船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗最優(yōu)化研究

任　杰，梁　爽

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,四川 德陽 618000)

船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗最優(yōu)化研究

任杰，梁爽

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,四川 德陽 618000)

摘要：船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)是以船域網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于監(jiān)測(cè)船舶的航行狀態(tài)、保障船舶的航行安全有著極其重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是該系統(tǒng)的重要組成部分，因而如何實(shí)現(xiàn)海上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗最優(yōu)化，也是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。本文研究的主要內(nèi)容是：在滿足實(shí)時(shí)通信時(shí)延要求的前提下，如何計(jì)算出每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的最小傳輸功率，并提出一種基于單跳的傳輸估計(jì)方法，通過該方法能夠有效計(jì)算出所需的最小功率，仿真證明該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量消耗

0引言

近年來頻繁發(fā)生的船舶航行事故，引起了眾多國(guó)家、企業(yè)和機(jī)構(gòu)的注意。如何實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航、控制等功能的智能化，減小安全事故發(fā)生的概率，成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。船域網(wǎng)(Ship Area Network，SAN)是一種包含了無線局域網(wǎng)、ZigBee、RFID、傳感器的綜合信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于船域網(wǎng)構(gòu)建的船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，能夠有效解決上述問題[1-5]。該系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視船舶主要設(shè)備、構(gòu)建的工作情況，以及導(dǎo)航、水文等信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是組成該系統(tǒng)的核心。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點(diǎn)的傳輸功率會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、壽命等，因而需要精確計(jì)算，從而使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)[7-8]。如果傳輸功率過大，一方面可能會(huì)造成能量的過度消耗，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命；另一方面可能會(huì)造成更高的沖突概率；同時(shí)如果傳輸功率過小，則可能會(huì)造成通信效率過低，延遲過大，難以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的性能要求。

在船舶環(huán)境下，通信條件更加惡劣，由于船體和波浪的反射，傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳輸過程中，相較于陸地環(huán)境，存在更大的信號(hào)干涉和沖突概率，因而也需要對(duì)傳輸功率進(jìn)行計(jì)算，盡量避免信號(hào)干擾[9-10]。本文提出一種基于單跳的傳輸估計(jì)方法，能夠在考慮數(shù)據(jù)沖突的情況下，實(shí)現(xiàn)時(shí)延約束內(nèi)的傳輸功率最優(yōu)化，并用實(shí)驗(yàn)仿真證明了該方法的可行性。

1單跳傳輸估計(jì)

在以往的研究中，Kawadia等提出了3種獲得最小傳輸范圍的方法[3]：COMPOW，CLUSTERPOW和MINPOW。這些方法將傳輸功率劃分為6個(gè)檔次，在每個(gè)檔次中使用hello包進(jìn)行探測(cè)；當(dāng)A在某個(gè)檔次中收到B發(fā)送的hello包，則B是A在某個(gè)特定功率檔次中的鄰居節(jié)點(diǎn)。以上方法在較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)較為實(shí)用，但是由于其需要在每個(gè)功率檔次中發(fā)送hello包和維護(hù)路由表，因而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，需要較大的管理開銷。本文提出的方法只需要節(jié)點(diǎn)臨近信息即可完成傳輸功率的計(jì)算，與以上方法相比具有較小的實(shí)現(xiàn)年開銷。

在本文的分析中將使用以下記號(hào)：G為網(wǎng)絡(luò)的全體范圍；N為網(wǎng)絡(luò)包含的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；R為傳輸范圍；F為一個(gè)數(shù)據(jù)包一次傳輸?shù)钠骄嚯x；n為節(jié)點(diǎn)的平均鄰居個(gè)數(shù)；

其中n服從二項(xiàng)分布，當(dāng)給定一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其余N-1個(gè)節(jié)點(diǎn)處于該節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的概率為πR2G>，則X是鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)的隨機(jī)變量：

X~BN-1,πR2G>。

則節(jié)點(diǎn)鄰居的平均值可近似為(N-1)πR2G>。 如圖1所示，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)處于O，向D發(fā)送數(shù)據(jù)包，則可以將傳輸范圍劃分為4個(gè)部分。

