一種基于功率控制的WSN自適應能量高效傳輸模式研究*

陳立建,周 雪,雷艷靜,竺超明,毛科技

(1.浙江廣播電視大學蕭山學院,杭州 311201;2.浙江工業大學計算機科學與技術學院,杭州 310032)

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一種基于功率控制的WSN自適應能量高效傳輸模式研究*

陳立建1*,周 雪1,雷艷靜2,竺超明1,毛科技2

(1.浙江廣播電視大學蕭山學院,杭州 311201;2.浙江工業大學計算機科學與技術學院,杭州 310032)

無線傳感器網絡的能耗決定了網絡的生存時間。本文提出了一種基于功率控制WSN自適應能量高效傳輸模式。分析了在功率控制方案中傳輸功率損耗與溫度之間的關系。使用開環控制去補償由于溫度引起的鏈路質量的變化。通過結合開環溫度感知的補償與閉環反饋控制,可以在無線傳感網絡中顯著降低傳輸功率控制的開銷。仿真結果表明,與傳統的在單一地域最大化增強發送功率來補償溫度的變化相比,該方案能夠有效地適應傳輸鏈路質量的變化,并且有較少的控制報文開銷。

無線傳感器網絡;鏈路質量;功率級別;傳輸功率損耗

無線傳感器網絡是由大量微型傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。由于其能量由電池提供并且難以得到補充,所以能量的高效利用是無線傳感器網絡的一個研究重點[1]。無線傳感網絡中,傳感器節點廣泛分布在不同的環境中以收集數據無線傳感網絡中由于節點的能量有限,通信通常采用低功率射頻信號,通信鏈路的質量會因環境的變化而受到顯著的影響[2-3]。

本文提出了一種基于功率控制無線傳感器網絡自適應能量高效傳輸模式EATP(An Energy-Efficient Adaptive Scheme for Transmission in WSN Based Power Control),有效地補償由于溫度引起的鏈路質量的變化,在滿足傳感器節點間連通度的同時延長了網絡壽命。該模式采用了開環和閉環反饋控制,根據每個區域的發射器功率損耗門限值將網絡分成3個區域,在開環的過程中,每個節點使用溫度傳感器來評估鏈路質量。若鏈路質量較差,在使用閉環反饋過程來進行有效的補償。在閉環反饋的過程中,發射器將獲得更適合的功率控制,和現有的傳輸功率控制方案相比,所需的能耗更少。

為了在無線傳感器網絡中通過無線信道有效地傳輸數據,在現有的方案中,設定了一些最小發射功率來保證傳輸的可靠性。這些方案可以減少傳感器節點間的干擾,但卻增加了不必要的能源消耗。通過調整發送功率級別,參考節點周期性地廣播信標消息,當節點收到參考節點發出的信息,節點就發回一個確認信息。通過這種互動,參考節點可以估計節點之間的連接情況。

在局部均值算法中,參考節點廣播生命周期信息,節點收到后將確認信息發送給參考節點。參考節點將計算收到的確認信息的數量以及發送功率來保持適當的連接。例如,如果應答信息的數量小于節點最小門限值,發送功率則會增加;相反地,如果應答信息的數量大于節點最大門限值,發送功率則會減少。這樣就可以有效的延遲連通度較好網絡的壽命。然而,局部均值算法只能保證節點之間的連通度,不能評估鏈路的質量[4]。

文獻[5]通過建立基于最優鄰居節點數的功率調度表,提高信道利用率,減少通信能耗。文獻[6]分析節點發送功率變化下的鏈路流量平衡約束,鏈路最大傳輸速率約束,節點能耗約束等條件,建立最大化生存時間的網絡模型,并采用分布式功率迭代和次梯度算法求解該模型。文獻[7]提出的自適應功率控制策略是只需要局部信息的分布式算法,通過調整路徑損耗指數和功率控制參數可以獲得性能極佳的目標拓撲。文獻[8]根據節點接收閾值,計算出節點發送最優功率,在根本上減小發送功率從而節省節點能量。

