趙夢龍, 許會香

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550003;2.鄭州工程技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450044)

0 引 言

能效是無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)的熱點議題[1]。僅從能效角度難以徹底解決WSNs的能量緊迫問題。而能量采集(Energy Harvesting, EH)技術(shù)是彌補節(jié)點能量不足的有效途徑[2-3]。節(jié)點通過能量采集設(shè)備，從周圍的環(huán)境獲取能量，如太陽能、振動、風(fēng)能。將具有EH的能力的WSNs稱為能量采集無線傳感網(wǎng)絡(luò)(EH-WSNs)。

此外，路由協(xié)議也是WSNs的關(guān)注焦點。傳感節(jié)點的多數(shù)能量用于數(shù)據(jù)的傳輸[4-5]。有效的路由策略能夠減少節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量，提高節(jié)點的能效。

目前，研究人員對EH-WSNs提出不同的路由策略。文獻[6]提出了能量-機會權(quán)重最小能量算法，其通過可用節(jié)點能量和能量采集率計算每個節(jié)點成本。

此外，文獻[7]提出基于隨機化最小路徑恢復(fù)時間(Randomized Minimum Path Recovery Time, R-MPRT)算法，R-MPRT給每個鏈路計算成本。文獻[8]提出了分布式能量采集感知路由算法(DEHAR)，DEHAR算法利用節(jié)點剩余能量和跳數(shù)，計算離信宿的最短路徑。而文獻[9]提出了能量采集感知的自組按需距離矢量路由(AODV-EHA)。AODV-EHA算法充分利用現(xiàn)存的AODV在處理WSN的自組特性方面上的優(yōu)勢，并依據(jù)節(jié)點的能量采集能力決策路由。

盡管上述路由算法降低了能量消耗，擴延了傳感節(jié)點的壽命，但它們?nèi)源嬖谝欢ǖ木窒扌?。例如，文獻[6]和文獻[10]并沒有考慮在采集區(qū)間所采集的能量數(shù)量。而在文獻[10]和文獻[11]中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的能量采用率相同。此外，文獻[6-7]依據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)信息建立路由表，再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。但是，在異構(gòu)WSNs中的獲取全局信息是非常困難的。

為此，提出能量-采集-感知(Energy-Harvesting-Aware Routing Algorithm, EHARA)。EHARA路由先利用自適應(yīng)濾波器預(yù)測所采集的能量，然后再依據(jù)節(jié)點能量以及路由要求進行決策路由。其中路由要求包括數(shù)據(jù)包傳輸率、吞吐量。仿真結(jié)果表明，提出的EHARA路由能夠有效地降低能耗和數(shù)據(jù)包丟失率，并提高了系統(tǒng)吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮異構(gòu)多跳WSNs，其由多個傳感節(jié)點和一個信宿組成。傳感節(jié)點具有無線連通、能從周圍環(huán)境采集能量的能力。假定信宿不受能量限制。節(jié)點可能是傳感節(jié)點，也可作為路由器，這兩者均稱為節(jié)點。作為節(jié)點，它感測環(huán)境數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)包傳輸至信宿。作為路由器，它能夠通過鏈路將數(shù)據(jù)傳輸至信宿。

本文考慮三類典型的可再生能量源，如太陽、振動和風(fēng)力，如圖1所示。傳感節(jié)點從環(huán)境采集能量，再進行能量管理，補給傳感節(jié)點使用。

圖1 EH-WSNs中節(jié)點的能量流動過程

此外，系統(tǒng)模型可用圖G(V,E)表示，其中V表示頂點集，而E表示邊集，其代表兩節(jié)點間的通信鏈路。令e(i,j)∈E表示節(jié)點i、j的通信鏈路。如果兩節(jié)點間距離dij小于節(jié)點通信半徑R，則鏈路e(i,j)存在。此外，對于鏈路e(i,j)∈E，如果數(shù)據(jù)包從節(jié)點i傳輸至節(jié)點j，則節(jié)點i為發(fā)射器Tx，節(jié)點j為接收器Rx，反之亦然。

每個節(jié)點由用于數(shù)據(jù)處理的低功耗微型控制器、基于IEEE 802.15.4的低功耗的RF發(fā)射器[12]，功率管理單元和能量采集器以及能量存儲設(shè)備(如電池)構(gòu)成。

1.2 能量消耗模型

為了設(shè)計有效的路由協(xié)議，考慮每個節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量是非常必要的。這些能耗由傳輸、接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所發(fā)生的能耗組成。

