分析小屋環(huán)境下基于鏈路質量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署方案

高喜奎 白 焰 吳 賽 王 洋

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

分析小屋環(huán)境下基于鏈路質量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署方案

高喜奎 白 焰 吳 賽 王 洋

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

提出一種基于鏈路質量的網(wǎng)絡節(jié)點部署方案，借助于雙鏈路的配合，在保障平均鏈路質量的要求下，通過合理部署節(jié)點位置，均衡網(wǎng)絡各節(jié)點的能耗，延長網(wǎng)絡壽命。通過仿真證明：該算法有效地均衡了網(wǎng)絡各個節(jié)點的能耗，并在雙鏈路情況下得以驗證，降低了高能耗點能耗，延長了網(wǎng)絡壽命。

分析小屋 鏈路質量 節(jié)點部署 網(wǎng)絡壽命

分析小屋環(huán)境下，分析儀表對監(jiān)測區(qū)域對象實時感知，將采集的數(shù)據(jù)由ZigBee進行傳輸，組成兩條長鏈式無線傳感器網(wǎng)絡，實時采集的事件以單跳或者多跳的方式傳送出去，最終匯聚到PC機，以實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的遠程傳輸[1]。然而少有人對于該特殊環(huán)境下的傳感器擺放進行研究。由于環(huán)境特殊，節(jié)點能量受限，越靠近基站，數(shù)據(jù)量越大，承擔的轉發(fā)任務越重，因此能耗越高，基站臨近幾跳節(jié)點成為制約網(wǎng)絡壽命的關鍵點[2]。通過研究無線傳感器(WSN)網(wǎng)絡節(jié)點部署問題，使節(jié)點的部署在一定程度上決定WSN的性能和使用壽命。

文獻[3]提出一種基于網(wǎng)絡效率的線性WSN優(yōu)化部署算法，在已知網(wǎng)絡規(guī)模和感應半徑的情況下，通過有效的節(jié)點部署來避免“能量空洞”；文獻[4]提出一種基于感知概率的節(jié)點部署優(yōu)化方法，將虛擬力算法進行改造，從提升覆蓋率角度進行優(yōu)化，提高網(wǎng)絡覆蓋率；文獻[5]提出一種基于冗余節(jié)點的節(jié)點部署方案，通過對單鏈路靠近sink節(jié)點附近部署冗余節(jié)點來減少能耗，延長網(wǎng)絡壽命；文獻[6]通過研究線性WSN的能耗，得到布置節(jié)點的密度公式，使得密度與能耗速度達到平衡，從而延長生命周期，從一定程度上提升了生命周期，但模型考慮鏈路信道接收概率為1[7,8]，并不符合實際情況。長鏈式數(shù)據(jù)傳輸過程中，許多研究模型并未考慮底層鏈路數(shù)據(jù)傳輸率的評估，常假設底層通信鏈路的接收概率為1，然而這與實際并不相符[9]。在此基礎上，筆者提出了一種基于鏈路質量的長鏈形網(wǎng)絡節(jié)點部署方案，即考慮網(wǎng)絡平均鏈路質量，得到鏈路數(shù)據(jù)傳輸概率，然后基于每個節(jié)點承擔的數(shù)據(jù)量和求得的節(jié)點部署方法對傳感器節(jié)點位置進行調整，最終得到一個合理的部署方案，再將兩條鏈路整合考慮，在確保鏈路質量的前提下盡可能地提高網(wǎng)絡壽命。

1.1 網(wǎng)絡模型

分析小屋模型下，考慮由m個隨機部署的節(jié)點形成的兩條長度相等但節(jié)點數(shù)目不同的線性鏈路，其應用場景為周期性地收集數(shù)據(jù)，并最終匯聚到一個sink節(jié)點，如圖1所示。

圖1 分析小屋無線網(wǎng)絡模型

由于分析小屋長寬的限制，對長度而言，兩鏈路相對距離較遠，兩鏈路通過增加發(fā)送半徑來實現(xiàn)全覆蓋，無疑會增加大量不必要的能耗[10]，因此首先單獨考慮單鏈路的節(jié)點部署，最后再將兩條鏈路整合考慮。設一條鏈路的節(jié)點數(shù)目為n，用si表示單條鏈路的第i個節(jié)點，相應的節(jié)點集合S={s1,s2,…,sn}，假設傳感器具有以下性質：

a. 所有節(jié)點同構，節(jié)點分布在長度為D的線形監(jiān)控區(qū)域內，每個節(jié)點有唯一標識(ID)。

b. 每個節(jié)點的初始能量都為Einitial，并且在一個周期內產(chǎn)生l比特數(shù)據(jù)，并且都需要發(fā)送到基站sink考慮數(shù)據(jù)重傳。

c. 節(jié)點之間單跳傳輸，多數(shù)節(jié)點與基站的距離要比該節(jié)點的無線通信距離大得多[11]。

網(wǎng)絡模型的性質a為無線傳感器網(wǎng)絡的典型設置；性質b為采集型無線傳感器網(wǎng)絡設置，為保證sink節(jié)點能接收到數(shù)據(jù)，考慮加入重傳；性質c從節(jié)能角度考慮，采用單跳進行傳輸。