自適應傳輸功率控制將根據空間和時間的影響動態地調整發射功率。若采用閉環反饋試圖去適應由時間而引起的鏈路質量的變化,在大規模的無線傳感器網絡中可擴展性很差,因為調整傳輸的每個環節將會帶來很大的開銷[9]。現有的方法是通過周期性地廣播信標消息來估算各種鏈路質量指標。另外,反饋過程被重復用于自適應地控制發送功率。為使鏈路質量適應環境變化,在受到溫度變化的鏈路中,傳輸功率的數據包開銷應該被最小化。在減少控制報文的數量的同時保持可靠性,這是一個重要的技術問題[10]。

1 基于功率控制自適應能量高效傳輸模式

本文提出了高效傳輸模式能在溫度變化的無線環境中維持鏈路質量。其用到的開環過程是基于感知到的溫度信息。閉環反饋過程是基于進一步精確調整發射功率的控制報文。通過調整開環、閉環反饋過程,將網絡分成3個區域,A,B,C分別表示高損耗門限值、中損耗門限值、低損耗門限值。

自適應能量高效傳輸模式可以分配最低可達傳輸功率給每個鏈路。在初始階段,參考節點為網絡中的節點建立一個模型。在運行階段,根據之前的模型,該模式根據鏈路質量動態地來維護每條鏈路。在相對穩定的網絡中,控制開銷只會發生在測量鏈路質量的初始階段。但在不穩定的網絡中,由于鏈路質量的不斷變化,將導致嚴重的開銷。

本文的傳輸模式方案如圖1所示,應答信息(ACK)可估計連接但無法確定鏈路質量,數據包接收率(PRR)可精確地估計連接但會導致較大開銷[10]。在本模式中,利用功率損耗來確定連接,它可以測試連通性并產生相對較小的開銷。功率控制器利用現有節點的數量以及每個節點測量的溫度來調整發射功率級別。功率控制器的運行不僅僅是根據所需節點數與現有節點數的比較結果,而且更要用到基于溫度的功率補償,所以可以快速達到所需的發射功率。溫度的補償是基于溫度與發射功率損耗之間關系的基礎上的。維持在低功耗網絡上的連通性是通過減小邏輯劃分的節點間的反饋過程實現的。

圖1 傳輸模式方案圖

溫度變化引起的發射能量損耗的制定是根據發射功率損耗與班尼斯特等人的溫度實驗結果之間的關系。溫度引起的功率損耗的數學表達式如式(1)所示[11]:

RSSIloss=0.199 6(T-25)

(1)

式中T為溫度值,單位為℃。

為了補償由式(1)估算的功率損耗,需要控制相應無線發射器的發射功率。式(2)用最小二乘法表示所需要的發射功率和功率損耗之間的關系。

Plevel=[(RSSIloss+40)/12]2.91

(2)

通過式(1)和式(2)可以獲得適當的發射功率來補償由于溫度變化引起的功率損耗。為了彌補WSN中每個節點之間的路徑損耗,利用自由空間模型有助于估算實際所需的發射功率。由于溫度變化在式(3)中增加了額外的功率損耗,估算節點之間實際所需的發射功率。對于自由空間路徑損失模型,需要在一個網絡中知道節點的數目(N)及節點之間的距離(d),(Eb/No)取決于信噪比(SNR),頻譜效率(η),頻率(f)以及接收機噪聲系數(RNF)。

Pt=[η·(Eb/No)·mkTB·(4πd/λ)2+RNF]+RSSIloss

(3)

本模式中所需要的參數有:

