù)中心和2個終端節(jié)點，數(shù)據(jù)中心可以接收終端節(jié)點發(fā)送來的信息，并向終端節(jié)點發(fā)送信息。假設(shè)在這個星狀拓撲網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)中心和節(jié)點相距d1=10 m，d2=20 m。并且相互之間以2次/s的速度發(fā)送信息200次［9］。

在固定參數(shù)設(shè)置法中為了保證全網(wǎng)的通信率，會將發(fā)送功率設(shè)置為盡可能大。因此在最遠節(jié)點距離為20 m的情況下，需要將全部終端節(jié)點的發(fā)送功率設(shè)置為d=20 m時的功率，即p=6.457 9 dBm。而在動態(tài)參數(shù)設(shè)定法中，可將距離數(shù)據(jù)中心10 m的節(jié)點的發(fā)送功率設(shè)置為10 m所對應(yīng)的功率即p=－1.058 4 dBm，如圖6所示。

圖6 點對多點2種參數(shù)法設(shè)置能耗對比

圖6中橫軸表示發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)，縱軸表示消耗的能量。優(yōu)化之前的線條(標注為before)表示使用固定參數(shù)設(shè)置法時，根據(jù)發(fā)送次數(shù)能量消耗的曲線，優(yōu)化之前的線條(標注為after)表示使用動態(tài)參數(shù)設(shè)置法時，能量消耗曲線。由圖6可知，隨著發(fā)送次數(shù)的增加，動態(tài)參數(shù)設(shè)置法的節(jié)能效果非常明顯。

4 結(jié)束語

能量受限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個顯著的特征。有關(guān)能耗優(yōu)化與提高網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。著眼于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點耗能最多的無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送部分，對現(xiàn)有節(jié)點協(xié)議中的發(fā)送功率參數(shù)設(shè)定方法進行了改進。為了得到距離和發(fā)送功率之間的轉(zhuǎn)換模型，利用點對點與點對多點的方法動態(tài)調(diào)整節(jié)點功率參數(shù)設(shè)置。通過數(shù)據(jù)擬合得到距離與發(fā)送功率之間的函數(shù)模型。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境具有不確定性，對驗證實驗進行了一定的簡化。通過點對點對等實驗和星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲模型進行了驗證。仿真實驗結(jié)果表明:動態(tài)調(diào)整節(jié)點發(fā)送功率參數(shù)相比改進前的節(jié)點放功率固定參數(shù)設(shè)置法，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗性能方面有較大的提升，節(jié)約了較多的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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