無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統設計
2018-06-12 08:00:10馬麗胡海峰
現代電子技術 2018年11期
馬麗 胡海峰
摘 要： 傳統能耗控制系統存在節點生存時間短、匯聚節點數量少、成本高等問題，為了節約能源消耗，對無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統進行設計。根據無線網絡通信特點，從電路器件、微處理器方面對系統硬件進行設計。構建分簇結構，并對軟件編譯器進行優化，融合中斷技術對動態能量、動態電壓進行控制管理。通過實驗驗證系統設計的合理性，并得出實驗結論。實驗結果表明，該系統具有節點生存時間長、匯聚節點數量多、成本低等特點，對提高網絡性能具有積極影響。
關鍵詞： 無線網絡； 通信節點； 傳輸能耗； 控制系統； 分簇結構； 中斷技術
中圖分類號： TN915?34； TP351 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0027?04
Design of energy consumption control system for wireless
network communication node transmission
MA Li， HU Haifeng
（College of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）
Abstract： The traditional energy consumption control system has the problems of short node survival time， small aggregation node quantity and high cost. In order to save the energy consumption， the energy consumption control system of wireless network communication node transmission was designed. According to the characteristics of wireless network communication， the system hardware is designed in the aspects of circuit devices and microprocessor， the cluster structure is constructed， the software compiler is optimized， and the interrupt technique is fused to control and manage the dynamic energy and dynamic voltage. The rationality of the system design was verified and experimental conclusion was obtained in experiment. The experimental results show that the system has the characteristics of long node survival time， large aggregation node quantity and low cost， and a positive effect on the improvement of network performance.
Keywords： wireless network； communication node； transmission energy consumption； control system； cluster structure； interrupt technology
0 引 言
在網絡正常運行過程中，節點傳輸的控制對能源消耗起著決定性作用，通信網絡工作時，對能源的需求非常大，因此需要遵守節點傳輸規則來控制節點能源消耗。利用網絡冗余節點的休眠機制來控制能源負載均衡，該方法可有效控制能源消耗，促使節點的能源消耗達到均衡狀態。在無線網絡通信環境下，節點處的能源消耗對整個系統傳輸控制具有重大意義，結合無線網絡通信的特點，對系統硬件部分從電路器件和微處理器進行設計，對軟件部分利用分簇結構展開分析。采用低耗能技術實現硬件部分的節點節能，從物理層次上控制數據傳輸速率，忽略節點在空閑時消耗的能源。針對軟件消耗部分利用節能通信協議實現節點節能，通過分簇結構與數據融合技術獲取能量高效路由協議來解決不平衡負載分布情況。