(1)每個區域的發射功率損耗RSSIloss

(2)每個區域的期望節點數nd(t)=nc(t)-5

(3)每個區域的發射功率級別Plevel。

發射功率損耗是維持鏈路質量的最小值。參考節點周期性地廣播消息并等待回復。一旦收到回復信息后,根據估算功率損耗值來劃分網絡區域。功率損耗高的節點將劃分到區域A,中等損耗的劃分到區域B,低損耗的到區域C。如果功率損耗值超過了門限值并且現有節點數大于等于期望節點數,將適當調整發射功率級別門限值,相反,將默認使用相同的發射功率級別。圖2是基于功率控制的自適應能量高效傳輸模式的算法流程圖。節點通過本地安裝的傳感器檢測溫度的變化。如果有任何溫度變化,將根據式(1)和(2)執行補償處理。節點發送的回復信息中包括由于溫度變化而計算得到的新發射功率級別。利用這種感知溫度的補償方案,可以減少傳統由于環境溫度變化引起的系統開銷。算法的參數如下如表1所示,算法的步驟如圖3所示。

圖2 算法流程圖

表1 算法參數含義

圖3 算法的具體步驟

2 實驗仿真

本文的算法在MATLAB下進行仿真,仿真實驗設置如下:將100個節點隨機的布置在100 m×100 m的正方形區域內,將此區域分成A,B,C,節點之間的距離為1 m～100 m,輪數為1 200次,模擬溫度從零下10 ℃到50 ℃之間,區域η為0.002 9,SNR為0.20 dB,帶寬83.5 MHz,頻率2.45 GHz,RNF為5 dB,T為300 K,Eb/No為8.3 dB。參考節點安置在區域的邊緣處。溫度引起的功率損耗的公式可以表示為:

RSSIloss(i)=0.199 6(Ti-25)

功率級別和傳輸功率損耗值之間的關系可以用最小二乘法[11]近似:

Plevel(i)=[(RSSIloss(i)+40)/12]2.91

網絡中所有節點的傳輸功率損耗的最大值、最小值和平均值可以用如下定義:

RSSIloss(min)=min(RSSIloss(i))
RSSIloss(max)=max(RSSIloss(i))
RSSIloss(avg)=[min(RSSIloss(i))+
max(RSSIloss(i))]/2

在找到傳輸功率損耗最大最小值之后,將區域分成3個部分,定義傳輸功率損耗的上下限并設置計數器來計算每個區域中節點的數量。假設起初將計數器設置為零,來定義上下限并檢測結果,滿足如下情況的節點將被安置在區域A:

RSSIloss(Amax)=max(RSSIloss(i))

RSSIloss(Amin)=RSSIloss(avg)+2

count=0

countA=count+1

對于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Amax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Amin)

類似地,定義區域B和C的上下邊界并用下面的式子對節點進行檢查:

RSSIloss(Bmax)=RSSIloss(avg)+2

RSSIloss(Bmin)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countB=count+1

對于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Bmax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Bmin)

RSSIloss(Cmin)=min(RSSIloss(i))

RSSIloss(Cmax)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countC=count+1

對于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Cmax)

并且

RSSIloss(i)≥RSSIloss(Cmin)

要應用本文提出的傳輸模式,需要為每個區域定義傳輸功率損耗門限值來使得節點間通信變得高效節能。每個區域的傳輸功率損耗門限值取決于特定區域所有節點的傳輸功率損耗以及該區域節點的數量。傳輸功率損耗門限值定義為:

這里PRRA、PRRB、PRRC分別是區域A、B、C的數據包接收率。基于給定方案中每個區域的RSSIloss,其中RSSIloss門限值以及nc(t)表示為:

對于?i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≥nd(t)(A,B,C)

對于?i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≤nd(t)(A,B,C)

或者

RSSIloss(ThresholdA,B,C)>RSSIloss(A,B,C)(i)

對于新的RSSIloss的Plevel定義為:

Psave被定義為擬定方案實施前后Plevel的差值:

網絡生命周期可以通過最大化Psave得到延長。擬定方案的目的是在保持鏈路可靠性的同時盡可能低減小能量消耗。Psave目標函數的定義如下:

