基于農業(yè)環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡性能評估

潘小紅　周澤強　袁嘯風

[摘要]隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用研究的不斷深入，通過實際傳感器節(jié)點建立網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡測試越來越受到人們的重視。綜合大量無線傳感器網(wǎng)絡性能研究的技術文獻和最新研究結果，提出對農業(yè)環(huán)境WSN網(wǎng)絡性能參數(shù)。

[關鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡 性能測試 部署

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310100－02

一、引言

近年來隨著研究的深入與技術的成熟，以應用為背景，基于WSN的試驗越來越多地涌現(xiàn)出來，WSN正處于從研究到應用的過渡階段。對WSN網(wǎng)絡性能的分析與評價是網(wǎng)絡節(jié)點與部署的前提，對WSN網(wǎng)絡性能進行分析，評價，獲得網(wǎng)絡性能的總體情況，可以評估，鑒定和驗收一個現(xiàn)有網(wǎng)絡；對一個新的待建設網(wǎng)絡，其方案的論證也極大地依賴于如何分析和評價網(wǎng)絡的性能。

目前大多數(shù)研究都通過理論分析和計算機模擬的方法進行和測試。理論分析的方法雖然可以進行多個同類協(xié)議的比較，但數(shù)學模型的構建由于計算復雜度過高，在應用這些模型解決實際問題時需要做大量簡化，從而降低了理論性能分析的可信度。現(xiàn)在雖然有很多針對WSN的仿真平臺，由于現(xiàn)實環(huán)境中存在各種不可預料的影響因素或系統(tǒng)本身的錯誤，導致WSN實際部署后的行為有時會與預期行為有很大的偏差。在農業(yè)應用中對WSN定性分析還沒有標準的測試。如何對面向各種應用的多樣的WSN進行評價，對于WSN的設計與部署具有指導意義。

1．生命周期：對于任何WSN都是非常重要的因素。一般來說節(jié)點的最短壽命要比平均壽命更為重要。

2．時鐘同步：時鐘同步對于節(jié)點間的協(xié)同工作非常重要。但是節(jié)點間時鐘同步信息的傳遞對能量和帶寬都會產生消耗。

3．覆蓋范圍：覆蓋更大的地理范圍會讓WSN收集的數(shù)據(jù)更加全面。WSN的多跳性，是的其覆蓋空間得到了進一步擴展，但是也消耗了更多的能量，與生命周期這一重要指標相背離。

4．安全性：WSN的安全性是其能夠得到廣泛應用的重要前提。但是加解密碼會大大增加系統(tǒng)能耗并占用帶寬。

5．能量有效性：無線傳感器網(wǎng)絡的能量有效性是在有限能量條件下無線傳感器網(wǎng)絡能夠處理的請求數(shù)量總量的評定標準，是無線傳感器網(wǎng)絡的重要性能指標。

6．網(wǎng)絡延遲：無線傳感器網(wǎng)絡的延遲時間是指當觀察者發(fā)出請求到接收到回答信息所需要的時間。影響無線傳感器網(wǎng)絡的時間延遲因素也很多。時間延遲與應用緊密相關，直接影響到無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍及網(wǎng)絡的實用性。

二、國內外研究現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡的狀態(tài)可以分為節(jié)點狀態(tài)和網(wǎng)絡狀態(tài)兩部分。目前國內外無線傳感器網(wǎng)絡評估技術沒有形成標準化和系統(tǒng)化。研究主要針對于無線傳感器網(wǎng)絡無線通信不穩(wěn)定和資源能量有限的兩大特點，測試其網(wǎng)絡鏈路質量和網(wǎng)絡能耗等。

文獻[1]提出一種新的路由算法（中心矢量路由），減少了對無關節(jié)點的影響，采用靜態(tài)區(qū)域劃分，提高了路由效率，節(jié)省了網(wǎng)絡能量。

文獻[2]通過NS2仿真實驗測試，從節(jié)點數(shù)和發(fā)送速率變化，討論比較了其對網(wǎng)絡性能及能量的影響。驗證了采用的星型結構和信標使能是時隙CSMA-CA機制能夠實現(xiàn)較高吞吐量和低丟包率的網(wǎng)絡性能。但是具體實現(xiàn)及實驗還未驗證。

文獻[3]從無線傳感網(wǎng)絡的三個方面（硬件設備，應用性能，網(wǎng)絡性能）進行研究?？偨Y出提高應用性能與網(wǎng)絡性能的關鍵因素，對網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計。

文獻[4]在實驗基礎上對IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡進行性能評估。從以下幾個方面探討：數(shù)據(jù)直接發(fā)送和間接發(fā)送；CSMA-CA機制；包的大?。恍艠耸鼓苣Ｊ?。

