面向能耗控制的無線傳感器網絡節點協議優化

曾 東，熊 飛

(1.中國聯通重慶市萬州區分公司，重慶404100;2．重慶工程職業技術學院，重慶400030)

0 引言

無線傳感器網絡節點數目龐大、分布密集等自身特點，易因能量耗盡導致節點或鏈路故障，影響網絡拓撲結構和網絡傳輸穩定性等。能量受限是無線傳感器網絡一個顯著的特征［1］。有關能耗優化與提高網絡生命周期是無線傳感器網絡研究的重點。無線傳感器網絡協議設計充分考慮到能源的高效使用，以降低網絡運行能耗、最大化網絡生命周期為無線傳感器網絡節點設計的首要目標［2］。

基于節點功率控制的優點在于能夠在滿足連通度的前提下，調節單個節點發射功率(output power)，使節點單跳可達到的臨近節點的數目得到均衡。但是其應用中還是采用在每個節點中預先設置固定參數的模式，只是固定參數是經過計算所得到的最優化數值，并未考慮到參數動態調整對能耗優化的影響，通過發送端和接收端之間的距離，動態調整發送功率參數，使發送功率達到能夠完成傳輸數據目的的情況下能耗最小，改變通用的固定參數設置所導致能量浪費的現象，從而達到節省能量，延長網絡生命周期的目的。

因此，主要研究網絡節點發送數據時發送功率參數的動態調整與優化，在不影響無線傳感器網絡數據采集和傳輸的基礎上，優化網絡協議，降低節點能耗，最大化網絡生命周期。

1 相關研究工作

降低能耗是無線傳感器網絡研究的重要內容，現有的節能技術主要集中在數據處理和數據傳輸部分。

①針對數據處理的節能技術研究主要集中在降低處理器的能耗，能有效地節省數據處理時的能耗，但網絡能耗主要集中在無線傳輸階段，節能效果并不理想［3，4］;② 針對數據傳輸的節能技術。由于無線傳感器網絡的能量損耗主要集中在無線通信方面，節能方法必然涉及到網絡通信的各協議層。當前的研究工作主要集中在無線傳輸、網絡路由和多址接入等3個方面。此次優化設計將主要針對無線傳輸階段，對節點發送數據時的發送功率進行優化設計［5］。

無線傳感器網絡能耗優化體現在節點協議優化方面，主要從拓撲控制、路由協議和數據鏈路協議(MAC)3個方面進行優化。拓撲控制主要包括節點功率和拓撲結構2個方面的研究，對節點單跳可達到的臨近節點的數目進行均衡，優化數據轉發網絡，以提高網絡能效并延長網絡生存周期。路由協議需要兼顧網絡能耗與生命周期［6］。數據鏈路層的介質訪問控制協議MAC(medium access control)負責無線信道的使用方式，并對節點之間空閑的無線通信資源進行分配。在節省能量、可拓展性、網絡效率算法復雜度和與其他層協議協同等方面是MAC協議設計中要著重考慮的［7］。

2 發送功率參數設置優化

2．1 節點發送功率參數設置方法

在SimpliciTI協議中，現有的網絡節點發送功率參數設置方法是固定參數設置，即無論兩個節點之間相距多遠，源節點都采用已設定好的發送功率參數。為了能夠覆蓋網絡中較多的節點，尤其是兼顧到較遠節點的覆蓋和數據傳輸，需要將源節點的發送功率參數設置得較大。無線傳感器網絡中節點主要處于4個狀態:睡眠、空閑、發送和接收。在未進行接收和發送信息時，節點會監聽周圍從而處于監聽狀態，在發送和接收時是處于傳輸狀態。節點的傳輸和監聽都是具有一定時間范圍的［8］，如圖1所示。圖1中A點可以監聽到B、C、D、E點發送的信息，但是只能夠正確解析B和D點發送過來的信息，而不能正確解析C和E點發送的信息。發送節點和接收節點在傳輸信息時應該使用適當的功率來發送信息，否則會產生過多的能量消耗或者無法成功發送信息。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據DATA和ACK幀。因此，改變現有的固定參數設置方法，根據節點的位置而動態調整發送功率能夠節省網絡能量，延長網絡生存周期。