如圖1所示，當(dāng)i

引理1：當(dāng)i

圖1　下一跳節(jié)點(diǎn)可能位置圖Fig.1　Location of the next hop

直觀的，當(dāng)考慮最短路徑路由時(shí)，則最優(yōu)的區(qū)域選擇順序應(yīng)當(dāng)為Z1，Z2，Z3，Z4。如果p1為下一跳節(jié)點(diǎn)在Z1中的概率，P(Z1)為Z1至少包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率， 則p1= P(Z1)。 同時(shí)，若下一跳節(jié)點(diǎn)在Zj(j>1)中， 則Zi(i

Pj=P(1∩…∩j-1)·P(Zjj-1…)。

其中P(i)為Zi中不含節(jié)點(diǎn)的概率。

則可得節(jié)點(diǎn)在Zi中的概率qi為：

p1=P(Z1)=1-(q2+q3+q4)n，

p2=P()·P(Z2)=

(1-p1)1-q3+q4q2+q3+q4>n，

p3=P(1∩2)·P(Z321)=

(1-p1-p2)1-q4q3+q4>n，

q4=P(1∩2∩3)·P(z4321)=

1-p1-p2-p3。

由于假設(shè)節(jié)點(diǎn)均勻分布，則qi與區(qū)域的面積成正比：q1=q4=1/3，q2=q3=1/6。則以上公式可以歸一化為：

其中λ為區(qū)域的最大編號(hào)。

計(jì)算一個(gè)數(shù)據(jù)包一步傳輸?shù)钠骄嚯x。假設(shè)在Z中，所有的節(jié)點(diǎn)均勻分布，每個(gè)Si的寬度相同,如圖2所示。

在區(qū)域Z中，源節(jié)點(diǎn)O和第k個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的距離為：

圖2　區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.2　The distribution of nodes in a zone

其中w為路由上包含的全體傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。則考慮Z1，Z2，Z3，Z4的相互位置，可得結(jié)果

其中wi為Zi中的節(jié)點(diǎn)。由于在Zi中選擇傳輸節(jié)點(diǎn)，表明在Zj(j

同時(shí)對(duì)于每個(gè)區(qū)域來說，角度θ隨機(jī)，若fi表示在Zi中的一步傳輸距離，那么可得：

最終，可得在任意區(qū)域中單步平均距離為：

F=∑4i=1pifi。

由以上結(jié)果，給定任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離d，則2節(jié)點(diǎn)之間的傳輸跳數(shù)h可以被估計(jì)為：

h=dF。

2節(jié)點(diǎn)傳輸范圍最優(yōu)化

在L×L移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離近似服從正態(tài)分布，且均值為L(zhǎng)/2，標(biāo)準(zhǔn)差為L(zhǎng)/3.5，因而給定一對(duì)節(jié)點(diǎn)，二者之間的距離D小于l的概率可以表示為：

P{D<1}=PD-μσ

這一分布對(duì)于服務(wù)約束來說較為有效，若要求90%的連接服從時(shí)延約束，則可得：

P{D<1}=PD-μσ<1.28=0.8997，

l-L/2L/3.5=1.28，

∴l(xiāng)≈0.87L。

以上意味著，對(duì)于90%的節(jié)點(diǎn)對(duì)，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離D需要小于0.87 L。因此，對(duì)于N個(gè)節(jié)點(diǎn)，若時(shí)延約束為T，那么傳輸范圍R應(yīng)當(dāng)服從以下約束：

0.87LF×1ps≤T。

其中ps為成功傳輸?shù)母怕省?/p>

如上文所述，在海洋通信環(huán)境中，由于船體和海浪的干擾，可能會(huì)存在信號(hào)干擾的情況，本文將對(duì)非飽和情況下，數(shù)據(jù)包的沖突進(jìn)行考慮，因而得出傳輸成功的概率為：

ps=(1-pt)n。

式中：n為鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；pt為每個(gè)鄰居產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的速率。若使用RTS/CTS機(jī)制，那么pt為RTS幀產(chǎn)生沖突的概率。

