基于時隙偵聽的無線納米傳感器網絡接入機制

劉海員， 閆愛玲

(1.南開大學 電子信息與光學工程學院,天津 300350;2.天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室,天津 300350)

0 引 言

無線納米傳感器網絡(wireless nano sensor networks，WNSNs)是一種新興的通信技術，屬于小尺度的無線傳感器網絡，傳感器節點只有幾立方微米[1]，采用納米材料制造，可以感知外界環境參數，在太赫茲頻段發射脈沖信號傳輸信息[2]，并能通過捕獲外界的電磁輻射獲取維持自身工作的能量，可以實現永久通信，在工業、醫療、環境等領域有著巨大的應用前景[3]。

由于納米傳感器自身結構簡單，功耗極低，文獻[4]所提出的簇頭選擇算法和文獻[5]通過優化孩子節點個數優化最優路由路徑的深度和孩子匯聚樹協議(depth and child clustering tree protocol,DC-CTP)等，適用于經典無線傳感網絡(wireless sensor networks，WSNs)，不再適用于WNSNs，因此，需要設計一種更低復雜度和低沖突的接入方法。Jornet J M等人提出了一種時域擴展開關鍵控(time spread on-off keying,TS-OOK)方案[6]，即每個傳感器以特定的周期T發送比特符號，符號長度為TS，則兩只不同傳感器沖突概率為TS/T，由于太赫茲脈沖寬度TS很小，因此，沖突概率很低。這種協議雖然簡單，但需要針對傳感器數目精心設計不同的發送周期，并且需要主控節點為每個傳感器節點事先分配不同的周期[7]，靈活度不高。

本文利用納米傳感器可以捕獲外界的電磁輻射獲取能量的特性，提出了一種基于時隙偵聽接入方案，方案易于實現，對傳感器的處理能力要求很低；在此基礎上，權衡吞吐量和能量消耗，優化了幀周期的選擇，并設計了一種隨機延遲的避沖突方法。仿真結果表明:設計的方案具有低沖突和較高吞吐量的特點。

1 WNSNs的基本工作模式

WNSNs網絡拓撲如圖1(a)所示，中心控制節點負責接收周圍傳感器發送的數據并作為中繼節點匯總轉發到更高層，控制節點的處理能力相對較高，功耗相對傳感器節點也較高。TS-OOK接入方案如圖1(b)所示。傳感器1以T1為周期發送脈沖信號，用發送脈沖表示發送“1”，靜止表示發送“0”；傳感器2以T2為周期發送脈沖信號。當兩只傳感器同時發送信息時，主控節點接收的混合信號如圖1(b)所示，因為周期不同，所以不會產生沖突。

圖1 基于TS-OOK的WNSNs接入方案示意

這種多節點接入方案相對簡單，但對周期的選擇較為嚴格，尤其是傳感器數量較多的情況下，當有一個比特位發生了沖突，意味著數據將產生連續沖突。

2 基于時隙偵聽接入機制

2.1 時隙偵聽接入機制原理

主要思想是將時域劃分成周期為T的幀結構，每幀中包含N個等時長的時隙。每個接入節點在一幀內僅占用一個時隙，發送一比特信息，下一幀的同一時隙發送下一比特信息，直至發送完整個數據包，釋放該時隙供其他傳感器節點占用。幀結構如圖2所示。由于納米傳感器可以捕獲周圍其他傳感器發射的電磁能量，因此，可以偵聽各個時隙其他傳感器是否在發送數據，以發現空閑時隙。當有數據請求時，便在空閑時隙發送數據。這種方法幾乎免去控制節點和接入節點間接入控制信息的交互，協議簡單，對接入節點的處理能力要求極低，適用于WNSNs。

圖2 基于時隙偵聽的無線納米傳感網絡幀結構

2.2 幀同步與脈沖信號設計

幀同步是基于時隙偵聽方案的關鍵技術，選擇能量充足且處理能力較強的控制節點完成這一功能，控制節點通過發送固定周期的幀同步脈沖信號確立幀的起止時刻，脈沖周期即幀周期。接入節點識別到幀同步脈沖后，便開始以Tslot為時隙單位，逐個時隙偵聽。為了有效識別幀同步脈沖和其他接入節點發送的信號，需要對這2種信號進行專門的設計。

