基于中繼狀態調度的無線傳感網絡低能量算法

聶韶華

(臨沂大學 計算機學院，山東 臨沂 276000)

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)通過多個小型的低成本傳感器節點組成，可以以投放等方式隨機部署在地形復雜的區域，節點在有限的感測范圍內采集數據，并以多跳的方式將數據匯聚到終端[1,2]。由于節點的感測半徑有限，為了擴展無線傳感器網絡的覆蓋面積，并在能量有限的條件下盡可能地延長網絡的工作壽命，在目前的傳感器網絡研究中，人們采用了中繼傳輸方式，將網絡的部分節點作為中繼節點，中繼節點作為鄰近節點的數據轉發站點，負責與其它中繼節點通信或與匯聚端直接通信，保證各節點采集到的數據傳送至匯聚端。中繼節點在鄰近節點所構成的集群中充當著簇頭的作用[3,4]。由于集群中的節點只需要與中繼節點保持通信，不需要與其它多個節點保持通信，因此加入中繼節點后，每個集群的覆蓋面積得到了提升，而且數據聚合的方式節省了集群中節點更多的傳輸能耗。由于節點投放的環境復雜，一般采用電池供電，因此對節點進行能量控制很有必要[5,6]。在中繼網絡中，中繼節點相比集群內的傳感器節點具有更大的能量消耗量，因此在本文中對能耗控制研究主要集中在中繼節點，本文提出的能量感知協議對中繼節點進行狀態調度，根據任務要求使得中繼節點在運行和休眠狀態中切換，根據能量消耗最小化為目標，自適應地調度中繼節點的動作狀態。

對于中繼無線傳感器網絡能量問題的研究，關注中繼節點選擇方式的算法較多，這些算法在提升中繼無線網絡的能量效率上取得了一定成果，例如Sheng等[7]提出的一種中繼無線多媒體網絡節能中繼選擇算法，該算法的特點是通過優化協同傳輸的譯碼和轉發來減少總能耗，對于中繼節點的選擇采用的是一種節能中繼選擇規則，該規則主要考慮節點的功率效率方面，雖然會帶來額外的帶寬開銷，但在均衡節點能耗上具有一定優勢。Lee等[8]提出的一種基于能量感知的多接口無線傳感器網絡中繼選擇和路由算法，該算法的特點是采用了一種高性價比的中繼節點選擇方式，選擇的中繼節點能夠在數據傳輸所需的最低能量限度下，以較短的時間期限完成數據傳輸任務。雖然選擇的路由可能使得個別節點的能量負擔加大，但在網絡的能量效率上得到了進一步的提升。本文在實驗部分將與這兩種算法進行能量性能的對比，進一步評估基于中繼狀態調度的方法在提高網絡能量效率上的有效性。

1 系統模型

圖1 雙層系統模型

圖2 節點i的時間幀t

根據各狀態給定的功率值和持續時間，每一個中繼節點i在時間幀內所消耗的能量值為

(1)

(2)

由于狀態調度的目的是最小化能量成本，本文采用二次成本函數來表示狀態調度問題，得到單位幀內中繼節點的最小化總能量方程

(3)

由于網絡的衰落信道隨時間而變化，因此考慮到信道增益λi是一個隨機變量，時間幀是相對于λi的期望，本文將中繼節點的最小化總能量方程轉化為

(4)

式中：Υλi是相對于λi的期望。

2 基于能量最小化的中繼狀態調度算法

式(4)是包含了對中繼節點狀態和時間幀的聯合優化調度，為了尋找整體的解決方案，在本節中采用雙分解來解決聯合優化問題[10]，首先形成式(4)的拉格朗日函數

(5)

式中：C表示原始變量，a≥0，b≥0，ω是拉格朗日乘子，相對于原始變量C的優化會產生一個對偶函數

(6)

該函數為尋找式(4)的最佳解決方案提供了一個下限，該下限可以通過對偶問題得到

(7)

對式(5)、式(6)采用表達式分解轉化為

(8)

(9)

其中，Hi(a,b,ω)的表達式為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(1)Initialization:t=0,a0,b0,ωi,0，i∈N

(2)Whilet∈Tdo

(3)fori∈Ndo

(5)nodeiupdatesωi,t

(6)end for

(7)Sink updatesatandbtand then broadcast to nodei

3 實驗結果

為了驗證中繼狀態調度算法在無線傳感器網絡能量效率上所表現出的性能，實驗部分主要采用對比分析的方法來進行算法性能評估，并對算法的性能進行了定量的比較和分析，其中，對統計量的定義有如下幾個方面：