1.2能量消耗模型

采用典型的能量消耗模型[12]，節(jié)點間發(fā)送一次數(shù)據(jù)的能耗模型如下：

(1)

式中d0——傳輸閾值；

Eelec——發(fā)射電路損耗的能量；

lt——一個周期內節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；

lr——節(jié)點接收的數(shù)據(jù)；

εfs、εamp——兩種模型中功率放大所需的能量。

1.3鏈路評估模型

采用周期性發(fā)送探測包的方式來獲得包的接收率，完成鏈路評估，會產(chǎn)生大量的通信量，既浪費帶寬又消耗能量。如果采用節(jié)點間的鏈路質量指示(LQI)來獲得接收率，這使鏈路評估變得很有利[13]。以射頻收發(fā)器CC2420為例，LQI取值為50～110，因此筆者采用基于高斯分布的鏈路模型，通過統(tǒng)計一定數(shù)量的LQI，求得平均LQI，再得出節(jié)點間的數(shù)據(jù)包接收率：

(2)

(3)

Std_Prr(E_LQI)=-0.001×ELQI2+0.01704×

ELQI-6.5652

(4)

其中，p∈[0,1]，φ(p)為數(shù)據(jù)包的接收概率，E_LQI為LQI的平均值，由多次采樣得到，E_Prr(E_LQI)為包接收率的平均值，Std_Prr(E_LQI)為滿足高斯分布的包接收率的標準差。由文獻[13]可知E_LQI∈[50，70]時接收率幾乎為0，因此筆者考慮E_LQI∈[50，70]。

1.4問題描述

網(wǎng)絡規(guī)模為D，節(jié)點個數(shù)為n，調整節(jié)點的距離，使網(wǎng)絡達到如下目標：節(jié)點布滿整個網(wǎng)絡，保證全覆蓋；盡可能地延長壽命，減少瓶頸節(jié)點的能耗，使每個節(jié)點的能量消耗基本均衡，最理想的情況是所有節(jié)點的能量都同時耗盡，避免“能量空洞”。

2 算法描述

2.1算法描述與分析

定義網(wǎng)絡壽命為T，可知T=Einitial/Emax，Einitial為初始能量，Emax為每輪數(shù)據(jù)能量消耗最多的節(jié)點所消耗的能量。目的是最大化T，為了延長整個網(wǎng)絡的壽命，可以通過最小化Emax和使每個節(jié)點的能量消耗基本均勻的方式，即Ei=Ei-1，以數(shù)學公式來表示就是：

(5)

定理1 設Dri、Dti分別表示節(jié)點i(i=1,2,…,n)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)，在N次重傳下，EN(h)表示經(jīng)h跳成功到sink節(jié)點的平均重傳次數(shù)，其中l(wèi)為單位數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)，則：

(6)

EN(h)=1×Qi+2×(1-Qi)Qi+3×(1-Qi)2Qi

(7)

(8)

(9)

則接收的數(shù)據(jù)量lr=Dri×l，發(fā)送的數(shù)據(jù)量lt=Dti×l。證畢。

2.2延長網(wǎng)絡壽命的節(jié)點部署算法

算法的具體步驟為：

a. 統(tǒng)計得出E_LQI，求出節(jié)點間的接收率；

b. 均勻部署節(jié)點，求出能耗最大的節(jié)點編號i，能耗為Emax；

3 性能分析

考慮成功傳輸一周期的數(shù)據(jù)包，將經(jīng)過節(jié)點部署算法后的節(jié)點能耗與均勻部署節(jié)點的能耗對比，如圖2所示，可以看出經(jīng)過節(jié)點部署后的節(jié)點能耗基本一致，最短壽命節(jié)點得以最大化，則網(wǎng)絡壽命盡可能的最大化。

圖2 不同節(jié)點的能耗值

圖3為不同平均鏈路質量條件下最高耗能節(jié)點能耗圖，LQI區(qū)間為[75，100]，從圖分析可知，在鏈路質量較差的情況下節(jié)點部署后能耗顯著降低，網(wǎng)絡壽命顯著延長，在鏈路質量較好的情況下影響不大。

