低占空比無線傳感器網絡中節點自適應休眠機制*

汪金龍， 曾艷陽， 侯桂云， 陳桂英

(1. 鄭州工商學院 機械與電信工程學院， 鄭州 451400； 2. 河南理工大學 計算機科學與技術學院， 河南 焦作 454000)

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)是一種基于無線傳感器節點感知，并通過自組織多跳通信的無線網絡.由于部署環境限制，網絡節點大多由電池供電，使得電池能量往往成為網絡通信的瓶頸.在低占空比(low-duty-cycle，LDC)無線傳感器網絡中，無線傳感器節點的占空比低于10%，能夠有效地延長WSN網絡的生命周期[1-2]，但低占空比也使得鄰居節點之間通信的延遲變大，從而影響無線節點間的數據傳輸和接收.

對于無線傳感器網絡支持的許多實時業務和應用(比如軍事通信、環境監測等)，都需要盡快地向終端用戶傳輸無線數據信息，減小傳輸延遲，以免影響業務的實時觀測和執行.這就要求源節點發出數據信息后，目標節點需要在規定的時延內收到數據信息.近年來，大多數節能研究都集中在硬件設計、電源管理方面，利用低占空比模式來節能的工作相對較少.對于低占空比WSN網絡，節點休眠機制是改善網絡能量消耗的有效方式，也是WSN領域的研究熱點.當前，對于低占空比WSN網絡環境下節點的休眠機制研究較少，休眠機制對鏈路質量、數據延遲的考慮較少，缺乏深入有效的研究[3].

文獻[4]提出了一種具有自適應性的路由協議，以改善WSN網絡的無線鏈路；文獻[5]提出了一種鏈路傳輸控制算法，通過控制傳輸時延，減少節點的能量消耗.然而，這些方法往往需要增加額外硬件設備，沒有綜合考慮節點休眠、節點剩余能量之間的關系，使得這些算法在低占空比無線傳感器網絡中性能受限，影響網絡的工作周期和傳輸性能.

針對低占空比WSN中鏈路不穩定、能量消耗不均衡等問題，提出了一種節點自適應休眠算法.該算法能夠根據無線鏈路狀況，自適應地調度節點休眠時隙和工作時隙，保證在時延約束條件下網絡的整體能耗最小.同時，在自適應休眠機制加入能量感知，使無線路由根據節點的剩余能量自適應調整，均衡節點能量使用，提升WSN的工作時長.經仿真和分析發現，該算法能夠在滿足傳輸時延的同時，有效地減少工作時隙及節點能量消耗，從而提升網絡的工作周期.

1 低占空比WSN網絡模型

WSN中的傳感器節點一般處于工作和休眠兩種狀態.在工作狀態，節點要進行無線感知，完成無線傳輸、路由等功能，空閑時進行無線偵聽；在休眠狀態，則只保留定時功能.

(1)

圖1顯示了某無線傳感器節點的一個工作調度周期，周期持續時間為Ti，一個方格表示一個時隙，則該節點在時隙2、8工作，在其余時隙休眠.占空比是指一個周期內，無線傳感器節點所有工作時間與整個周期時間的比值.根據式(1)可以推出節點i的占空比為

(2)

圖1 無線傳感器節點的工作調度Fig.1 Working schedule of wireless sensor nodes

在WSN網絡中，節點休眠需滿足以下的規定條件：1)無線傳感器節點在部署前按照算法設計確定休眠調度機制；2)鄰居節點通過廣播消息共享其休眠調度表；3)無線傳感器節點更新休眠調度表后，會在下一輪的廣播中通知鄰居節點.收到確認回復后，該節點在下一輪調度中采用新的休眠機制.

當網絡中的節點都處于工作狀態，鄰居節點之間可以隨時發送或接收數據，此時的無線傳輸延遲一般僅為毫秒級.但在低占空比WSN網絡中，除了一般意義上的傳輸時延，發送節點需要等鄰居節點處于工作狀態才能發送無線數據.由于WSN的占空比較低，使得休眠延遲要比無線節點間的無線通信延遲要長，傳輸無線數據需要等待更長的時間和時延.在本文中，定義發送節點從收到預備傳輸的數據至發現鄰居節點處于工作狀態且能夠發送信息時，這個持續的時間段為休眠延遲.

2 算法設計

面對低占空比WSN中鏈路質量不穩定的情況，要求節點自適應休眠機制能夠在滿足特定延遲要求的情況下盡量減少能量消耗[6]，從而延長網絡系統的工作周期.由此，低占空比WSN中的節點自適應休眠機制需要包含兩方面的內容：

1) 節點休眠調度.調整路徑節點的選擇概率，增加其工作時隙，在保證傳輸時延的前提下，減小網絡中節點的能量消耗.

2) 能量感知.在節點休眠調度的同時，對鄰居節點進行能量感知，從而均衡網絡中所有節點的能量消耗，提升系統的工作周期.

2.1 自適應休眠調度算法

為了滿足實際應用的延遲要求，需要增加傳感器節點的工作時隙.節點休眠調度機制要保證工作時隙增加最少，使得無線傳輸需要消耗的能量最少，具體步驟如圖2所示.

