一種節(jié)能的無線移動通信網(wǎng)絡傳輸機制及其網(wǎng)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(jié)能的無線移動通信網(wǎng)絡傳輸機制及其網(wǎng)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(wǎng)絡的功率控制重要性特點提出了一個基于節(jié)能的無線移動通信網(wǎng)絡信息傳輸機制，并在該機制下，研究了網(wǎng)絡的最大生存時間，提出并證明了網(wǎng)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(wǎng)絡；信息傳輸機制；傳輸性能；能量損耗函數(shù)

1 引言

無線移動通信網(wǎng)絡是由具有感知、處理和無線通信能力的無線節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)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(tài)的狀態(tài)信息，實現(xiàn)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(huán)境、健康、家庭、交通、制造業(yè)、商業(yè)、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(tǒng)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(yè)發(fā)展和變革產生革命性的影響。一般來說，通信節(jié)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(shù)，這些特征都限制了此類通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡運行壽命，也就是說，初始的節(jié)點能量和網(wǎng)絡運行過程中的節(jié)點能量消耗將直接影響著網(wǎng)絡的生存時間和壽命。因此，對節(jié)點功率進行控制和控制協(xié)議復雜性，以及收發(fā)機系統(tǒng)結構盡量簡單。在多跳無線通信網(wǎng)絡中的節(jié)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(wǎng)絡的研究領域主要有：[2]路由協(xié)議、拓撲控制、通信標準、定位和時間同步、網(wǎng)絡安全技術等，本文針對通信節(jié)點能量受限的情況，對通信網(wǎng)絡信息傳輸機制、網(wǎng)絡生存時間和通信壽命進行研究。

2 通信網(wǎng)絡模型

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

圖1 本文通信網(wǎng)絡結構示意圖

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

3 基于節(jié)能的信息傳輸機制

每一個節(jié)點攜帶的初始能量設為e0，不同功能的節(jié)點對能量的需求不同，如臨近匯聚節(jié)點的普通節(jié)點就主要將能量用于中繼數(shù)據(jù)包，而位于通信區(qū)域邊緣的節(jié)點將能量用于數(shù)據(jù)收集，因此有些節(jié)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(jié)點，并采取措施來保證數(shù)據(jù)傳輸，而不會因為少數(shù)節(jié)點的能源失效而中斷。節(jié)能的主要方式就是節(jié)點休眠機制，也就是說，當節(jié)點沒有任務且不需要為其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)時，該機制就關閉節(jié)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(fā)生時，只需要有相鄰區(qū)域內的節(jié)點被激活，這樣原先活躍節(jié)點在沒有任務時就轉為休眠模式，從而大大地節(jié)省節(jié)點能量。

圖2 基于節(jié)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(shù)據(jù)信息的傳輸距離為時的能量代價函數(shù)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(shù)，α為路徑衰落指數(shù)，α≥2。

4 能量約束下的網(wǎng)絡生存時間

從而其概率密度函數(shù)為

處理增益，MAC協(xié)議等因素，有：

其中ρο為常數(shù)。

5 計算機仿真結果和討論

仿真參數(shù)η0＝4.25×10-4，即在半徑為750 m的通信區(qū)域內大概分布有750個通信節(jié)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(jié)點使用兩節(jié)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(jié)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(shù)參數(shù)c1、c2、c3、c4條件下，節(jié)點信息傳輸平均為3跳，路徑衰落指數(shù)為2.0時，對于不同的通信區(qū)域半徑，網(wǎng)絡的最大傳輸總信息量隨節(jié)點信息發(fā)射半徑的變化而變化。從下頁圖3可以看出，通信節(jié)點信息發(fā)射半徑對網(wǎng)絡的傳輸性能影響明顯，而通信區(qū)域的大小對傳輸性能影響不大，這是因為當監(jiān)測區(qū)域增大時，通信節(jié)點數(shù)也將相應增多。

接下來考察節(jié)點信息傳輸跳數(shù)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(jié)點的情況下，節(jié)點的信息傳輸跳數(shù)越多，即信息包經過越多的中繼節(jié)點的轉接，則網(wǎng)絡所能傳輸?shù)目傂畔⒘吭酱螅驗楸疚牡男畔鬏斒腔诠?jié)能的信息傳輸機制，在相同的信息傳輸距離下，傳輸跳數(shù)k越大，由x＝l+kr，有

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

圖3 在不同通信區(qū)域半徑下，通信節(jié)點信息發(fā)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(shù)k越大，其能量代價函數(shù)值e(x)就越小，即可以用更少的節(jié)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(jié)省節(jié)點功率，延長網(wǎng)絡壽命，從而在總體上提高通信系統(tǒng)的傳輸性能和吞吐量。

圖4 在信息數(shù)據(jù)包傳輸距離相同的情況下，節(jié)點信息傳輸跳數(shù)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?shù)哪芰啃枨蠛瘮?shù)參數(shù)對通信系統(tǒng)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(wǎng)絡生命周期關系重大，而且對于提高通信系統(tǒng)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(shù)，最大傳輸總信息量(Bit)和通信節(jié)點信息傳輸跳數(shù)的關系

近年來，無線通信網(wǎng)絡在軍事、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)、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(huán)境中，對網(wǎng)絡可靠性的要求非常高。但由于無線通信網(wǎng)絡必須具有節(jié)能的特點，使得網(wǎng)絡容易出現(xiàn)節(jié)點失效和通信鏈路不可用的情況，同時網(wǎng)絡的惡意攻擊也會導致節(jié)點和鏈路的失效，這些因素都將嚴重影響無線通信網(wǎng)絡的可靠性。網(wǎng)絡可靠性和穩(wěn)定性問題已經成為無線通信網(wǎng)絡的一個研究熱點。由于篇幅所限，關于節(jié)能的無線網(wǎng)絡穩(wěn)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(tǒng)特別適合于部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，這種通信系統(tǒng)網(wǎng)絡維護十分困難，所以通信節(jié)點一旦能量失效就變成無效節(jié)點。如何延長節(jié)點壽命、提高信息傳輸性能和系統(tǒng)吞吐量是通信系統(tǒng)面臨的首要挑戰(zhàn)，隨著現(xiàn)代電子電路技術的進步，消耗在節(jié)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(jié)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(jié)能的無線通信信息接收機制，并在該機制下，研究了系統(tǒng)的最大傳輸性能和吞吐量，提出并證明了通信系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)的傳輸性能的提高也有重要意義和應用前景。

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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(wǎng)絡信號處理、無線通信安全、復雜網(wǎng)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）