移動信標輔助定位策略的傳輸功率的優化

曹 斌，陳 萍

(黃淮學院 信息工程學院， 河南 駐馬店 463000)

無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種自組織網絡結構。通過大量傳感節點實時感測環境數據，使得WSNs在多個領域得到廣泛使用[1]。然而，在多數應用中，所接收到的數據只有在知道其位置信息的前提下才是有效的。因此，節點位置信息對整個網絡的管理決策有十分重要的意義。

通常，WSNs采用一部分已知位置的節點(信標節點)的位置信息，估計其他節點(未知節點)的位置。為了減少信標節點數量，常采用移動信標策略。即信標在監測區域依據預定或隨機路徑移動，并不斷地發送beacon包。未知節點通過接收beacon包，實現節點定位。研究表明，相比于靜態信標，移動信標定位算法具有更高的定位精度[2-3]。

然而，目前多數定位算法只關注定位精度，并沒有考慮定位能耗問題[4]。畢竟WSNs內的節點是由電池供電，其能量受限。一旦節點能量耗盡，節點無法接收beacon包，更無法實現定位。因此，在實施定位算法時，需考慮到算法的能耗。

例如，Javad等[2]提出移動信標的節點定位算法。信標節點依據預定的z曲線移動。研究表明，該算法具有高的定位精度。但是，其并沒有分析算法的能耗問題。為此，本文以基于預定的移動路徑的定位算法為對象，以降低能耗為研究內容。

傳輸數據消耗了節點的大部分能量[5]。而動態地調整節點的傳輸功率能夠有效地降低節點能耗。Cotuk等[6]證實，通過采用傳輸功率控制(Transmission Power Control,TPC)策略，能夠有效地降低能耗，提高網絡壽命[6]。

為此，針對z-字型路徑的移動信標定位算法，提出了基于三步策略的信標傳輸功率的調整 (Three-step strategy based adjusting transmission power,TSATP) 算法。TSATP采用三步功率調整的節點的傳輸功率，進而控制信標的發射功率算法TSATP。仿真結果表明，提出的TSATP算法能夠有效地控制能耗。

1 網絡模型及問題描述

能耗是所有WSNs設備必須關注的問題，特別是移動信標輔助定位的目標應用。制定能耗低的移動軌跡是提高能量效率的有效策略。在移動信標輔助定位算法中，無意中偷聽(overhearing)是能量浪費的主要因素。

Rezazadeh等[2]引用z-字型的移動路徑，獲取較高的定位性能。其將整個網絡劃分四個子區域，每個子區域具有一個中心位置。信標就依據z-字型遍歷每個中心位置，如圖1所示。整個網絡劃分為A1、A2、A3和A4四個子區域，這四個區域的中心位置分別為c1、c2、c3和c4。而c0表示整個網絡的中心位置。

圖1 信標移動模型

從圖1可知，采用Rc作為信標的傳輸半徑。盡管能覆蓋更多的節點，但并沒有考慮能耗問題。為此，本文擬通過調整信標的傳輸半徑，降低節點功率，進而降低能耗。

2 TSATP算法

TSATP算法采用三步策略調整信標的傳輸功率，進而降低能耗。將第一步稱為初始階段；第二步稱為中間階段；第三步，稱為終結階段。依據信標在這三個階段的不同位置，調整信標的傳輸半徑，進而優化信標的發射功率。

2.1 初始階段

假定信標首先從c1∈A1位置傳輸第一個beacon消息。而c2∈A2是緊隨其后的第二個傳輸beacon消息的位置。將這兩個位置定義為初始狀態PS:

PS={c1,c2}

(1)

令Ni表示信標在位置ci時的鄰居節點集，且i=1,2,3,4。對于任意i值，Ni內的節點有的屬于同一個子區域，有的可能來自鄰居子區域。因此，N1、N2分別滿足如下式(2)、式(3):

N1={si|si∈A1∪ ∪A2∪A3}

(2)

N2={si|si∪A1∪A2∪A4}

(3)

令PSrec表示在初始狀態時能夠收到beacon消息的傳感節點集，其可表述為：

PSrec=N1∩N2={si|si∈A1∪A2}

(4)