基于此，為了保障網絡能夠正常運行，且耗能最低，需對系統硬件與軟件進行節能設計?？傊O計具有節點生存時間長、匯聚節點數量多的傳輸控制系統是有必要的。
1 傳輸能耗控制系統硬件設計
隨著網絡技術不斷成熟，越來越多的節點引入到低耗能設計當中，由于無線網絡通信能量有限，為了提高節點傳輸性能需從電路器件、微處理器等器件方面著手設計。
1.1 電路器件設計
利用互補金屬氧化物構成的互補型MOS集成電路來降低器件整體功耗，使電路靜態耗能達到最小，但動態耗能依然較大。因此，為了降低電路器件耗能，主要途徑還是降低通信節點傳輸控制系統的動態耗能，動態功耗為：
[Q=PV2n] （1）
式中：[P]為系統負載電容；[V]為系統工作電壓；[n]為系統正常工作時的頻率。由式（1）可知，無線通信網絡環境下，節點能源消耗控制主要與系統工作時的電壓和頻率有關，為此，設計低能源消耗系統就需從該方面進行節能。
1.2 微處理器設計
無線通信節點微處理器能源消耗在整個系統中占據重要地位，設計合適的微處理器對系統性能具有較大影響[1]。一般情況下，微處理器能源消耗可分成兩部分，分別是內核能源消耗和外部接口控制器能源消耗。處理器總能源消耗為：
[Q=Q1+Q2] （2）
式中：[Q1]為系統端口處的能源消耗，該部分的消耗與電壓高低有關；[Q2]為系統控制器的能源消耗，該部分的消耗與控制器數據總線寬度有關[2]。因此，對微處理器進行設計時，需降低工作電壓，并減小總線寬度，可有效抑制能源大量消耗。
無線網絡通信節點傳輸能耗主要集中在通信模塊中，設計能源消耗模型如圖1所示。
由圖1可知：[p1]為系統發送數據時消耗的功率；[p2]為系統進行數據傳輸時接收的信噪比功率；[i]為路徑衰減指數；[d]為節點之間的實際距離；[m]為傳輸的數據量，單位[3]為bit。
根據能源消耗模型可知，無線通信信道具有對稱性，對節點周圍情況進行不間斷監測，以一定速度進行數據監測，當網絡通信節點之間數據傳輸距離[d
在微處理器件當中，網絡通信節點接收信息時，能源消耗較大，為此，對該部分設計時，應充分考慮節點之間的實際距離，盡量減少數據進行傳輸與接收時消耗的能源[5]。當節點傳輸距離一定時，路徑衰減指數[i=2，]采用一條傳輸途徑與多條傳輸途徑方式會導致能源消耗存在較大差異，如圖2所示。
由圖2可知：當節點之間距離較近，數據傳輸可采用多條傳輸途徑方式來節約能源。其中一條傳輸途徑耗費的能源為：[p1=12=1；]多條傳輸途徑耗費的能源為：[p2=0.22+0.22+0.42=0.24]。該結果說明，在數據傳輸過程中，采用多條傳輸途徑的通信方式可有效降低無線網絡通信節點的能耗。
2 傳輸能耗控制系統軟件設計
在無線網絡通信節點傳輸過程中，設計分簇結構對軟件編譯器進行優化，融合中斷技術對動態能量、動態電壓進行控制，進而降低軟件部分能源的消耗[6]。
分簇結構指的是將節點直接以數據形式發送給簇頭，在簇頭與匯聚節點之間利用一條傳輸途徑進行數據傳輸，如圖3所示。
由圖3可知，該結構是由簇頭與普通節點組成的，簇頭具有動態屬性，本地協調可產生簇群，具有數據融合等優勢。
分簇結構采用周期輪換制度，一般情況下，需要將簇的結構構建分為兩個階段，分別是建立階段與穩定階段[7]。簇的建立階段主要負責產生大量的簇頭，方便節點快速進行分簇管理；簇的穩定階段主要負責對數據進行傳輸，利用多媒體控制層協議限制數據鏈路進行數據傳輸時發生的信道沖突情況，并對所有節點以同樣速率發送數據包。使用共享傳輸介質（TDMA）的復用方式分配通信時隙[8]。
2.1 編譯器優化
在對編譯器進行優化的過程中，需選擇正確編譯順序來節約軟件部分的能源，采用休眠機制節約網絡節點能量，進而提高網絡整體能量的有效性。休眠狀態指節點基本處于關閉狀態，可直接接收網絡中剩余節點發送的喚醒信息，編譯器中節點休眠狀態關系為：節點休眠狀態經過一定周期轉換為傾聽狀態，傾聽狀態受到喚醒變為活躍狀態；活躍狀態經過節點冗余和網絡覆蓋度降低轉換為傾聽狀態，傾聽狀態經過周期沒有接收到任何喚醒信息變為休眠狀態[9]。
經過網絡部署后，大部分節點處于休眠狀態，一旦出現喚醒消息，節點立刻轉換為工作狀態，此過程接收的鄰居節點信息都被覆蓋。休眠調度機制的主要目的是在不影響網絡性能的前提下減少節點處于活躍狀態的時間，進而提高編譯器代碼生成效率，降低系統能源消耗。
2.2 動態能量控制
