無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中功率控制算法設(shè)計(jì)

陳永勝

摘要：功率控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文首先闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，引出進(jìn)行功率控制的意義和目的。對SMAC協(xié)議算法進(jìn)行深入探討和仿真，最后根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)全文。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；功率控制；算法

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0028-02

Abstract： Power control is one of the key technologies in wireless sensor networks， the basic concepts of wireless sensor network was described firstly， the meaning and purpose of power control was introduced， SMAC protocol was studied and simulated， and finally summarizes the full text.

Key words：wireless sensor networks； power control；algorithm

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其特有的感知能力、通信能力和計(jì)算分析能力成為人們研究的熱點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[1]。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用也面臨著一些新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，的功率控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，功率控制算法的研究主要分為集中式和分布式兩種。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的大量布置，節(jié)點(diǎn)間的通信必然會(huì)存在著互相干擾的問題。每個(gè)節(jié)點(diǎn)為了完成自身的信號傳輸，必然增加自身的發(fā)射功率，而這不僅會(huì)使得自身的功耗變大，而且對周邊節(jié)點(diǎn)也將產(chǎn)生巨大的干擾，使得網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)也將面臨著大功耗傳輸?shù)膯栴}，這就大大降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作時(shí)間。對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率控制，不僅可以降低每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗，避免節(jié)點(diǎn)間無休止的互相競爭，而且可以降低節(jié)點(diǎn)間的互相干擾，提升系統(tǒng)的生存時(shí)間，對提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能有著非常重要的作用[2]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的性能目標(biāo)合理有效地調(diào)整控制的方案；針對資源和能量嚴(yán)重受限，盡可能以最低的傳輸功率進(jìn)行消息的傳遞，并通過分組恢復(fù)、狀態(tài)估計(jì)來降低由于發(fā)射距離的不對稱所造成的部分不適當(dāng)?shù)挠绊懀欢槍W(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、分布不均勻等特點(diǎn)，則采用分簇、選取最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)或者分級發(fā)射功率等策略來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；還有針對傳感器節(jié)點(diǎn)易失效的特點(diǎn)，使用發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整的策略保持節(jié)點(diǎn)的通信連接；針對網(wǎng)絡(luò)易流失流量的特征，采用跨層優(yōu)化技術(shù)提升系統(tǒng)的整體性能，本文對SMAC協(xié)議算法進(jìn)行深入探討和仿真，提出一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制算法。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)所組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式，對周邊環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并通過無線通信構(gòu)成一個(gè)多級跳的無線通信網(wǎng)絡(luò)，將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行模詫?shí)現(xiàn)對所觀測數(shù)據(jù)的分析和處理[3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)型網(wǎng)絡(luò)有著巨大的差別，由于節(jié)點(diǎn)均已自組織形式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)有著極強(qiáng)的健壯性和自適應(yīng)性，網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法均是分布式的，網(wǎng)絡(luò)整體也不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是一種資源嚴(yán)重受限的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楸揪W(wǎng)絡(luò)一般設(shè)定為某一特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此其計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和儲(chǔ)能均較為有限，這也使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而并非可以設(shè)計(jì)一個(gè)萬能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中功率控制算法

2.1 SMAC協(xié)議基本原理

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如若節(jié)點(diǎn)的傳感器沒有感知到事件發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)將處于長時(shí)間的空閑狀態(tài)，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率很低，僅需要維持節(jié)點(diǎn)的休眠狀態(tài)，而無需讓節(jié)點(diǎn)始終保持監(jiān)聽狀態(tài)[4]。此時(shí)，SMAC協(xié)議的基本思想為：減少節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測時(shí)間，并盡量讓節(jié)點(diǎn)維持在休眠狀態(tài)，以盡可能的降低節(jié)點(diǎn)的功耗。其工作原理如下：當(dāng)某節(jié)點(diǎn)a開始工作后的一段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行偵聽，如果某相鄰節(jié)點(diǎn)b收到其鄰居節(jié)點(diǎn)的SYNC幀，其中包含時(shí)間調(diào)度表，則會(huì)按照這個(gè)時(shí)間表進(jìn)行周期性的休眠、喚醒輪轉(zhuǎn)，并且還會(huì)在繼續(xù)偵聽下一個(gè)SYNC幀。當(dāng)節(jié)點(diǎn)一旦確定了時(shí)間調(diào)度表后，就可以進(jìn)行周期性的偵聽、休眠，并在偵聽時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作。在節(jié)點(diǎn)a的偵聽周期中，將會(huì)被劃分為SYNC、RTS、CTS三個(gè)階段，如圖1所示。

