低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠機(jī)制*

汪金龍， 曾艷陽(yáng)， 侯桂云， 陳桂英

(1. 鄭州工商學(xué)院 機(jī)械與電信工程學(xué)院， 鄭州 451400； 2. 河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河南 焦作 454000)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是一種基于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)感知，并通過(guò)自組織多跳通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò).由于部署環(huán)境限制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大多由電池供電，使得電池能量往往成為網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸.在低占空比(low-duty-cycle，LDC)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的占空比低于10%，能夠有效地延長(zhǎng)WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期[1-2]，但低占空比也使得鄰居節(jié)點(diǎn)之間通信的延遲變大，從而影響無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸和接收.

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的許多實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和應(yīng)用(比如軍事通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)等)，都需要盡快地向終端用戶傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)信息，減小傳輸延遲，以免影響業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)和執(zhí)行.這就要求源節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)信息后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要在規(guī)定的時(shí)延內(nèi)收到數(shù)據(jù)信息.近年來(lái)，大多數(shù)節(jié)能研究都集中在硬件設(shè)計(jì)、電源管理方面，利用低占空比模式來(lái)節(jié)能的工作相對(duì)較少.對(duì)于低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制是改善網(wǎng)絡(luò)能量消耗的有效方式，也是WSN領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).當(dāng)前，對(duì)于低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的休眠機(jī)制研究較少，休眠機(jī)制對(duì)鏈路質(zhì)量、數(shù)據(jù)延遲的考慮較少，缺乏深入有效的研究[3].

文獻(xiàn)[4]提出了一種具有自適應(yīng)性的路由協(xié)議，以改善WSN網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線鏈路；文獻(xiàn)[5]提出了一種鏈路傳輸控制算法，通過(guò)控制傳輸時(shí)延，減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗.然而，這些方法往往需要增加額外硬件設(shè)備，沒(méi)有綜合考慮節(jié)點(diǎn)休眠、節(jié)點(diǎn)剩余能量之間的關(guān)系，使得這些算法在低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中性能受限，影響網(wǎng)絡(luò)的工作周期和傳輸性能.

針對(duì)低占空比WSN中鏈路不穩(wěn)定、能量消耗不均衡等問(wèn)題，提出了一種節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠算法.該算法能夠根據(jù)無(wú)線鏈路狀況，自適應(yīng)地調(diào)度節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)隙和工作時(shí)隙，保證在時(shí)延約束條件下網(wǎng)絡(luò)的整體能耗最小.同時(shí)，在自適應(yīng)休眠機(jī)制加入能量感知，使無(wú)線路由根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量自適應(yīng)調(diào)整，均衡節(jié)點(diǎn)能量使用，提升WSN的工作時(shí)長(zhǎng).經(jīng)仿真和分析發(fā)現(xiàn)，該算法能夠在滿足傳輸時(shí)延的同時(shí)，有效地減少工作時(shí)隙及節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而提升網(wǎng)絡(luò)的工作周期.

1 低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)模型

WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般處于工作和休眠兩種狀態(tài).在工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行無(wú)線感知，完成無(wú)線傳輸、路由等功能，空閑時(shí)進(jìn)行無(wú)線偵聽(tīng)；在休眠狀態(tài)，則只保留定時(shí)功能.

(1)

圖1顯示了某無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作調(diào)度周期，周期持續(xù)時(shí)間為T(mén)i，一個(gè)方格表示一個(gè)時(shí)隙，則該節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙2、8工作，在其余時(shí)隙休眠.占空比是指一個(gè)周期內(nèi)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所有工作時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值.根據(jù)式(1)可以推出節(jié)點(diǎn)i的占空比為

(2)

圖1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作調(diào)度Fig.1 Working schedule of wireless sensor nodes

在WSN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)休眠需滿足以下的規(guī)定條件：1)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在部署前按照算法設(shè)計(jì)確定休眠調(diào)度機(jī)制；2)鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播消息共享其休眠調(diào)度表；3)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)更新休眠調(diào)度表后，會(huì)在下一輪的廣播中通知鄰居節(jié)點(diǎn).收到確認(rèn)回復(fù)后，該節(jié)點(diǎn)在下一輪調(diào)度中采用新的休眠機(jī)制.

