陳永勝
摘要:功率控制是無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文首先闡述了無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念,引出進行功率控制的意義和目的。對SMAC協(xié)議算法進行深入探討和仿真,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;功率控制;算法
中圖分類號:TP393 文獻標識碼: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)絡以其特有的感知能力、通信能力和計算分析能力成為人們研究的熱點,無線傳感器網(wǎng)絡被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一[1]。但是無線傳感器網(wǎng)絡的進一步發(fā)展和商業(yè)應用也面臨著一些新的嚴峻挑戰(zhàn),的功率控制是無線傳感器網(wǎng)絡的關(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)絡中,由于節(jié)點的大量布置,節(jié)點間的通信必然會存在著互相干擾的問題。每個節(jié)點為了完成自身的信號傳輸,必然增加自身的發(fā)射功率,而這不僅會使得自身的功耗變大,而且對周邊節(jié)點也將產(chǎn)生巨大的干擾,使得網(wǎng)絡中其余節(jié)點也將面臨著大功耗傳輸?shù)膯栴},這就大大降低了整個網(wǎng)絡的正常工作時間。對每個節(jié)點進行功率控制,不僅可以降低每個節(jié)點的功耗,避免節(jié)點間無休止的互相競爭,而且可以降低節(jié)點間的互相干擾,提升系統(tǒng)的生存時間,對提高網(wǎng)絡的整體性能有著非常重要的作用[2]。
在無線傳感器網(wǎng)絡中,應根據(jù)節(jié)點的性能目標合理有效地調(diào)整控制的方案;針對資源和能量嚴重受限,盡可能以最低的傳輸功率進行消息的傳遞,并通過分組恢復、狀態(tài)估計來降低由于發(fā)射距離的不對稱所造成的部分不適當?shù)挠绊?;而針對網(wǎng)絡規(guī)模龐大、分布不均勻等特點,則采用分簇、選取最優(yōu)鄰居節(jié)點或者分級發(fā)射功率等策略來優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu);還有針對傳感器節(jié)點易失效的特點,使用發(fā)射功率自適應調(diào)整的策略保持節(jié)點的通信連接;針對網(wǎng)絡易流失流量的特征,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)議算法進行深入探討和仿真,提出一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的功率控制算法。
1 無線傳感器網(wǎng)絡概述
無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的低功耗傳感器節(jié)點所組成,這些傳感器節(jié)點以自組織的方式,對周邊環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,并通過無線通信構(gòu)成一個多級跳的無線通信網(wǎng)絡,將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?,以實現(xiàn)對所觀測數(shù)據(jù)的分析和處理[3]。
無線傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)型網(wǎng)絡有著巨大的差別,由于節(jié)點均已自組織形式進入網(wǎng)絡,網(wǎng)絡有著極強的健壯性和自適應性,網(wǎng)絡的協(xié)議和算法均是分布式的,網(wǎng)絡整體也不會因為某個節(jié)點出現(xiàn)故障而導致網(wǎng)絡癱瘓。
此外,無線傳感器網(wǎng)絡也是一種資源嚴重受限的網(wǎng)絡,因為本網(wǎng)絡一般設定為某一特殊應用而設計,因此其計算能力、存儲空間和儲能均較為有限,這也使得無線傳感器網(wǎng)絡在實際應用中需要根據(jù)實際需求進行設計,而并非可以設計一個萬能的無線傳感器網(wǎng)絡。
2 無線傳感器網(wǎng)絡中功率控制算法
2.1 SMAC協(xié)議基本原理
在無線傳感器網(wǎng)絡中,如若節(jié)點的傳感器沒有感知到事件發(fā)生時,節(jié)點將處于長時間的空閑狀態(tài),此時的數(shù)據(jù)傳輸速率很低,僅需要維持節(jié)點的休眠狀態(tài),而無需讓節(jié)點始終保持監(jiān)聽狀態(tài)[4]。此時,SMAC協(xié)議的基本思想為:減少節(jié)點的監(jiān)測時間,并盡量讓節(jié)點維持在休眠狀態(tài),以盡可能的降低節(jié)點的功耗。其工作原理如下:當某節(jié)點a開始工作后的一段時間內(nèi),節(jié)點要進行偵聽,如果某相鄰節(jié)點b收到其鄰居節(jié)點的SYNC幀,其中包含時間調(diào)度表,則會按照這個時間表進行周期性的休眠、喚醒輪轉(zhuǎn),并且還會在繼續(xù)偵聽下一個SYNC幀。