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow chart of algorithm

為量化節點i至j的網絡傳輸延遲，假設節點i在t時刻收到無線數據，隨即需要發送至節點j，若增加h個工作時隙才能在最小休眠時延內完成任務，則用E[Dm，h(i，j，t)]表示該最小休眠時延期望值，m表示路由路徑的跳數，h≤m.算法的具體步驟描述如下：

1) 初始化網絡傳感器的工作周期，計算節點i至j的時延期望值E[Dm，h(i，j，t)].若E[Dm，h(i，j，t)]≤B，即時延期望小于或等于網絡業務要求時延指標B，則無需增加網絡節點的工作時隙；反之，跳轉至步驟2).

2) 逐次加1地增加工作時隙，并計算增加h次工作時，低占空比WSN網絡的最小時延期望值E[Dm，h(i，j，t)]，直至E[Dm，h(i，j，t)]≤B或h=m.在規定時延范圍條件下，使得h取值最小.

3) 若不增加節點j的工作時隙，則網絡中傳輸時延保持不變.在相同工作周期內，增加節點j的工作時隙能夠降低節點i與j間的休眠時延.節點i與j間的時延期望值可表示為

(3)

2.2 能量感知

在WSN網絡實際無線傳輸過程中，由于節點分布的差異性，使得無線路由經過關鍵位置節點的頻率要遠高于普通節點[7-8].這就使得關鍵位置的無線傳感器節點能量消耗較大，而偏遠節點的能量則留存較多，能量消耗不均衡使得網絡中部分節點由于能量耗盡，過早地結束了工作周期，或者對后續的無線數據傳輸造成了不利影響.

E[Dm，h(i，j，t)]=

(4)

3 仿真與分析

實驗采用MATLAB進行仿真，構建一個半徑50 m的圓形區域，在其中隨機部署600個無線傳感器節點.表1顯示了仿真環境的參數設置，并根據Deborah Estrin提出的耗能模型計算WSN網絡中節點能量的消耗值.為有效地模擬仿真環境，每次實驗重復50次，取50次實驗的均值，并將本文算法與經典的節點休眠TOSS算法[9]、LDAS算法[10]進行對比，對比算法采用線性節點休眠調度的思想使節點端到端延遲最小.

圖3為低占空比WSN網絡要求不同時延條件下，3種算法需要增加的時隙個數對比圖.當時延不大于120 s時，要求網絡中有更多的節點處于工作時隙，需要增加的時隙較多，而本文算法與TOSS、LDAS算法需要增加的時隙相差較小.隨著時延的增加，網絡中需要增加的時隙數減少，而此時本文算法的優勢進一步凸顯，3種算法需要增加的時隙數之差進一步擴大，能更好地為網絡數據傳輸提供工作時隙，增加節點的休眠時間.

表1 仿真參數設置Tab.1 Settings of simulation parameters

圖3 不同時延條件下需要增加的時隙個數對比Fig.3 Comparison of required numbers of added time slots under different delay conditions

圖4為不同時延條件下，3種算法對應的低占空比WSN網絡生命周期對比圖.分析可知，當時延要求較為嚴格時(不大于120 s)，網絡的生命周期較短；當時延要求較低時(大于120 s)，網絡的生命周期會大大延長.因為時延要求越低，網絡數據傳輸需要的工作時隙越多，消耗的節點能量就越大，使得低占空比WSN網絡的生命周期越短；反之，需要的工作時隙越少，節點能得到更多的休眠時隙，網絡的生命周期就越長.隨著時延的增大，本文算法能更好地調度節點休眠，使得網絡生命周期延長的優勢進一步凸顯.

圖5、6分別反映了節點占空比對WSN網絡工作時隙以及生命周期的影響.如圖5所示，WSN網絡的占空比越高，在相同的時延條件下，所需要的工作時隙就越短.隨著占空比的增加，本文算法在調度工作時隙的優勢越大，需要增加的工作時隙相對較少.這說明本文算法能夠更好地根據網絡和節點狀態進行休眠調度.如圖6所示，WSN網絡的占空比越高，同一個時隙同時工作的時間越長，消耗的能量就越大，網絡的生命周期就相對較短.在占空比較小時，本文算法能夠更好地節省能量，延長網絡工作時間的優勢更為突出；當占空比較大時，本文算法能夠延長的工作時間變短，但相對于TOSS和LDAS算法仍然具有一定的優勢.

圖4 不同時延條件下網絡的生命周期對比Fig.4 Comparison of network lifecycles under different delay conditions

圖5 占空比對工作時隙的影響Fig.5 Influence of duty-cycle on working time slots

圖6 占空比對網絡生命周期的影響Fig.6 Influence of duty-cycle on network lifecycle

4 結 論

針對低占空比無線傳感器網絡中能量消耗不均、影響網絡工作時長等問題，提出了一種節點自適應休眠算法.該算法能夠根據無線鏈路狀況，自適應地調度節點休眠時隙和工作時隙，保證在時延約束條件下網絡的整體能耗最小.同時，在自適應休眠機制中加入能量感知，使無線路由根據節點的剩余能量自適應調整，均衡各節點能耗，提升WSN網絡的工作時長.經仿真和分析發現，該算法能夠在滿足傳輸時延的同時，有效地減少工作時隙并降低能耗，從而提升網絡的工作周期.然而，本文提出的自適應節點休眠機制也存在一定的局限性，比如：該機制只考慮了時延需求，僅僅從滿足時延條件的角度考慮時隙分配；計算時延期望時，對鏈路質量估計不足.WSN網絡中節點休眠機制的這些不足需要進一步改進，也是下一步研究工作的主要方向.