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都處于工作狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)之間可以隨時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，此時(shí)的無(wú)線傳輸延遲一般僅為毫秒級(jí).但在低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)中，除了一般意義上的傳輸時(shí)延，發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要等鄰居節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)才能發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù).由于WSN的占空比較低，使得休眠延遲要比無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信延遲要長(zhǎng)，傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)需要等待更長(zhǎng)的時(shí)間和時(shí)延.在本文中，定義發(fā)送節(jié)點(diǎn)從收到預(yù)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)至發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)且能夠發(fā)送信息時(shí)，這個(gè)持續(xù)的時(shí)間段為休眠延遲.

2 算法設(shè)計(jì)

面對(duì)低占空比WSN中鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，要求節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠機(jī)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作周期.由此，低占空比WSN中的節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠機(jī)制需要包含兩方面的內(nèi)容：

1) 節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度.調(diào)整路徑節(jié)點(diǎn)的選擇概率，增加其工作時(shí)隙，在保證傳輸時(shí)延的前提下，減小網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗.

2) 能量感知.在節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度的同時(shí)，對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量感知，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提升系統(tǒng)的工作周期.

2.1 自適應(yīng)休眠調(diào)度算法

為了滿足實(shí)際應(yīng)用的延遲要求，需要增加傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙.節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制要保證工作時(shí)隙增加最少，使得無(wú)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(jié)點(diǎn)i至j的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，假設(shè)節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻收到無(wú)線數(shù)據(jù)，隨即需要發(fā)送至節(jié)點(diǎn)j，若增加h個(gè)工作時(shí)隙才能在最小休眠時(shí)延內(nèi)完成任務(wù)，則用E[Dm，h(i，j，t)]表示該最小休眠時(shí)延期望值，m表示路由路徑的跳數(shù)，h≤m.算法的具體步驟描述如下：

1) 初始化網(wǎng)絡(luò)傳感器的工作周期，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i至j的時(shí)延期望值E[Dm，h(i，j，t)].若E[Dm，h(i，j，t)]≤B，即時(shí)延期望小于或等于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)要求時(shí)延指標(biāo)B，則無(wú)需增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙；反之，跳轉(zhuǎn)至步驟2).

2) 逐次加1地增加工作時(shí)隙，并計(jì)算增加h次工作時(shí)，低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)的最小時(shí)延期望值E[Dm，h(i，j，t)]，直至E[Dm，h(i，j，t)]≤B或h=m.在規(guī)定時(shí)延范圍條件下，使得h取值最小.

3) 若不增加節(jié)點(diǎn)j的工作時(shí)隙，則網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)延保持不變.在相同工作周期內(nèi)，增加節(jié)點(diǎn)j的工作時(shí)隙能夠降低節(jié)點(diǎn)i與j間的休眠時(shí)延.節(jié)點(diǎn)i與j間的時(shí)延期望值可表示為

(3)

2.2 能量感知

在WSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)際無(wú)線傳輸過(guò)程中，由于節(jié)點(diǎn)分布的差異性，使得無(wú)線路由經(jīng)過(guò)關(guān)鍵位置節(jié)點(diǎn)的頻率要遠(yuǎn)高于普通節(jié)點(diǎn)[7-8].這就使得關(guān)鍵位置的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗較大，而偏遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量則留存較多，能量消耗不均衡使得網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡，過(guò)早地結(jié)束了工作周期，或者對(duì)后續(xù)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸造成了不利影響.

E[Dm，h(i，j，t)]=

(4)

3 仿真與分析

實(shí)驗(yàn)采用MATLAB進(jìn)行仿真，構(gòu)建一個(gè)半徑50 m的圓形區(qū)域，在其中隨機(jī)部署600個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn).表1顯示了仿真環(huán)境的參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)Deborah Estrin提出的耗能模型計(jì)算WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的消耗值.為有效地模擬仿真環(huán)境，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)50次，取50次實(shí)驗(yàn)的均值，并將本文算法與經(jīng)典的節(jié)點(diǎn)休眠TOSS算法[9]、LDAS算法[10]進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比算法采用線性節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度的思想使節(jié)點(diǎn)端到端延遲最小.