圖3 平均鏈路質量對最高能耗的影響

工業(yè)現(xiàn)場中存在干擾，為抗干擾，設置兩條鏈路工作在不同的信道，當A鏈路信道受到干擾或者鏈路質量下降到某值時，可以切換到B鏈路的信道上，借助于B鏈路將數(shù)據(jù)傳出去，增強可靠性。此設計保障了算法的可行性，在分析小屋的應用中具有一定的參考價值。

現(xiàn)采用NS-2進行仿真驗證[15]，分別在兩種情況下討論靠近能耗最大的兩個節(jié)點，由算法求得能耗最大點為A鏈路節(jié)點4和B鏈路節(jié)點6，不同部署方式下最高耗能點的能耗如圖4所示。

圖4 不同部署方式下最高耗能點的能耗

從圖4可以看出，耗能最高點A鏈路的節(jié)點4和B鏈路的節(jié)點6，經(jīng)過算法部署后，能耗明顯減少，且兩鏈路配合傳輸，使得能耗相差不大，且經(jīng)trace文件分析讀得總吞吐量并未減少，使得在保證網(wǎng)絡質量的情況下網(wǎng)絡壽命得以延長。

4 結束語

無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點能耗直接影響了網(wǎng)絡的壽命，通過有效部署節(jié)點，在保證全網(wǎng)覆蓋的前提下，延長網(wǎng)絡的使用壽命。筆者在分析小屋特殊環(huán)境下，對鏈路式網(wǎng)絡提出了一種基于LQI的節(jié)點部署算法，并通過理論和仿真，驗證算法的有效性，最后將兩條鏈路組合考慮，經(jīng)過仿真分析得到在不影響鏈路質量的前提下，調節(jié)節(jié)點位置找到最優(yōu)間距后，兩條鏈路再配合傳輸算法，使得最高耗能點的能耗比均勻部署時的能耗減少，證明該算法優(yōu)于均勻部署方式，在合理考慮分析小屋環(huán)境要求的情況下，達到能耗均衡的目的，延長了網(wǎng)絡壽命。

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《化工自動化及儀表》2016年征稿簡則

1.專業(yè)范圍

報道化工、石油化工、冶金、電力、醫(yī)藥、造紙、紡織等行業(yè)過程控制理論與應用、計算機技術及其應用、檢測技術研究與應用、控制裝置設計及應用、儀器儀表技術開發(fā)與應用、企業(yè)技術改造經(jīng)驗等。

2.報道內容

◆綜述與評論。博采眾覽，兼收并蓄，及時、準確、全面地反映國內外過程控制技術、檢測技術、計算機技術及儀器儀表技術的發(fā)展動態(tài)、趨勢和水平。著文要求準確性和權威性，信息量大，能夠較全面地闡明命題的過去、現(xiàn)狀及發(fā)展。

◆過程控制。報道現(xiàn)代控制理論的研究與應用，新型控制策略及控制技術的應用實例；先進控制系統(tǒng)及控制裝置的現(xiàn)場應用；國家重大科技攻關項目及成果。

◆檢測與儀表。報道國內外先進的檢測技術、自動化儀器儀表技術的開發(fā)與應用。

◆研究與應用。報道控制技術、檢測技術、計算機技術、儀器儀表技術等的研發(fā)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。

◆技改與創(chuàng)新。報道技術改造和技術成果，系統(tǒng)及儀表的日常檢測與維修經(jīng)驗等，著文要求突出實用性。

3.投稿要求

◆文稿應簡明扼要，突出重點，公式、數(shù)據(jù)準確。

◆要求E-mail投搞，一律為Word文檔(A4幅面，單倍行距，通欄，五號字體)，不受理復印稿或傳真稿。

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◆公式另行居中書寫，大/小寫、上/下標標注清楚。

◆為使您的稿件能夠被及時處理，投稿時請務必提供每位作者的詳細信息，包括郵編、聯(lián)系地址、工作單位、電話等。

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◆投稿后若有變動(如撤稿，作者通訊地址、聯(lián)系方式改變等)，請務必通知編輯部。

◆審稿處理周期為15個工作日。

◆刊物出版后，向作者贈送當期刊物兩本。

NodesDeploymentAlgorithmforWLNsBasedonLinkQualityIndicatorunderAnalysisHouseEnvironment

GAO Xi-kui, BAI Yan, WU Sai, WANG Yang

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

A network nodes deployment algorithm based on the link quality was proposed. With the aid of a dual-link and under protecting average link quality as well as through deploying nodes reasonably, the every node’s energy consumption can be balanced to prolong the network lifetime. Simulation results show that this algorithm proposed can efficiently balance each node’s energy consumption under a dual-link case and can reduce high-energy consumption and extend service life of the whole network.

analysis house, link quality, node deployment, network lifetime

TP399

A

1000-3932(2016)01-0071-05

2015-12-01(修改稿)