依據(jù)IEEE 802.15.4MAC特點，節(jié)點周期地廣播信標幀(Beacon, B)，兩個信標幀間構(gòu)成一個超幀。如圖2所示。每個超幀由活動期和休眠期構(gòu)成，而活動期分為競爭接入期(Contention Access Period, CAP)和無競爭期(Contention Free Period, CFP)構(gòu)成。同時，每個CFP內(nèi)又包含多個確保時隙(Guaranteed Time Slots, GTS)組成。

圖2 超幀圖

節(jié)點在空閑、傳輸、接收數(shù)據(jù)和休眠階段均會消耗能量。因此，節(jié)點i在處理一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量：

(1)

(2)

(3)

其中BI表示幀間隔;SD表示超幀時長[11]。

(4)

最后，節(jié)點i的剩余能量則可表述為：

(5)

1.3 采集能量的預(yù)測模型

由于環(huán)境能量的不確定性，只能依據(jù)歷史的數(shù)據(jù)，對環(huán)境能量進行預(yù)測，進而實現(xiàn)能量的高效管理。

依據(jù)文獻[13]的思想，引用時槽概念。將一天分為N個固定的時槽，且通常取30 min作為一個時槽長度。節(jié)點在過往時間內(nèi)每個時槽所采集的能量，與將來所對應(yīng)的時槽內(nèi)所采用的能量存在著一定對應(yīng)關(guān)系。因此，通過歷史數(shù)據(jù)能預(yù)測未來的能量數(shù)據(jù)。

盡管歷史能量數(shù)據(jù)與未來的能量數(shù)據(jù)存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，但環(huán)境多變，這對能量預(yù)測技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。為此，本文引用自適應(yīng)濾波器(Adaptive Filter, AF)進行能量預(yù)測。

圖3顯示了基于AF的能量預(yù)測框圖。假定AF的階數(shù)和步長分別表示為s、α。e(n)表示第n個時槽內(nèi)所采集的能量。而用E(n)表示所收集了s個能量歷史數(shù)據(jù)：

E(n)=[e(n),e(n-1),…,e(n-s+1)]

(6)

圖3 基于自適應(yīng)濾波器的能量預(yù)測框圖

獲取歷史數(shù)據(jù)E(n)后，再在第n+1個時槽的開始時間，預(yù)測在此時槽能獲取的能量p(n+1)，如式(7)所示：

p(n+1)=E(n)W(n)

(7)

其中W(n)表示AF系數(shù)向量，即W(n)=[ω1(n),ω2(n),…,ωs(n)]。

當(dāng)n+1個時槽結(jié)束后，利用預(yù)測誤差err(n+1)對W(n)進行更新，其中e(n+1)表示預(yù)測值與實際值的差，即err(n+1)=e(n+1)-p(n+1)。

獲取了err(n+1)后，再利用最小平方根(Least Mean Square,LMS)對濾波器系數(shù)進行調(diào)整，如式(8)所示：

W(n+1)=W(n)+αerr(n+1)E(n)

(8)

最終，便通過自適應(yīng)濾波器預(yù)測能量.

2 EHARA算法

2.1 能量采集階段

為了提出節(jié)點能量利用率，對節(jié)點能量進行等級劃分。若節(jié)點的當(dāng)前剩余能量能夠維持基本操作，就只利用節(jié)點休眠時間采集能量；若節(jié)點的當(dāng)前剩余能量過低(小于預(yù)定的門限值)，就拓延節(jié)點采集能量的時間。

圖4 傳感節(jié)點的剩余能量

具體而言，首先對節(jié)點的能量進行等級劃分，將節(jié)點能量劃分三個等級，如圖4所示。Level3表示傳感節(jié)點維持四上以上操作的最小能量等級。通常，節(jié)點能量是由電池供電，其能量都較小。而本文是從理論角度分析節(jié)點的能耗，因此，就簡單地對節(jié)點剩余能量進行了粗略地等級劃分。后期，將加大這方面的研究工作，通過理論推導(dǎo)，進行能量等級劃分。

(9)

在這種情況下，節(jié)點i可能沒有足夠的能量去維持正常操作。因此，節(jié)點必須暫時性關(guān)掉發(fā)射器，進入休眠狀態(tài)，從而保存能量，直到電池能量恢復(fù)高于Level3。通過這種策略，傳感節(jié)點能夠減少能耗，維持網(wǎng)絡(luò)壽命。