圖3為低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)要求不同時(shí)延條件下，3種算法需要增加的時(shí)隙個(gè)數(shù)對(duì)比圖.當(dāng)時(shí)延不大于120 s時(shí)，要求網(wǎng)絡(luò)中有更多的節(jié)點(diǎn)處于工作時(shí)隙，需要增加的時(shí)隙較多，而本文算法與TOSS、LDAS算法需要增加的時(shí)隙相差較小.隨著時(shí)延的增加，網(wǎng)絡(luò)中需要增加的時(shí)隙數(shù)減少，而此時(shí)本文算法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯，3種算法需要增加的時(shí)隙數(shù)之差進(jìn)一步擴(kuò)大，能更好地為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供工作時(shí)隙，增加節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間.

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Settings of simulation parameters

圖3 不同時(shí)延條件下需要增加的時(shí)隙個(gè)數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of required numbers of added time slots under different delay conditions

圖4為不同時(shí)延條件下，3種算法對(duì)應(yīng)的低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)生命周期對(duì)比圖.分析可知，當(dāng)時(shí)延要求較為嚴(yán)格時(shí)(不大于120 s)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期較短；當(dāng)時(shí)延要求較低時(shí)(大于120 s)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期會(huì)大大延長(zhǎng).因?yàn)闀r(shí)延要求越低，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需要的工作時(shí)隙越多，消耗的節(jié)點(diǎn)能量就越大，使得低占空比WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期越短；反之，需要的工作時(shí)隙越少，節(jié)點(diǎn)能得到更多的休眠時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)的生命周期就越長(zhǎng).隨著時(shí)延的增大，本文算法能更好地調(diào)度節(jié)點(diǎn)休眠，使得網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯.

圖5、6分別反映了節(jié)點(diǎn)占空比對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)隙以及生命周期的影響.如圖5所示，WSN網(wǎng)絡(luò)的占空比越高，在相同的時(shí)延條件下，所需要的工作時(shí)隙就越短.隨著占空比的增加，本文算法在調(diào)度工作時(shí)隙的優(yōu)勢(shì)越大，需要增加的工作時(shí)隙相對(duì)較少.這說(shuō)明本文算法能夠更好地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行休眠調(diào)度.如圖6所示，WSN網(wǎng)絡(luò)的占空比越高，同一個(gè)時(shí)隙同時(shí)工作的時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的能量就越大，網(wǎng)絡(luò)的生命周期就相對(duì)較短.在占空比較小時(shí)，本文算法能夠更好地節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間的優(yōu)勢(shì)更為突出；當(dāng)占空比較大時(shí)，本文算法能夠延長(zhǎng)的工作時(shí)間變短，但相對(duì)于TOSS和LDAS算法仍然具有一定的優(yōu)勢(shì).

圖4 不同時(shí)延條件下網(wǎng)絡(luò)的生命周期對(duì)比Fig.4 Comparison of network lifecycles under different delay conditions

圖5 占空比對(duì)工作時(shí)隙的影響Fig.5 Influence of duty-cycle on working time slots

圖6 占空比對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期的影響Fig.6 Influence of duty-cycle on network lifecycle

4 結(jié) 論

針對(duì)低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗不均、影響網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，提出了一種節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠算法.該算法能夠根據(jù)無(wú)線鏈路狀況，自適應(yīng)地調(diào)度節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)隙和工作時(shí)隙，保證在時(shí)延約束條件下網(wǎng)絡(luò)的整體能耗最小.同時(shí)，在自適應(yīng)休眠機(jī)制中加入能量感知，使無(wú)線路由根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量自適應(yīng)調(diào)整，均衡各節(jié)點(diǎn)能耗，提升WSN網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)長(zhǎng).經(jīng)仿真和分析發(fā)現(xiàn)，該算法能夠在滿足傳輸時(shí)延的同時(shí)，有效地減少工作時(shí)隙并降低能耗，從而提升網(wǎng)絡(luò)的工作周期.然而，本文提出的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制也存在一定的局限性，比如：該機(jī)制只考慮了時(shí)延需求，僅僅從滿足時(shí)延條件的角度考慮時(shí)隙分配；計(jì)算時(shí)延期望時(shí)，對(duì)鏈路質(zhì)量估計(jì)不足.WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的這些不足需要進(jìn)一步改進(jìn)，也是下一步研究工作的主要方向.