2.2 SMAC協(xié)議功率控制仿真

根據(jù)SMAC協(xié)議的基本原理，可以發(fā)現(xiàn)其幀內(nèi)監(jiān)聽所持續(xù)的時(shí)間是固定的，這將使得可能在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候依然偵聽，或者數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢后依然偵聽。此處提出一種自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)偵聽方法，根據(jù)所偵聽數(shù)據(jù)的實(shí)際情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比，已達(dá)到節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗的目的。

首先，在NSZ-2.29仿真平臺(tái)中構(gòu)建一個(gè)無線傳感器仿真平臺(tái)，各節(jié)點(diǎn)間采用SMAC協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)所偵聽的數(shù)據(jù)流量負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則根據(jù)變化的負(fù)載找到占空比之間的對應(yīng)關(guān)系，分析找出最佳占空比關(guān)系，取代SMAC協(xié)議中的對應(yīng)的固定占空比關(guān)系，使得SMAC協(xié)議可以根據(jù)數(shù)據(jù)流量的變化自適應(yīng)的調(diào)整最佳占空比，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最小的功耗目標(biāo)。本次仿真所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型見圖2所示，為8個(gè)節(jié)點(diǎn)的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)中初始儲(chǔ)能為300焦耳，節(jié)點(diǎn)間的偵聽范圍為550米，有效數(shù)據(jù)傳輸范圍為250米。本次仿真中，從源節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送l000byte的信息流傳送到目的節(jié)點(diǎn)，采用UDP傳輸協(xié)議。發(fā)送功率為1W，接受功率為0.8W，空閑偵聽功率為0.4W，休眠功率0.001W，路由協(xié)議為DSR。

2.3 仿真結(jié)果分析

SMAC通過定期監(jiān)聽/休眠達(dá)到節(jié)能的目的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最關(guān)心的是能源效率，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。吞吐量和延遲可以適當(dāng)被犧牲以實(shí)現(xiàn)在一定程度上節(jié)約能源的目的。在SMAC協(xié)議中，假設(shè)間隔為sync-period，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)可以由緩沖隊(duì)列節(jié)點(diǎn)來預(yù)測在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量。詳細(xì)算法如下：

a）設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行后，在間隔sync-Period時(shí)間內(nèi)連續(xù)記錄N個(gè)節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的長度值，依次表示為：Ql，Q2，...Qi，...，QN；

b）設(shè)R為節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的平均增長幅度，可以通過式（1）計(jì)算：

依公式（1），下表是通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)得出的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表（1）。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，在SMAC協(xié)議中，分別設(shè)置占空比為10%、50%、70%清況下，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔從15到105依次遞增，詳細(xì)結(jié)果見圖3和圖4。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷較高時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)配置組成的占空比與能源消耗大致相同，在低負(fù)荷，SMAC節(jié)點(diǎn)幾乎消耗相等的能量，且能量消耗普遍隨著發(fā)送間隔增大有較明顯的減少，原因可能是由于使用了低占空比的幀格式，同時(shí)，在這種情況下，大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間太少，導(dǎo)致缺乏及時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失和重傳，造成額外的能源消耗。

當(dāng)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間增加，低占空比的信號幀需要較低的能量，顯示出此時(shí)有著較好的節(jié)能效果。

從圖4可以看出，發(fā)送間隔較短時(shí)，節(jié)點(diǎn)消耗的能量比較大，因?yàn)樾盘栐诎l(fā)送時(shí)，功耗較大，而隨著發(fā)送間隔增大，就沒有傳輸可用的信號。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以通過自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的占空比，延長活動(dòng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，主動(dòng)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)的縮短時(shí)間，以節(jié)省消耗，但是由于此時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)包太小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能及時(shí)被處理而丟失，造成節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)。和固定的占空比的SMAC機(jī)制進(jìn)行比較表明：自適應(yīng)占空比的協(xié)議機(jī)制和協(xié)議的有效期有效結(jié)合使用，具有更好的能源效率和很強(qiáng)的靈活性。

3 小結(jié)

本文通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念的敘述，對SMAC協(xié)議的基本原理進(jìn)行簡要介紹，并對其進(jìn)行深入研究分析，在NSZ-2.29編程軟件中進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，自適應(yīng)調(diào)整SMAC協(xié)議中的占空比，能取得很好的功率控制結(jié)果，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能耗，延長系統(tǒng)的生存時(shí)間，具有較好的應(yīng)用前景。

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