基于农业环境无线传感器网络性能评估

潘小红　周泽强　袁啸风

[摘要]随着无线传感器网络应用研究的不断深入，通过实际传感器节点建立网络进行网络测试越来越受到人们的重视。综合大量无线传感器网络性能研究的技术文献和最新研究结果，提出对农业环境WSN网络性能参数。

[关键词]无线传感器网络 性能测试 部署

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310100－02

一、引言

近年来随着研究的深入与技术的成熟，以应用为背景，基于WSN的试验越来越多地涌现出来，WSN正处于从研究到应用的过渡阶段。对WSN网络性能的分析与评价是网络节点与部署的前提，对WSN网络性能进行分析，评价，获得网络性能的总体情况，可以评估，鉴定和验收一个现有网络；对一个新的待建设网络，其方案的论证也极大地依赖于如何分析和评价网络的性能。

目前大多数研究都通过理论分析和计算机模拟的方法进行和测试。理论分析的方法虽然可以进行多个同类协议的比较，但数学模型的构建由于计算复杂度过高，在应用这些模型解决实际问题时需要做大量简化，从而降低了理论性能分析的可信度。现在虽然有很多针对WSN的仿真平台，由于现实环境中存在各种不可预料的影响因素或系统本身的错误，导致WSN实际部署后的行为有时会与预期行为有很大的偏差。在农业应用中对WSN定性分析还没有标准的测试。如何对面向各种应用的多样的WSN进行评价，对于WSN的设计与部署具有指导意义。

1．生命周期：对于任何WSN都是非常重要的因素。一般来说节点的最短寿命要比平均寿命更为重要。

2．时钟同步：时钟同步对于节点间的协同工作非常重要。但是节点间时钟同步信息的传递对能量和带宽都会产生消耗。

3．覆盖范围：覆盖更大的地理范围会让WSN收集的数据更加全面。WSN的多跳性，是的其覆盖空间得到了进一步扩展，但是也消耗了更多的能量，与生命周期这一重要指标相背离。

4．安全性：WSN的安全性是其能够得到广泛应用的重要前提。但是加解密码会大大增加系统能耗并占用带宽。

5．能量有效性：无线传感器网络的能量有效性是在有限能量条件下无线传感器网络能够处理的请求数量总量的评定标准，是无线传感器网络的重要性能指标。

6．网络延迟：无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到接收到回答信息所需要的时间。影响无线传感器网络的时间延迟因素也很多。时间延迟与应用紧密相关，直接影响到无线传感器网络的应用范围及网络的实用性。

二、国内外研究现状

无线传感器网络的状态可以分为节点状态和网络状态两部分。目前国内外无线传感器网络评估技术没有形成标准化和系统化。研究主要针对于无线传感器网络无线通信不稳定和资源能量有限的两大特点，测试其网络链路质量和网络能耗等。

文献[1]提出一种新的路由算法（中心矢量路由），减少了对无关节点的影响，采用静态区域划分，提高了路由效率，节省了网络能量。

文献[2]通过NS2仿真实验测试，从节点数和发送速率变化，讨论比较了其对网络性能及能量的影响。验证了采用的星型结构和信标使能是时隙CSMA-CA机制能够实现较高吞吐量和低丢包率的网络性能。但是具体实现及实验还未验证。

文献[3]从无线传感网络的三个方面（硬件设备，应用性能，网络性能）进行研究。总结出提高应用性能与网络性能的关键因素，对网络进行优化设计。

文献[4]在实验基础上对IEEE802.15.4无线网络进行性能评估。从以下几个方面探讨：数据直接发送和间接发送；CSMA-CA机制；包的大小；信标使能模式。

文献[5]提出均值RSSI（接受信号强度显示），均值LQI（链路质量显示）测量法，通过测量及计算RSSI，LQI的均值，可以较为准确地获得链路通信质量信息。分析了均值RSSI，均值LQI随发送功率，周围环境变化等的测量性能，并定义了链路测量灵敏度，计算了均值RSSI，均值LQI的灵敏度值，对RSSI及LQI用于链路通信质量测量和性能评估做了全面的权衡。

文献[6]介绍了一种用于WSN测量工具SCALE，将包的发送作为性能研究的参数。实验在三种环境下进行，户外栖息区，郊区，室内。提出当超过50%通信范围，包的发送与距离无关。收发包变化与每条链路发平均接受率相关。

文献[7]，[8]考虑不同环境条件下，测量了接受包，RSSI，LQI与距离，天线角度，发送功率函数关系。文中提出接受包与距离关系取决于发送节点与接受节点的关系。两个节点都放置在地面上，他们只能在45英尺内通信。当两个节点都抬高，通信距离可达到150英尺。

文献[9]，[10]采用预先测量节点在不同工作状态下的功耗，通过节点在实际工作过程中统计自身处于各个状态的时间，的出节点总共消耗的能量。此方法对于统计无线通信模块，传感器模块等慢速模块比较适用，但CPU处于忙碌状态的时间往往很短，节点很难准确统计自身CPU的工作时间。

文献[11]提出了针对整个网络整体能量消耗的测试技术-eScan。eScan利用GPS等方法对节点进行精确定位，利用APM（高级电源管理）和ACPI（高级配置和能量借口）方法对节点剩余能量进行测量。这种方法在保证收集信息精度的情况下，大大减少了能量信息收集过程中的通信量，降低了扫描过程中的能量损耗。但在eScan中所采用的能量测试方法（APM和ACPI）是否适用于无线传感器网络，也缺乏应用的验证。

三、网络性能测试

无线通信容易受到天气和外界环境等因素的干扰，变化复杂且不稳定，不容易量化和评估。目前虽然很多通信协议的开发者都会对无线传感器网络的链路质量进行测试，但测试的方法和内容往往针对与自身的协议和特定的应用背景，不具有一般性。

针对农业应用，研究天气，湿度，光照，高度，距离，包的大小，节点发送功率等因素对信号强度RSSI，链路质量LQI，收包数影响，对网络中节点个数的选取和节点的部署意义巨大。

对无线传感器网络性能参数指标的选取如下：

1．Prr：包接受率是指在某个时间段内接受到的包占发包总数的百分比。

2．Rssi：接受信号强度显示。

3．Lqi：链路质量显示。

实验基于Micaz系列WSN产品，使用了兼容IEEE802.15.4规范的高性能无线芯片CC2420。该芯片输出功率可编程，可通过软件设置8个输出功率级。借助于编程板MIB520，通过JTAG mk-II仿真器向Mote下载程序。

实验中操作系统为TINYOS，编程语言NESC。节点发送功率范围为0DB到-25DB。实验地方在草坪和室内和田间基站与节点在同一高度，改变节点发射功率，分析节点丢包随距离变化。

1．改变基站与节点的高度。看是否对丢包有影响。

2．改变包的大小，在不同节点发射功率下，节点RSSI，LQI与距离关系。

3．分析网络吞吐量与网络发送速率关系。

四、结论

研究无线传感器网络性能对WSN网络节点设计与部署很有意义。大部分研究都处在理论分析和仿真。对无线传感器网络进行实时监测，找出合适的指标量化策略是关键的问题。使能量的消耗减少到最低程度是永恒的主题。在不同环境下，将各个因素对无线传感器网络性能影响进行量化是个新的课题。

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作者简介：

潘小红，女，华南农业大学计算机应用技术专业在读硕士研究生，研究方向为无线传感器网络性能测试。