圖1 無線傳感器網絡節點傳輸范圍和監聽范圍

2．2 網絡節點發送功率參數動態調整

為解決發送功率固定參數設置法導致能量過度消耗，提出了通過計算2個通信節點之間的距離，將發送功率控制在最小，即能夠完成連接和數據傳輸的最小發送功率。

為了獲得一定距離下所需要的最小發送功率模型，通過實驗點對點發送消息獲得在不同距離中，能夠成功連接的最小發送功率。根據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置，而最佳的輸出功率和PA_TABLE設置之間的關系如表1所示。

表1 不同發送功率和頻率下最佳PA_TABLE設置

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，發射功率為1 mW。即發送功率和dBm值是一一對應關系。因此用dBm代替實際發送功率。實驗測得數據如表2所示。

表2 實驗測得數據

通過實驗獲得了9組輸出功率和可傳輸數據距離。如圖2所示，橫軸代表發送端與接收端的距離，縱軸代表發送功率。當節點間距離較小時，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 測量數據散點圖

根據這9組實驗數據和提出的模型，通過曲線擬合，得到輸出功率和可傳輸數據距離的準確模型。擬合曲線如圖3所示。

圖3 數據擬合得到的函數曲線

圖3為通過擬合出來的函數曲線，縱坐標表示發送功率，橫坐標表示2個終端節點之間的距離。圓圈點代表9組實驗數據，圖中的曲線表示擬合出來的函數曲線。通過數據擬合，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，發送功率和距離的曲線應該是持續上升的指數曲線。

3 參數動態調整方法分析與仿真

3．1 參數設置動態調整方法分析

現有能耗模型為固定參數設置，即將發射功率設定為能夠覆蓋所有節點的固定值，但是當和一些距離較近的節點通信時可能出現功率過剩。因此，提出根據節點距離動態調整發射功率的思想。

能量模型如圖4所示。

圖4 能量模型

節點能耗主要分為2個部分:發送數據能耗ETX(k，d)和接收數據能耗ERX(k)。

式中，k是數據包長度;d是發送端到接收端距離;Eelec是電路發送和接收1 bit數據時消耗的能量;ε是發射功率參數。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送到目標節點的所需功率值。

3．2 點對點對等能耗仿真

在點對點對等網絡中，2個終端節點相互發送信息。假設2個節點相距距離最遠為20 m，并檢測當距離小于20 m時的使用固定參數設置和動態參數設置方法的能量消耗。

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

圖5 點對點網絡中固定參數設置法和動態參數設置法能耗對比

3．3 點對多點拓撲網絡能耗仿真

假設在這個多點網絡拓撲中有一個數據中心和2個終端節點，數據中心可以接收終端節點發送來的信息，并向終端節點發送信息。假設在這個星狀拓撲網絡中數據中心和節點相距d1=10 m，d2=20 m。并且相互之間以2次/s的速度發送信息200次［9］。

在固定參數設置法中為了保證全網的通信率，會將發送功率設置為盡可能大。因此在最遠節點距離為20 m的情況下，需要將全部終端節點的發送功率設置為d=20 m時的功率，即p=6.457 9 dBm。而在動態參數設定法中，可將距離數據中心10 m的節點的發送功率設置為10 m所對應的功率即p=－1.058 4 dBm，如圖6所示。

圖6 點對多點2種參數法設置能耗對比

圖6中橫軸表示發送數據次數，縱軸表示消耗的能量。優化之前的線條(標注為before)表示使用固定參數設置法時，根據發送次數能量消耗的曲線，優化之前的線條(標注為after)表示使用動態參數設置法時，能量消耗曲線。由圖6可知，隨著發送次數的增加，動態參數設置法的節能效果非常明顯。

4 結束語

能量受限是無線傳感器網絡一個顯著的特征。有關能耗優化與提高網絡生命周期是無線傳感器網絡研究的重點。著眼于無線傳感器網絡節點耗能最多的無線傳輸模塊的數據發送部分，對現有節點協議中的發送功率參數設定方法進行了改進。為了得到距離和發送功率之間的轉換模型，利用點對點與點對多點的方法動態調整節點功率參數設置。通過數據擬合得到距離與發送功率之間的函數模型。由于無線傳感器網絡工作環境具有不確定性，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絡拓撲模型進行了驗證。仿真實驗結果表明:動態調整節點發送功率參數相比改進前的節點放功率固定參數設置法，在網絡節點能耗性能方面有較大的提升，節約了較多的能耗，延長了網絡生命周期。

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