(10)

圖5 算法1的偽代碼

(11)

(12)

(13)

2.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

數(shù)據(jù)傳輸?shù)男赎P(guān)鍵在于鏈路的選擇。EHARA算法選用成本最高的鏈路作為數(shù)據(jù)傳輸通道。鏈路成本的定義如式(14)所示：

(14)

從式(14)可知，計算鏈路成本是依據(jù)節(jié)點和鏈路的局部信息。因此，它能夠很容易融入傳統(tǒng)距離矢量路由。

此外，從等式(10)、(11)、 (12)和(13)可知，若引用長的空閑時間，節(jié)點傳輸前，需等待更長時間。通過更長的時間，節(jié)點可以收集更多能量。

但是，除了考慮增加采集能量外，還需滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。因此，EHAR路由需滿足以下約束條件：

0≤pl≤PLmax

(15)

THmin≤th≤THmax

(16)

其中pl、th分別表示信宿的數(shù)據(jù)包丟失率和吞吐量。而相應(yīng)的數(shù)據(jù)包丟失率的門限值PLmax和吞吐量的門限值(THmin,THmax)可依據(jù)不同應(yīng)用設(shè)定。

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

利用MATLAB建立仿真平臺。將V個節(jié)點隨機分布于100 m×100 m。傳感節(jié)點的能耗參數(shù)如表1所示。

在仿真過程中引用基于802.15.4CSMA的MAC協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)如表2所示。

表1 傳感節(jié)點的能耗參數(shù)

表2 網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

為了更好地仿真EHARA性能，選用文獻[9]的R-MPRT和AODV-EHA算法作為參照，并分析它們的能耗、路由性能。

3.2 實驗一

本次實驗分析平均每個數(shù)據(jù)包所消耗的能量和總體剩余能量。實驗數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 平均每個數(shù)據(jù)包所消耗的能量

圖7 網(wǎng)絡(luò)剩余能量

從圖6可知，R-MPRT算法消耗了更多能量，而提出的EHARA算法能量消耗最少。原因在于：EHARA算法減少了每個節(jié)點的平均能耗。

圖7顯示了在8000 s仿真期間，各算法的剩余能量數(shù)據(jù)。從圖7可知，剩余能量隨時間推移逐漸下降。在仿真時間結(jié)束時，EHARA算法和AODV-EHA算法的分別消耗了50%、92.5%能量，分別剩余12.5J和2.5 J(網(wǎng)絡(luò)總能量為25 J)。對于R-MPRT算法，它在運行了5000 s后，所有傳感節(jié)點的能量已耗盡。這些數(shù)據(jù)表明，相比于AODV-EHA算法和R-MPRT算法，EHARA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命提高了約40%和50%。

3.3 實驗二

本次實驗分析EHARA算法的QoS性能，包括數(shù)據(jù)包丟失率、吞吐量。實際數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)包丟失率

圖9 吞吐量

從圖8可知，數(shù)據(jù)包丟失率隨節(jié)點數(shù)的增加呈上升趨勢。相比于R-MPRT和AODV-EHA算法，EHARA算法的數(shù)據(jù)包丟失率得到有效控制。當(dāng)V=100時，EHARA算法比AODV-EHA算法的數(shù)據(jù)包丟失率下降了60%。原因在于：EHARA算法通過維持更多的活動節(jié)點，提高了路由穩(wěn)定性和可靠性。

最后，分析了信宿的吞吐量。從圖9可知，節(jié)點數(shù)的增加，提高了算法的吞吐量。相比于AODV-EHA和R-MPRT，EHARA算法的吞吐量得到有效地提高。例如，當(dāng)源節(jié)點V=100時，AODV-EHA算法吞吐量最低，EHARA算法比AODV-EHA算法的吞吐量提高了41%。

4 結(jié) 語

文針對WSNs，提出能量采集感知路由EHARA。EHARA路由充分考慮了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點，并利用節(jié)點采集的能量，彌補傳感節(jié)點的能量不足。同時，定義鏈路成本，再選擇最佳的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。實驗數(shù)據(jù)表明，提出的EHARA路由能夠有效地保存能量，最終實現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

此外，本文在進行能量等級劃分時，只是粗略地劃分，并沒有依據(jù)實驗數(shù)據(jù)或理論推導(dǎo)。后期，將通過數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)驗證或理論推導(dǎo)，優(yōu)化能量等級的劃分。這將是后期的研究工作。