無線傳感器網絡RCF-MAC協議研究*

張 健， 董巖松， 劉丹丹

(武漢大學 計算機學院，湖北 武漢 430072)

無線傳感器網絡RCF-MAC協議研究*

張 健， 董巖松， 劉丹丹

(武漢大學 計算機學院，湖北 武漢 430072)

射頻充電(RFC)技術是一種通過基站發射射頻電波為傳感器節點補充電量的新興技術。但在RFC無線傳感器網絡中，多基站同時發射能量時產生的能量干涉衰減現象會明顯降低充電效率，此外，能量傳輸與數據通信共享信道會降低整個網絡的吞吐量。針對上述問題，提出了RFC—MAC協議，為提高充電效率，將請求充電傳感器節點周圍的基站按距離分為兩組，兩組基站分時能量傳輸，以避免能量干涉衰減現象；傳感器網絡中設雙信道，分別用于能量傳輸與數據通信，以提高網絡的吞吐量。仿真結果表明：RFC—MAC協議顯著提高了傳感器節點的充電效率和平均網絡吞吐量。

射頻充電技術；能量干涉；網絡吞吐量；無線傳感器網絡

0 引 言

無線傳感器網絡[1]正越來越廣泛地應用于環境檢測、工業及基礎設施監控、智能家居、醫藥系統以及軍事等諸多領域。但傳感器節點一般采用電池供電，可以使用的電量有限，并且在很多應用場合，電池的更換相當困難，因此，有限的能量問題成為制約該類型網絡發展的重要因素。如何為傳感器節點補充電量成為了無線傳感器網絡的重要研究方向之一[2]。

射頻充電(RFC)技術[3]是一種為傳感器節點補充電量的新興技術，在該技術中，基站通過發射射頻電波為發出充電請求的傳感器節點補充電量。文獻[4]通過實驗證實了這項技術的可行性，并表明射頻充電技術定會得到大規模的普及應用。

1 RFC技術面臨挑戰分析

盡管RFC技術應用前景廣闊，但在RFC無線傳感器網絡中，當多基站同時發射能量時產生的能量干涉衰減和網絡吞吐量低等問題卻亟待解決。

1.1 能量干涉衰減

圖1為RFC無線傳感器網絡結構圖。其中，X，Y，Z分別為射頻發射基站，S1，S2，S3分別為傳感器節點。設基站發出的射頻電波波長為λ，其中節點S1與基站X之間的距離為λ,與基站Y之間的距離為λ/2，與基站Z之間的距離為λ。

在該傳感器網絡中，基站X，Y，Z都可以單獨給傳感器S1節點充電，此時不存在射頻電波的干涉現象。然而，考慮如下兩種情形：

圖1 帶能量發射基站的無線傳感器網絡結構圖

1)基站X與Z同時為傳感器節點S1充電

此時，在S1節點處的射頻電波疊加干涉情況如圖2所示。

圖2 S1節點處射頻電波的建設性干涉現象

由于X與Z到S1節點的距離都為λ，恰好是一個波長的長度，兩者之間的相位差為0。此時，在S1節點處，X發出的射頻電波與Z發出的射頻電波的運動方向相同(如箭頭所示)，故產生建設性干涉現象[5]，使得S1節點接收的能量增強。

2)基站X與Y同時為傳感器節點S1充電

此時，在S1節點處的射頻電波疊加干涉情況如圖3所示。

圖3 S1節點處射頻電波的摧毀性干涉現象

由于X與S1之間的距離為λ，Y與S1之間的距離為λ/2，X與Y之間的相位差為π。此時，在S1節點處，X發出的射頻電波與Z發出的射頻電波的運動方向相反(如箭頭所示)，故產生摧毀性干涉現象[6]，使得S1節點接收不到能量。

綜上分析可知,在RFC無線傳感器網絡中，當多個基站同時發射能量時，存在能量干涉現象。

1.2 能量傳輸與數據通信共享信道會降低吞吐量

圖4中，傳感器節點S1電池電量達到了閾值，其向周圍的基站發出充電請求，基站響應后,節點進入到充電階段，待充滿后，S2節點檢測到信道空閑，開始向S1發送數據，S1接收后給出確認(ACK)。

圖4 能量傳輸與數據通信共享信道示意圖

由圖可知,在能量傳輸與數據通信共享信道的RFC無線傳感器網絡中，由于能量傳輸占用數據通信時間，這樣會明顯降低網絡吞吐量。

2 RFC—MAC協議

2.1 基本思想

在RFC無線傳感器網絡中，傳感器節點與發射基站都是隨機部署的[7]，因而，網絡中不可避免地存在能量干涉現象，經1.1分析可知，這種干涉現象是由不同基站到待充電傳感器節點間的距離不同造成的。此外，傳感器節點周期性地采集數據，若信道長時間地被能量傳輸占據，節點因難以進行數據傳送而造成其緩沖區的數據不斷地被覆蓋，從而影響網絡的性能。