在TS-OOK方案中，用發送脈沖表示發送“1”，靜止表示發送“0”。OOK方案并不適用于時隙偵聽接入，原因是如果傳感器節點在某一時隙發送“0”，其他傳感器會因無法偵聽信號，而判斷該時隙為空閑狀態，繼而選擇在該時隙發送信號，導致產生沖突。

本文專門設計了兩種脈沖調制方式：脈沖位置調制(pulse position modulation,PPM)和脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)用以表示不同的比特信息。PPM,即利用脈沖位于所在時隙的不同位置來表示傳輸不同的比特信息，如圖3(a)所示。PWM，即用不同的脈沖寬度來表示傳輸不同的比特信息，如圖3(b)所示。幀同步信號設計為兩個連續高斯脈沖信號，如圖3(c)所示，通過相關接收可以得到與比特信號不同的相關結果，以此識別幀同步信號。

圖3 信號調制方式和幀頭信號方案

3 接入參數的優化設計

3.1 幀周期和時隙數目確定

確定合適的幀周期，對于保證WNSNs暢通持久的數據傳輸顯得尤為重要。假設每個傳感器接入節點產生數據發送請求事件的次數服從參數為λ的齊次泊松分布[7]，λ為單位時間內事件發生的頻率。事件間隔為t，服從期望為1/λ的指數分布

(1)

分布函數為

(2)

假設接入節點每次發送的數據包為Nbit，取N=256。每幀長度為T，則第一個數據包發送完畢之前，第二次數據發送請求出現的概率(即產生數據阻塞的概率)PC為

PC=P{t≤NT}=1-e-λNT

(3)

控制節點以周期為T發送幀同步信號，產生的功率消耗為

(4)

式中Ef為每個幀同步信號消耗的功率，對于太赫茲脈沖信號，一般取值為10-12J[3]。因此，可以通過最小化式(5)所示的代價函數L(T)來確定合適的T

(5)

式中α，β分別為阻塞概率和能量消耗對系統影響的權重。對L(T)求導數，并令其為0，得到

(6)

式(6)為超越方程，可通過數值法求解，得到的T即為最優的幀周期。在MATLAB中利用solve函數求解式(6)，得到不同的權重系數比α/β和到達率λ對應的最佳幀周期,如圖4所示。

圖4 不同到達率λ和α/β對應的最優幀周期

對于每幀內時隙數目，為保證所有傳感器接入節點均能同時向主控節點發送數據，時隙數目不應小于接入節點數目，本文對時隙數目對沖突概率的影響進行了仿真。假設確定的時隙數目可以保證很小的沖突概率，根據選擇的幀周期可以獲得吞吐量R(T)的理論值

R(T)=λ×N×M×(1-PC)=λ×N×M×e-λNT

(7)

式中λ為單位時間內事件發生的頻率；N為請求發送的數據包比特數；M為傳感器節點數。

3.2 一種隨機延遲的避沖突方法

當在一段連續被占用的時隙內，有若干傳感器請求發送數據，并偵聽空閑時隙，則當下一個空閑時隙出現時，這些處于偵聽狀態的傳感器節點會同時發送數據，產生沖突，如圖5所示。

圖5 節點沖突

為了避免這種情形產生的沖突，本文引入一種隨機延遲的機制，即傳感器節點產生發送請求后，產生一個隨機整數K，當偵聽到第K個空閑時隙時開始發送數據，由于各傳感器節點生成的隨機等待時隙數目K值不同的概率很大，則數據會在不同的時隙內發送，避免沖突。這種隨機延遲的機制，可以將某些時刻集中產生的突發請求事件隨機分散到后續的空閑時隙中，很大程度上降低了沖突概率。

3.3 納米傳感器節點接入步驟

1)中心控制節點以周期T向周圍發送幀同步信號；

2)周圍的接入節點不斷偵聽幀同步信號，并捕獲空間中的電磁輻射能量作為自身發送數據的能量來源；

3)當某個接入節點產生數據發送請求時，生成隨機等待的空閑時隙數K；

4)開始逐個時隙偵聽，當偵聽到第K個空閑時隙時，記錄該時隙號，并在每幀的該時隙發送數據直至發送完畢。

4 仿真實驗與結果

假設仿真條件為：每個傳感器的發送事件到達率λ設為100次/s，節點發送事件間隔服從均值為1/λ=0.001s的指數分布，每個發送數據包包含N=256bit信息，仿真時間為1s。