(15)

式中：Ej表示節點j的能耗，用M表示網絡的節點數，Crec表示匯聚節點成功接收到的數據分組數量。

(2)數據包丟失率。用φ表示

(16)

式中：CV——源節點發送的數據分組總數量。

(3)網絡壽命。由于節點死亡會對網絡鏈路造成影響，影響網絡的正常運行，因此在本文實驗中以第一個節點的死亡時間減去網絡初始運行的時間作為網絡的生命壽命。

算法的軟件仿真平臺采用的是OPNET14.5，其它仿真參數見表1，仿真過程中各算法的仿真環境一致。

表1 仿真環境參數

在圖3所進行的實驗中，隨著網絡節點個數的增加，網絡的數據分組平均能耗量也逐漸提升。與節能中繼選擇算法和基于能量感知的中繼選擇算法相比，采用中繼狀態調度算法時網絡的數據分組平均能耗有所降低。以該實驗中參與仿真的網絡節點個數為60個為例，采用中繼狀態調度算法時，數據分組平均能耗量對比另外兩種算法分別減少了(0.000513J-0.000472J)/0.000513J≈8.0%、(0.000563J-0.000472J)/0.000563J≈16.2%。節能中繼選擇算法雖然通過譯碼減少了轉發量，中繼的優先選擇也減少了傳輸能耗，但中繼狀態調度算法在保證數據轉發任務正常執行的條件下最小化了節點的活躍期，使節點在網絡壽命期間用于發送/接收的能耗更小。基于能量感知的中繼選擇算法雖然縮短了單個數據任務的傳輸時間，但隨著網絡節點的增多，網絡的數據流量相應提升，單位時間內的任務完工時間越短，意味著單位時間內處理的數據分組數量越多，節點的平均能耗相比前兩種算法就更大。

圖3 數據分組平均能耗量比較

圖4顯示了3種算法的數據分組丟失率隨著網絡節點數的不同而變化的情況。可以看出，3種算法都保持著較低的數據分組丟失率，整個仿真過程中都低于1.25%。其中，中繼狀態調度算法隨著網絡節點數量的增多，其數據分組丟失率并不會產生較大的變化，由于算法包含了單位時間內接收數據位的平均數量約束，因此當網絡總數據量增多時，數據包碰撞概率仍然較低。節能中繼選擇算法由于傳送的控制分組數量明顯提升，在信道競爭激烈的情況下數據分組的丟失率逐漸升高。

圖4 數據分組丟失率比較

圖5顯示了3種算法的網絡壽命隨著網絡節點數的不同而變化的情況。從圖中可以看出，節能中繼算法的平均網絡壽命最長，以該實驗中參與仿真的網絡節點個數為60個為例，網絡壽命達到了3952 s，中繼狀態調度算法達到了3875 s，基于能量感知的中繼選擇算法達到了3712 s。由于節能中繼算法在選擇中繼節點時是以節點能量剩余量作為一個重要的選擇指標，因此節點的能量均衡程度更好，節點的存活時間更長。但當網絡節點數量增加到100個時，采用中繼狀態調度的方法可以得到更長的網絡壽命，由于節點數量的增多帶來了更多的網絡數據流量，即使節能中繼算法能夠使得節點能量均衡，但總能耗增多的條件下每個節點的能量負載都會增大。因此，當網絡節點數量較多時，網絡總能耗越低，對提高網絡壽命來說越有利。

圖5 網絡壽命比較

4 結束語

在研究無線傳感器網絡的能量問題上，本文以能量消耗最小化為目標，采用一種中繼狀態調度的方法來減少中繼節點在空閑階段所消耗的能量，提升節點的能量利用效率。該方法在優化節點能量上所體現出的重要特點，是最大化地延長了空閑節點的休眠期，盡可能地減少了節點能量的流失。從實驗部分各算法的數據分組平均消耗能量、數據包丟失率和網絡壽命的對比情況來看，基于中繼狀態調度的無線傳感器網絡在提高節點能量效率和網絡壽命、提高傳輸數據的穩定性上具有較好效果。在接下來的工作中，我們將進一步研究移動中繼網絡的能量問題，為實現更低功耗的移動傳感器網絡創造條件。