針對上述問題，本文提出了RFC—MAC協議。該協議控制待充電傳感器節點周圍的響應基站分組、分時地進行能量傳輸，以避免能量干涉衰減現象，同時，實現同組基站發出的能量在待充電傳感器節點處干涉增強，以提高充電效率。此外，在傳感器網絡中設雙信道，分別進行能量傳輸與數據通信，以提高網絡的吞吐量。

2.2 基站分組與分時能量傳輸

該過程總結為如下四步：

1)傳感器節點發出能量請求數據包

當無線傳感器網絡中的某個傳感器節點S的電量達到了閾值時，其會向周圍的基站發出包含其自身ID的能量請求數據包(ERP)。

2)響應基站分組

響應ERP的基站被分成兩組，每個基站通過接收到的ERP數據包的RSSI值計算出自身與待充電傳感器節點的距離，從而知道自己歸屬于哪個分組，距離計算公式[8]如下

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)-Xσ.

(1)

其中,d為響應基站與待充電傳感器節點間的距離，d0為參考距離，n為信道的衰減指數，一般取2～4，Xσ為方差為σ的高斯隨機噪聲變量，均值為0，PL(d)為距離待充電傳感器節點d處的RSSI值。

分組原理分析如下：

如圖5所示,當響應基站與待充電傳感器節點S間的距離在區間[(k+1/2)λ-λ/4,(k+1/2)λ+λ/4](其中,k=0,1,2,3,…,為基站發出射頻電波波長)內時，多基站發出的射頻電波在S節點處的運動方向相同，都向下運動(圖中左邊箭頭所示)，使得節點S處能量干涉增強；同理，當基站與待充電傳感器節點S間的距離在區間[kλ-λ/4,kλ+λ/4](其中,k=0,1,2,3,…,λ為基站發出射頻電波的波長)內時，多基站發出的射頻電波在S節點處的運動方向也相同，都向上運動(圖中右邊箭頭所示)，同樣使得節點S處能量干涉增強。因而,將與待充電傳感器節點間距離在區間[(k+1/2)λ-λ/4,(k+1/2)λ+λ/4]內的響應基站歸為一組，將與待充電傳感器節點間距離在區間[kλ-λ/4,kλ+λ/4]內的基站歸為另一組，同組基站同時發射能量以達到S點處能量干涉增強的效果，由于不同組基站發射的能量在S處存在干涉衰減(因為在S點處，射頻電波的運動方向相反)，因而需分時傳送。這種分組設計既能夠充分利用能量的建設性干涉使充電傳感器節點處的能量增強，又能夠有效地避免能量干涉衰減問題，從而提高充電效率。

圖5 響應基站射頻電波在待充電節點處的運動方向圖

待充電傳感器節點S周圍的響應基站分組如圖6所示。

圖6 待充電節點S周圍的響應基站分組圖

圖6中，S為發出能量請求的待充電傳感器節點，ET1～ET5為接收到ERP的響應基站，圖中的分組邊界是指上述距離區間的端點值。由上述分組原理分析可知,陰影同心環區域內基站歸為一組，非陰影同心環區域內基站歸為另一組，即,基站ET4,ET5屬于一組，ET1,ET2,ET3屬于另一組。

3)響應基站向待充電傳感器節點發送響應包

接收到ERP的基站計算出自身所屬分組后，便向待充電傳感器節點發送響應包RP，其中包含自身ID和所屬組號NUM(圖6中陰影同心環區域NUM為1，非陰影同心環區域NUM為2)。

4)待充電傳感器發送確認信息

為避免兩組基站同時發射能量產生能量干涉衰減，待充電傳感器節點設置一個充電輪轉時間片CTS，使兩組基站分時能量傳輸，直到電池充滿為止。

待充電傳感器節點接收到所有響應基站的RP包后，便向響應基站發送確認包EACK，其中包含CTS和優先開始能量傳輸的組號NUM(例如:NUM=1表示第一組基站優先開始)。

傳感器節點充電階段流程如圖7所示。

圖7 傳感器節點充電階段流程圖

2.3 能量傳輸與數據通信并行執行

由1.2的分析可知,能量傳輸與數據通信共享信道難以提高無線傳感器網絡的吞吐量，因而考慮設雙信道，使能量傳輸與數據通信并行執行。雙信道設計如圖8所示。

圖8 能量傳輸與數據通信信道圖

圖8中，傳感器節點S1電池電量達到了閾值，其通過能量傳輸信道(energy channel)發出充電請求ERP，基站響應后，進入到充電階段(energy transfer)。與此同時，傳感器節點S2欲向S1發送數據，其便通過數據通信信道(data channel)向S1發送數據，S1接收后給出確認ACK。由圖可見，能量傳輸與數據通信互不影響，兩者并行執行，從而可以顯著地提高網絡的吞吐量。

3 仿真結果與分析

利用NS-2軟件進行模擬仿真，模擬參數設置如下：

傳感器節點參數參照Mica 2模塊，其能量收集電路參數參照參考文獻[4]；基站以3W的功率發射射頻電波，參照文獻[9]。

在50 m×50 m的二維平面內隨機部署傳感器節點和能量發射基站，在分別改變響應基站數目和傳感器節點數目的情況下比較RFC—MAC協議與修改的無時槽的CSMA[10]協議的性能。修改的CSMA協議沒有考慮傳感器網絡中的能量干涉衰減問題。