4.1 時隙數目劃分對沖突概率影響

首先假設控制節點周圍有50只傳感器，α/β設為10-4，即能耗所占權重更大，對應的幀周期約為10-6s。每幀劃分的時隙數對應的沖突概率如圖6(a)所示。沖突概率計算方法為：發送沖突事件數目與發送完成的數據包數目的比值。從圖6(a)中可以看出：沖突概率隨著每幀劃分的時隙數目增加而減少，當時隙數目超過傳感器數目時，沖突概率已經比較低，因此，比較合理的選擇是使時隙數目等于傳感器數目。

4.2 隨機等待時延對沖突概率影響

實驗個選取了10～100個不等的接入節點數目，每幀時隙數設置為傳感器數目。隨機等待的時隙數目分別取0，10，30，50。系統的沖突概率如圖6(b)所示。可知:增加隨機等待時延數可以降低沖突概率，尤其在傳感器數量較多的情況下，較大的隨機等待延遲，具有更低的沖突概率。

4.3 幀周期對數據吞吐量影響

仿真不同的幀周期(或頻率)對吞吐量的影響。傳感器接入節點數為M=50，時隙數目等于傳感器數目，以保證較小的沖突概率，吞吐量滿足式(7)，理論的吞吐量上限，bps,為

λ×N×M=100×256×50=1.28×106

幀頻率選擇0.5Nλ，Nλ，2Nλ，5Nλ，10Nλ，50Nλ，仿真結果如圖6(c)所示。由結果可知:當幀頻率較小時，增加幀頻率可以顯著提高網絡吞吐量；而當幀頻率較大時，再增加幀頻率，吞吐量提高的十分有限，從節約能量的角度考慮，比較合適的幀頻率為5～10Nλ，或幀周期為(0.1～0.2)/Nλ。

5 結束語

設計了一種適用于WNSNs的節點接入方案，由主控節點發送幀同步信號，確定每幀的起始位置。傳感器節點偵聽各時隙內其他傳感器是否在發送，尋找空閑時隙發送數據，該方案簡單易于實現，適合于低功耗的WNSNs。同時針對吞吐量和功耗的權衡，優化了幀周期設置，并設計了一種隨機延遲的防沖突方法。仿真結果顯示：方案可以使WNSNs在較小的沖突概率下實現較大的吞吐量。同時該方案還可以作進一步擴展，如將一幀中的起始若干時隙劃分出來，用于主控節點發送其他控制信息等，以適應不同場景下的應用。

圖6 仿真實驗結果

[1] Akyildiz Ian F,Jornet Josep Miquel.Electromagnetic wireless nanosensor networks[J].Nano Communication Networks,2010,1:3-19.

[2] Akyildiz Ian F,Jornet Josep Miquel,Pierobon Massimiliano. Nanonetworks:A new frontier in communications[J].Communications of the ACM,2011,54 (11):84-89.

[3] Jornet Josep Miquel,Akyildiz Ian F.Joint energy harvesting and communication analysis for perpetual wireless nanosensor networks in the terahertz band[J].IEEE Transactions on Nano-technology,2012,11(3):570-580.

[4] 王 進,邵玉斌,龍 華,等.基于能量和距離加權的WSNs簇頭選擇算法[J].傳感器與微系統,2014,33(5):132-134.

[5] 王澤業,陳慧杰,黎有琦.路徑優化的無線傳感器網絡CTP路由算法[J].傳感器與微系統,2016,35(12):122-124.

[6] Jornet Josep Miquel,Akyildiz Ian F.Femtosecond-long pulse-based modulation for terahertz band communication in nano-networks[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(5):1742-1754.

[7] Pierobon Massimiliano,Jornet Josep Miquel,Akkari Nadine,et al.A routing framework for energy harvesting wireless nanosensor networks in the terahertz band[J].Wireless Netw,2013,14:1007-1015.