前文中的公式表明，N和R決定了F和ps。處于節(jié)省能量消耗的考慮，則希望在實(shí)驗(yàn)約束的條件下，R能夠盡量小，則最優(yōu)傳輸范圍Ro可表示為：

表1為不同時(shí)延約束下，最優(yōu)傳輸范圍(OTR)的值，其中SRT和SRA分別為時(shí)延約束和仿真得到的實(shí)際時(shí)延。

Bo=minRLDF(N,R)ps(N,R)≤T。

式中：LD為在滿足時(shí)延約束條件下的所有源目的節(jié)點(diǎn)距離中的最大值；F(N,R)和ps(N,R)分別為在給定的N和R下，一跳的傳輸距離和成功傳輸?shù)母怕省?/p>

3實(shí)驗(yàn)與仿真

對(duì)每對(duì)N和Ro進(jìn)行10次仿真，假設(shè)鄰居產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的概率為0，也就是說不存在沖突。在可變時(shí)延情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延服從均值為2s的指數(shù)分布，忽略傳播時(shí)延，最大端到端時(shí)延設(shè)為20s。

則從表1可得，在大多數(shù)情況下能夠滿足SRT的要求。同時(shí)，在可變時(shí)延情況下，SRT和SRA之間的差異為2.66%，而在固定時(shí)延下，該差異為3.09%。

表1　不同時(shí)延約束下的最優(yōu)傳輸范圍

圖3和圖4分別表示在不同情況下，最優(yōu)傳輸距離隨鄰居包產(chǎn)生速率變化的情況。當(dāng)N較小時(shí)，Ro隨著鄰居包產(chǎn)生速率的增加而增加。這是因?yàn)楦蟮膒t是ps的減小。為了在ps盡可能小的情況下滿足T，則跳數(shù)應(yīng)當(dāng)被減小以適應(yīng)更大的傳輸范圍。

圖3　鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包對(duì)OTR的影響Fig.3　OTR against rate of neighbor packet

圖4　3D網(wǎng)絡(luò)下鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包對(duì)OTR的影響Fig.4　OTR against rate of neighbor packet in 3D network

另一方面，當(dāng)N較大時(shí)，更大的傳輸功率無法改善傳輸?shù)某晒β?，因?yàn)殡S著傳輸范圍的增大，鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)指數(shù)增加，使得沖突的概率也大大增加，且當(dāng)pt足夠大時(shí)，更大的傳輸功率帶來的副作用會(huì)超過其帶來的效益。

4結(jié)語

本文提出了一種在船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，已知傳感器節(jié)點(diǎn)的分布和服務(wù)的時(shí)延約束，計(jì)算最優(yōu)傳輸功率的方法。這種方法首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布，計(jì)算出跳數(shù)和傳輸范圍之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，跳數(shù)和傳輸功率成反比，越低的發(fā)射功率，需要越多的跳數(shù)達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)增加了時(shí)延。基于此，本文提出的方法計(jì)算最小可能傳輸功率，在考慮數(shù)據(jù)包沖突的情況下，能夠滿足時(shí)延約束。

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The optimization of energy consumption in wireless sensor network

system of real-time data system

REN Jie，LIANG Shuang

(Sichuan Engineering Technical College,Deyang 618000,China)

Abstract：Marine real-time data system is based on the ship area data transmission network. It has a very important role for monitoring of the ship sailing state, guarantee the safety of navigation of the ship. The wireless sensor network (WSN) is an important part of the system, and when to implemented at sea, the energy consumption of wireless sensor network optimization is also one of the keys to the realization of the system. The main content of this study is, on the premise of meet the requirements of real-time communication time delay, how to calculate the minimum transmission power required for each sensor node, and puts forward a transmission estimation method based on single hop advancement. The method can effectively calculate the required minimum power, and at the end of the paper, the feasibility of the proposed method is proved by simulation.

Key words：real-time data system; wireless sensor network; energy consumption

作者簡(jiǎn)介：任杰( 1979 - ) ，男，講師，研究方向?yàn)榍度胧脚c物聯(lián)網(wǎng)。

收稿日期：2014-10-17； 修回日期： 2014-12-05

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0216-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.049

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A