3.1 響應基站數目對節點平均收集能量的影響

圖9顯示了傳感器節點周圍響應基站的數目變化對平均收集能量的影響。由圖可知,隨著響應基站數目的增加，兩種協議下節點平均收集能量都會增加，但RFC—MAC協議性能占明顯優勢。RFC—MAC協議中采用的基站分組分時能量傳輸機制有效地提高了傳感器網絡中節點的平均收集能量值。

圖9 響應基站數目對節點平均收集能量的影響

3.2 傳感器節點數目對平均網絡吞吐量的影響

圖10顯示了無線傳感器網絡中傳感器節點的數目變化對平均網絡吞吐量的影響。由圖可知,對于修改的CSMA協議來講，當節點數目從60增加到100時，平均網絡吞吐量逐漸增加；當節點數目由120降低到240時，平均網絡吞吐量逐漸降低。而對于RFC—MAC協議，整體趨勢是平均網絡吞吐量隨著節點數目的增多而降低，但RFC—MAC協議性能明顯優于修改的CSMA協議。RFC—MAC協議中采用的雙信道機制有效地提高了傳感器網絡的平均網絡吞吐量。

圖10 傳感器節點數目對平均網絡吞吐量的影響

4 結束語

本文首先分析了RFC技術存在的問題，然后，提出了RFC—MAC協議，該協議通過基站分組分時為充電節點傳輸能量機制來提高傳感器節點的充電效率，通過設雙信道機制來提高整個無線傳感器網絡的平均網絡吞吐量。最后，通過模擬仿真實驗凸顯了RFC—MAC協議的優勢。

在RFC—MAC協議中，當一組基站處于CTS時間片時，另一組基站只能處于關閉狀態，故沒能實現網絡資源的充分利用。如何既允許所有的基站同時工作又能有效地避免能量干涉衰減將是下一步研究的重點。

[1] Pakzad S N,Fenves G L,Kim S,et al. Design and implementation of scalable wireless sensor network for structural monitoring [J]. ASCE Journal of Infrastructure Engineering,2008,14(1):89-101.

[2] Paing T,Shin J,Zane R.et al.Resistor emulation approach to low-power RF energy harvesting[J].IEEE Trans on Power Electro-nics,2008,23(3):1494-1501.

[3] Raghunathan V,Ganeriwal S,Srivastava M.Emerging techniques for long lived wireless sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2007,44(4):108-114.

[4] Nintanavongsa P,Muncuk U,Lewis D R.et al.Design optimization and implementation for RF energy harvesting circuits[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2012,2(1):24-33.

[5] 陳偉煒，魏國強，洪全興，等.從光的干涉現象探討光的本性[J].中國科技信息,2010,8(13):38-39.

[6] 王 莉，魯 剛.光的干涉和衍射探討[J].高師理科學刊,2009,29(3):92-95.

[7] 傅質馨，徐志良，黃 成，等.無線傳感器網絡節點部署問題研究[J].傳感器與微系統,2008,27(3):116-120.

[8] 劉艷文，王福豹，段渭軍.等.基于DV-Hop 定位算法和RSSI 測距技術的定位系統[J].計算機應用，2007,27(3):517-527.

[9] Powercast Corporation.Lifetime power evaluation and development kit[EB/OL].[2013—06—01].http:∥www.powercastco.com/products/development-kits/.

[10] Eu Z A,Tan H P,Seah W K G.Design and performance analysis of MAC schemes for wireless sensor networks powered by ambient energy harvesting[J].Ad Hoc Networks,2011,9(3):300-323.

張 健(1976-) ，男，安徽銅陵人，博士，博士生導師,研究方向為無線傳感器。

Research on RFC-MAC protocol for WSNs*

ZHANG Jian， DONG Yan-song， LIU Dan-dan

(School of Computer, Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Radio frequency charging(RFC)technology is an emerging technology that through base station emit RF waves to replenish power for sensor node.However,in RF charging(RFC)wireless sensor networks(WSNs),energy interference and attenuation caused by more than one base stations emitting energy at the same time can significantly reduce charging efficiency,moreover,energy transmission shares the channel with data communication can reduce network throughput.Aiming at above problems,put forward RFC—MAC protocols,ambient base stations of charging sensor node are classified into two groups,based on estimates of their separation distance from the energy requesting node to avoid phenomenon of energy interference decay as much as possible; set double channels in sensor networks for power transmission and data communications to improve network throughput.The simulation results show that RFC—MAC protocol can significantly improve charging efficiency of sensor node and average network throughput.

radio frequency charging(RFC)technique； energy interference； network throughput； wireless sensor networks(WSNs)

2014—05—14

國家自然科學基金資助項目(61103216) ；湖北省自然科學基金資助項目(2011CDB458,2013CFB295)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0054—04

TP 393

A

1000—9787(2015)02—0054—04