這里countAT和countBT是每個區域中門限值以上和門限值以下的節點的數量。

3 仿真結果分析

在本節中,我們描述了所提出的高效節能技術在無線傳感器網絡中傳輸的仿真結果。圖4中,顯示的是一輪中每個節點感知到的溫度值。根據實際情況,每個節點感知到的溫度值有助于估計傳輸功率損耗值。圖5利用班尼斯特等人實驗中傳輸功率損耗與溫度的關系,計算出傳輸功率損耗隨溫度變化的值。高傳輸功率損耗值表明區域中節點的溫度比較高所以鏈路質量不太好。溫度在-10 ℃至+50 ℃之間,傳輸功率損耗值分布在-6 dBm～5 dBm之間。

從圖5中可以看出,鏈路質量與傳輸功率損耗值成反比。當溫度高傳輸功率損耗值的值也隨之增高,表明鏈路質量比較差,反之亦然。在估算了網絡中每個節點的傳輸功率損耗值,計算相應的發射功率來補償傳輸功率損耗值。圖6顯示了對于給定的傳輸功率損耗值,功率級別在y軸上分布在20～47之間,節點隨著溫度的變化對功率級別的要求成正比,溫度低則需要的功率級別也比較低,溫度高則需要更高的功率級別。相關的參數估計見表2。

鼻內鏡下嚴重外傷性歪鼻畸形肋軟骨整形及同期鼻中隔偏曲矯正一例（何川 秦喜昕 吳曉平 楊俊慧）5∶389

表2 參數估計

圖4 節點感測到的溫度值

圖5 估計的節點傳輸功率損耗

圖6 節點所需功率級別

由于之前在給定溫度的基礎上對每個節點做了傳輸功率損耗值估計,這就有助于估算所需的功率級別來對傳輸功率損耗進行補償。功率級別只是有助于補償由溫度變化引起的傳輸功率損耗。為了補償無線傳感網絡中由于每個節點之間的距離產生的路徑損耗,使用自由空間模型來幫助估計實際所需的發射功率。在由于溫度變化以及距離而需要額外的功率級別后,估算了每個節點之間實際所需的傳輸功率。圖7顯示了在溫度變化的情況以及不同節點的自由空間路徑損耗引起的傳輸功率損耗的情況下所需的傳輸功率。從圖中可以清楚地看到,傳輸功率分布在-175 dBm～-90 dBm之間,大多數時間都超過了-120 dBm。

圖7 傳輸功率

在估算每個區域節點的傳輸功率損耗值后,從圖7中可以看到每個區域節點所需的功率級別。在區域A中,功率級別分布在(40～45),區域B中則是(30～35),區域C中為(20～25)。也就是說區域A中所需的功率級別要高于其他兩個區域,同時區域A中的溫度以及功率損耗也比較高。區域B中的功率級別介于A、C之間,而C所需的功率級別則是最小的。從圖8中的區域指定是使用了經典的方法。接下來比較我們的傳輸模式指定每個區域所需要的功率。我們可以從圖9中很清楚地看到不同,每個區域的功率級別都降低了,其中A區域的功率級別減少得最多。圖10顯示了在使用所提模式后每個區域所需的Psave情況。區域A中Psave最高達到了2.3,B是1.7,C是1.5。

圖8 使用經典方法的區域(A,B,C)的功率級別

圖9 使用EATP方案的(A,B,C)的發射功率級別

圖10 區域A、B、C中節省的發射功率級別

圖11中的介紹了區域A,B,C中參考節點移動性對Psave的影響。參考節點沿著方形區域的邊界移動,區域中的節點則是靜止的。當參考節點處在方形區域的中心位置(50,50),其周圍的節點數將會最多,從而功率損耗值將大于門限值,所以我們需要減小功率級別來滿足其門限值的要求,使得能量節約Psave最大化。我們可以清楚地看到在中心位置,最大化Psave在12 dBm到20 dBm之間。當參考節點從區域中心移動到角落(0,0),Psave基本保持在1 dBm很小的變化內,實際上參考節點周圍的節點擁有相同的功率損耗以及相同的溫度,所以它們需要在門限值附近有相似的功率級別。當參考節點從(0,0)移動到(0,100),Psave的波動在-5 dBm～6 dBm。我們觀察到Psave在兩個時刻取到最大值,因為那些在參考節點附近需要增加功率級別來滿足門限值的節點數達到最小。