文獻[5]提出均值RSSI（接受信號強度顯示），均值LQI（鏈路質量顯示）測量法，通過測量及計算RSSI，LQI的均值，可以較為準確地獲得鏈路通信質量信息。分析了均值RSSI，均值LQI隨發(fā)送功率，周圍環(huán)境變化等的測量性能，并定義了鏈路測量靈敏度，計算了均值RSSI，均值LQI的靈敏度值，對RSSI及LQI用于鏈路通信質量測量和性能評估做了全面的權衡。

文獻[6]介紹了一種用于WSN測量工具SCALE，將包的發(fā)送作為性能研究的參數(shù)。實驗在三種環(huán)境下進行，戶外棲息區(qū)，郊區(qū)，室內。提出當超過50%通信范圍，包的發(fā)送與距離無關。收發(fā)包變化與每條鏈路發(fā)平均接受率相關。

文獻[7]，[8]考慮不同環(huán)境條件下，測量了接受包，RSSI，LQI與距離，天線角度，發(fā)送功率函數(shù)關系。文中提出接受包與距離關系取決于發(fā)送節(jié)點與接受節(jié)點的關系。兩個節(jié)點都放置在地面上，他們只能在45英尺內通信。當兩個節(jié)點都抬高，通信距離可達到150英尺。

文獻[9]，[10]采用預先測量節(jié)點在不同工作狀態(tài)下的功耗，通過節(jié)點在實際工作過程中統(tǒng)計自身處于各個狀態(tài)的時間，的出節(jié)點總共消耗的能量。此方法對于統(tǒng)計無線通信模塊，傳感器模塊等慢速模塊比較適用，但CPU處于忙碌狀態(tài)的時間往往很短，節(jié)點很難準確統(tǒng)計自身CPU的工作時間。

文獻[11]提出了針對整個網(wǎng)絡整體能量消耗的測試技術-eScan。eScan利用GPS等方法對節(jié)點進行精確定位，利用APM（高級電源管理）和ACPI（高級配置和能量借口）方法對節(jié)點剩余能量進行測量。這種方法在保證收集信息精度的情況下，大大減少了能量信息收集過程中的通信量，降低了掃描過程中的能量損耗。但在eScan中所采用的能量測試方法（APM和ACPI）是否適用于無線傳感器網(wǎng)絡，也缺乏應用的驗證。

三、網(wǎng)絡性能測試

無線通信容易受到天氣和外界環(huán)境等因素的干擾，變化復雜且不穩(wěn)定，不容易量化和評估。目前雖然很多通信協(xié)議的開發(fā)者都會對無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路質量進行測試，但測試的方法和內容往往針對與自身的協(xié)議和特定的應用背景，不具有一般性。

針對農業(yè)應用，研究天氣，濕度，光照，高度，距離，包的大小，節(jié)點發(fā)送功率等因素對信號強度RSSI，鏈路質量LQI，收包數(shù)影響，對網(wǎng)絡中節(jié)點個數(shù)的選取和節(jié)點的部署意義巨大。

對無線傳感器網(wǎng)絡性能參數(shù)指標的選取如下：

1．Prr：包接受率是指在某個時間段內接受到的包占發(fā)包總數(shù)的百分比。

2．Rssi：接受信號強度顯示。

3．Lqi：鏈路質量顯示。

實驗基于Micaz系列WSN產品，使用了兼容IEEE802.15.4規(guī)范的高性能無線芯片CC2420。該芯片輸出功率可編程，可通過軟件設置8個輸出功率級。借助于編程板MIB520，通過JTAG mk-II仿真器向Mote下載程序。

實驗中操作系統(tǒng)為TINYOS，編程語言NESC。節(jié)點發(fā)送功率范圍為0DB到-25DB。實驗地方在草坪和室內和田間基站與節(jié)點在同一高度，改變節(jié)點發(fā)射功率，分析節(jié)點丟包隨距離變化。

1．改變基站與節(jié)點的高度?？词欠駥G包有影響。

2．改變包的大小，在不同節(jié)點發(fā)射功率下，節(jié)點RSSI，LQI與距離關系。

3．分析網(wǎng)絡吞吐量與網(wǎng)絡發(fā)送速率關系。

四、結論

研究無線傳感器網(wǎng)絡性能對WSN網(wǎng)絡節(jié)點設計與部署很有意義。大部分研究都處在理論分析和仿真。對無線傳感器網(wǎng)絡進行實時監(jiān)測，找出合適的指標量化策略是關鍵的問題。使能量的消耗減少到最低程度是永恒的主題。在不同環(huán)境下，將各個因素對無線傳感器網(wǎng)絡性能影響進行量化是個新的課題。

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作者簡介：

潘小紅，女，華南農業(yè)大學計算機應用技術專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡性能測試。