當節(jié)點一旦確定了時間調(diào)度表后,就可以進行周期性的偵聽、休眠,并在偵聽時接收和發(fā)送數(shù)據(jù),確保無線傳感器網(wǎng)絡的正常工作。在節(jié)點a的偵聽周期中,將會被劃分為SYNC、RTS、CTS三個階段,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)的時間是固定的,這將使得可能在沒有數(shù)據(jù)的時候依然偵聽,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的動態(tài)偵聽方法,根據(jù)所偵聽數(shù)據(jù)的實際情況來動態(tài)調(diào)整占空比,已達到節(jié)約節(jié)點能耗的目的。
首先,在NSZ-2.29仿真平臺中構(gòu)建一個無線傳感器仿真平臺,各節(jié)點間采用SMAC協(xié)議進行通信。當所偵聽的數(shù)據(jù)流量負載發(fā)生變化時,則根據(jù)變化的負載找到占空比之間的對應關(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)流量的變化自適應的調(diào)整最佳占空比,以達到實現(xiàn)最小的功耗目標。本次仿真所設計的無線傳感器網(wǎng)絡模型見圖2所示,為8個節(jié)點的線性拓撲結(jié)構(gòu),假定每個節(jié)點中初始儲能為300焦耳,節(jié)點間的偵聽范圍為550米,有效數(shù)據(jù)傳輸范圍為250米。本次仿真中,從源節(jié)點周期性的發(fā)送l000byte的信息流傳送到目的節(jié)點,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/休眠達到節(jié)能的目的。在無線傳感器網(wǎng)絡中,最關(guān)心的是能源效率,以及整個網(wǎng)絡的生命周期。吞吐量和延遲可以適當被犧牲以實現(xiàn)在一定程度上節(jié)約能源的目的。在SMAC協(xié)議中,假設間隔為sync-period,在這個時間間隔內(nèi)可以由緩沖隊列節(jié)點來預測在網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量。詳細算法如下:
a)設網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)為N,當傳感器網(wǎng)絡開始運行后,在間隔sync-Period時間內(nèi)連續(xù)記錄N個節(jié)點隊列的長度值,依次表示為:Ql,Q2,...Qi,...,QN;
b)設R為節(jié)點隊列中數(shù)據(jù)包的平均增長幅度,可以通過式(1)計算:
依公式(1),下表是通過大量的仿真實驗得出的一組實驗數(shù)據(jù),見表(1)。
在仿真實驗中,在SMAC協(xié)議中,分別設置占空比為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,詳細結(jié)果見圖3和圖4。
分析圖3可以發(fā)現(xiàn),當無線傳感器網(wǎng)絡的負荷較高時,各個節(jié)點的網(wǎng)絡配置組成的占空比與能源消耗大致相同,在低負荷,SMAC節(jié)點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,在這種情況下,大量的網(wǎng)絡節(jié)點中的數(shù)據(jù)處于活動狀態(tài)的時間太少,導致缺乏及時處理數(shù)據(jù)的能力,導致數(shù)據(jù)包丟失和重傳,造成額外的能源消耗。
當數(shù)據(jù)包的傳輸時間增加,低占空比的信號幀需要較低的能量,顯示出此時有著較好的節(jié)能效果。
從圖4可以看出,發(fā)送間隔較短時,節(jié)點消耗的能量比較大,因為信號在發(fā)送時,功耗較大,而隨著發(fā)送間隔增大,就沒有傳輸可用的信號。當網(wǎng)絡負載較高時,節(jié)點可以通過自適應調(diào)整節(jié)點的占空比,延長活動時間實現(xiàn)節(jié)省能耗的目的。當網(wǎng)絡負載較低時,主動節(jié)點自適應的縮短時間,以節(jié)省消耗,但是由于此時處于活動狀態(tài)的數(shù)據(jù)包太小,導致數(shù)據(jù)包不能及時被處理而丟失,造成節(jié)點能量浪費。和固定的占空比的SMAC機制進行比較表明:自適應占空比的協(xié)議機制和協(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的靈活性。
3 小結(jié)
本文通過無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念的敘述,對SMAC協(xié)議的基本原理進行簡要介紹,并對其進行深入研究分析,在NSZ-2.29編程軟件中進行仿真。結(jié)果表明,自適應調(diào)整SMAC協(xié)議中的占空比,能取得很好的功率控制結(jié)果,進一步降低系統(tǒng)的能耗,延長系統(tǒng)的生存時間,具有較好的應用前景。
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