圖11 不同參考節點位置在區域A,B,C發射功率節省值

參考節點從(0,100)移動到(100,100)將導致Psave降低-4 dBm～12 dBm,只有一個時刻達到Psave最大值。類似的,當參考節點從(100,100)移動到(100,0),Psave限制在-4 dBm～7 dBm之間并且只有在一個時刻達到最大值。從圖中可以看出,區域A中處于中心位置的參考節點將使得Psave最大化并且增強了網絡生命周期。我們也可以看到不同時間的參考節點周圍的節點的Psave的變化,如果節點的傳輸功率損耗值比門限值要小,那么將會增加功率級別來降低節約的功率Psave,相反地,如果節點的傳輸功率損耗值比門限值大,將增加降低功率級別來增加節約的功率Psave。圖中也可以看出Psave的最大最小峰值也在相同的時間出現。

類似的,可以在區域B,C使用相同的參考節點移動模型來觀察Psave的變化。從圖中可以看出B區域中,參考節點在中心(50,50)時,Psave處在14 dBm～20 dBm,當移動至(0,0)時,Psave保持0 dBm～1 dBm的變化范圍。當參考節點從(0,0)移動到一個邊角(0,100)時,Psave在0 dBm～4 dBm之間波動。當參考節點從(0,100)移動到(100,100)時,Psave在-1 dBm～5 dBm之間。移動從(100,100)到(100,0)時,Psave在-4 dBm～5 dBm。從圖中可以看出C區域中,參考節點移動性對節省功率Psave的影響。當參考節點在中心(50,50)時,Psave在8 dBm～50 dBm之間波動。參考節點從中心移動到邊緣(0,0)使得Psave在0 dBm左右。從(0,0)移動到(0,100)Psave在-5 dBm～12 dBm。相似地,(0,100)到(100,100)Psave維持在-10 dBm～18 dBm。最終當參考節點位置從(100,100)到(100,0)Psave達到了最大值60 dBm,這表明在這一時刻參考節點附近的節點的傳輸功率損耗比其門限值高。該圖同樣說明了參考節點在中心位置時平均Psave最大。與區域B相比,在這個區域存在最大最小峰值,因為這個區域的節點擁有比門限值更大的傳輸功率損耗值。

4 總結

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陳立建(1973-),男,漢族,浙江廣播電視大學蕭山學院講師,主要研究方向為無線傳感器網絡,xschlj@163.com;

周雪(1982-),女,漢族,浙江廣播電視大學蕭山學院講師,主要研究方向為無線傳感器網絡,zx2092@163.com。

AnEnergy-EfficientAdaptiveSchemeforTransmissioninWSNBasedPowerControl*

CHENLijian1*,ZHOUXue1,LEIYanjing2,ZHUChaoming1,MAOKeji2

(1.College of Xiaoshan,Zhejiang Radio and Television University,Hangzhou 311201,China;2.Department of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)

The energy consumption of wireless sensor networks determines the lifetime of the network.This paper proposed an energy-efficient adaptive scheme for transmission in WSN based power control.After analyzing the relationship between the transmission power loss and the temperature with the scheme,the paper used the open loop control to compensate due to the change of temperature caused by the link quality.Through a combination of open loop temperature compensation and closed loop feedback control of perception,the scheme can significantly reduce the transmission power control in wireless sensor network overhead.Simulation results showed that propose scheme effectively adapts transmission Power level to changing link quality with less control packets overhead and energy consumption as compared to classical approach with single region in which maximum transmitter Power level assigned to compensate temperature variation.

WSN;Link quality;Power level;RSSIloss

項目來源:國家自然科學基金項目(61379023,61302129);浙江省自然科學基金項目(LQ12F02015);浙江省教育廳項目(Y201328294);浙江省可視媒體智能處理技術研究重點實驗室開放基金項目(2013011,2013051,2013082)

2013-12-25修改日期:2014-05-29

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.023

TP393

:A

:1004-1699(2014)06-0835-07