動態能量控制指的是將未工作的器件關閉，并將正在使用的器件轉換為低功能消耗狀態。進行節點傳輸控制設計時，采用動態能量控制可對微處理器和無線通信不同狀態進行選擇，實現均衡網絡能源消耗的目的。利用中斷技術將整個系統設置為多個事件進行處理，當事件發生時產生了中斷信號，那么數據處理器將處于省電模式，因此，該技術可將動態能量進行有效地轉換，且不影響能量產生結果，但是能源消耗情況差別較大。利用中斷技術可將系統工作狀態設置為等待模式，此時的數據處理器基本不消耗任何能量，為此，進行軟件設計時，融合中斷技術對動態能量進行控制可有效降低數據處理器的能源消耗。
2.3 動態電壓控制
動態電壓控制指的是系統在負載較低的情況下，通過降低數據處理器電壓方式，促使工作電壓與頻率達到有效節約能源的目的。利用中斷技術可將電壓轉換器變為動態電壓調節模式，促使大部分通信節點處于休眠狀態，此時節點的負載相對較低，方便任務執行時控制微處理器的能量負載均衡變化，進而降低能源消耗。
在無線網絡環境下，根據任務需求完成節點數據的采集，按照采集順序將數據發送給簇群，經過簇群內部的數據融合可將所有數據傳送到匯聚節點處。由于該系統需采用隨機選舉簇頭機制，因此，每經過一段時間就需要對簇頭進行重新選擇，此方法可有效避免因簇頭能源消耗過高而造成系統大量能源消耗問題，進而延長了網絡使用壽命。
3 實 驗
為了驗證無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統設計的合理性進行了如下實驗。利用網絡仿真器作為離散事件模擬器，以C++和OTCL語言為多種網絡協議，可用于通信協議、網絡處理器、分布式系統的建模與實驗，也可作為平臺分析復雜網絡性能，研究網絡狀態。
3.1 實驗環境設置
基于無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統實驗中，網絡節點如圖4所示。
根據圖4中節點的分布情況，利用多種網絡能耗均衡協議，設置如下實驗環境：
實驗平臺：采用嵌入式系統作為研究平臺；
無線通信網絡節點數量：120個節點，并隨機布置；
實驗監測范圍：120 m×120 m；
節點初始功率：0.55 J；
節點接收功率：0.39 J；
多媒體控制層協議：MAC?SENSOR；
節點坐標：（40，140）。
實驗參數設置如表1所示。
3.2 實驗結果與分析
3.2.1 網絡生存時間對比結果與分析
將傳統節點傳輸能耗控制系統與本文設計的系統的網絡生存時間進行對比，結果如圖5所示。
由圖5可知，傳統系統在第一個節點出現死亡的時間為380 s，到750 s時節點存活率為0，全部死亡；而本文系統第一個節點出現死亡的時間為740 s，到900 s時節點存活率為0，全部死亡。由此可知，本文設計的無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統優化了傳統系統存在的網絡節點與匯聚節點距離遠的問題，促使能耗控制更加均衡。
3.2.2 匯聚節點接收數據量對比結果與分析
將傳統設計的系統與本文設計的系統對匯聚節點接收數據量進行對比，結果如圖6所示。
由圖6可知，在同一狀態下，本文設計的系統接收的數據明顯多于傳統設計的系統，在傳統設計系統中，匯聚節點最終的數據接收量為6.58×104 bit，而本文設計系統最終數據接收量為1.095×105 bit。由此可知，本文設計的系統數據采集性能明顯優于傳統系統，大大節省了網絡開銷，促使較多能量被用來傳送數據。
3.3 實驗結論
基于傳統系統設計的基礎上，提出無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統設計，并通過上述實驗內容得出實驗結論。通過對網絡生存時間對比結果分析可知，本文設計的無線網絡通信節點傳輸能耗控制系統優化了傳統系統存在的網絡節點與匯聚節點距離遠的問題，促使能耗控制更加均衡，節點生存時間較長；通過對匯聚節點接收數據量對比結果與分析可知，本文設計的系統數據采集性能明顯優于傳統系統，大大節省了網絡開銷，促使較多能量被用來傳送數據，系統對數據傳輸控制能力較強。
4 結 語
目前無線通信網絡常常需要根據周圍環境采取不同節能路由協議，在該協議研究過程中，能耗問題往往比較復雜，因此，研究節能、能耗均衡的網絡運營成為首要條件。分別對系統硬件與軟件進行設計，并通過實驗驗證了該系統具有節點生存時間長、匯聚節點數量多的特點，可有效控制系統節點傳輸，節省網絡開銷，達到延長網絡使用壽命的目的。
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