圖2 初始階段

2.2 中間階段

本階段通過調整傳輸功率，避免偷聽，進而提高移動信標的能效。完成了初始階段后，信標移動到網絡中心位置c0。因此，此階段稱為中間階段(Middle State,MS)。

當信標移動至c0時，四個子區域內節點稱為信標的鄰居節點，即它的鄰居節點集N0可表示為：

N0={si|si∈A1∪A2∪A3∪A4}

(5)

為了動態地調整信標節點的傳輸功率，又能使得信標廣播的beacon消息能覆蓋N0的所有節點，信標的傳輸半徑需滿足以下兩個約束條件：

① 在c0位置傳輸的beacon包必須覆蓋N1、N2，使得PSrec的節點接收最后一個非共線的beacon包，進而完成位置估計；

② 在c0位置傳輸的beacon包必須能夠覆蓋N0。

(6)

式(6)中，DM表示網絡區域的對角線長度。

圖3 中間階段

2.3 終結階段

將信標移動至c3和c4時期稱為終結階段。通過此階段幫助所有節點完成定位。由于位于A3和A4子區域內的未知節點已接收了來自初始階段、中間階段的beacon消息。因此，只要它們接收了最后一個非共線的beacon消息，便可實現定位。

令SSres表示這些未知定位節點集，有：

SSres={si|si∈A3∪A4}

(7)

(8)

圖4 終結階段

3 傳輸距離與發射功率關系

盡管第2節描述了如何調整傳輸半徑，但調整傳輸半徑的最終目的是優化發射功率，減少能耗。當然，不能一味地降低傳輸功率，必須在保證一定的數據包接收率條件下，最小化發射功率。

令pr表示數據包接收成功率。通常pr大于0.9，才認為網絡是連通的。依據通信理論，pr值與信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)直接相關。依據文獻[5]的理論模型，可建立pr與SNR的函數關系為：

(9)

式(9)中，γ為信噪比SNR；n表示一幀數據的尺寸。例如，若采用TinyOS系統[7]，n=20 Bytes。

將式(9)進行數學變換，可得：

(10)

若信噪比γ采用dB單位，則式(10)可轉換成:

(11)

(12)

(13)

(14)

4 性能分析

4.1 仿真環境

此外，路徑損耗的參數值如表1所示。每次仿真重復50次，取平均值作為最終實驗數據。

表1 路徑損耗參數值

4.2 數據分析

選擇Z-Curze[2]、SCAN[9]和CIRCLES[10]算法作為參照，并對比分析TSATP算法的性能。Z-Curze只關注了定位精度，并沒有考慮信標的能耗問題。

移動信標的能耗隨R/d的變化情況如圖5所示。從圖5可知，移動信標的能耗隨R/d的增加而上升。原因在于：R/d越大，信標傳輸距離越大，消耗的能量就越多。與其他算法相比，提出的TSATP算法所消耗的功率最少。這主要是因為TSATP算法采用了功率控制。

圖5 移動信標的能耗

傳感節點的能耗隨R/d的變化情況如圖6所示。

圖6 傳感節點的能耗

從圖6可知，與移動信標的能耗不同，傳感節點的平均能耗與R/d并不呈線性關系。當R/d=1時，傳感節點的能耗最小。此外，與CIRCLES和SCAN、Z-Curze算法相比，提出的TSATP算法的能耗最低。這主要是因為：移動信標在移動過程調整傳輸半徑，降低了傳感節點偷聽beacon消息的次數，減少了傳感節點在定位過程中的能耗。

5 結論

通過動態地調整傳輸功率能夠有效地降低定位過程中所產生的能耗，也有利于擴延網絡壽命。TSATP算法依據信標所在位置，在保證節點完成定位的同時，最小化覆蓋半徑，進而降低信標的發射功率。同時，依據數據包的接收率，推導了節點發射功率與傳輸半徑的關系。實驗數據表明，相比于Z-Curze，TSATP算法的信標、傳感節點能耗分別下降了約25.37%、34.09%。