一种节能的无线移动通信网络传输机制及其网络生存时间研究

余根坚

（闽江学院计算机科学系，福建福州 350108）

一种节能的无线移动通信网络传输机制及其网络生存时间研究

余根坚

（闽江学院计算机科学系，福建福州 350108）

针对无线移动通信网络的功率控制重要性特点提出了一个基于节能的无线移动通信网络信息传输机制，并在该机制下，研究了网络的最大生存时间，提出并证明了网络的最大生存时间的一个上界，最后进行了仿真并详细分析了仿真结果。

无线移动网络；信息传输机制；传输性能；能量损耗函数

1 引言

无线移动通信网络是由具有感知、处理和无线通信能力的无线节点通过自组织方式形成的网络，它能够使我们延伸至更广阔的交互空间，获得围绕我们周围动态的状态信息，实现对于外围世界更加精确而深邃的认识和控制，因而在军事、环境、健康、家庭、交通、制造业、商业、设施管理、运输、安全、空间探索、灾难拯救以及各种消费电子产品和其它嵌入式系统等领域有着广阔的应用前景，对人们的生活和工作方式、产业发展和变革产生革命性的影响。一般来说，通信节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池(<0.5 Ah,1.2V)，[1]在信号传输过程中，信号是以r-α形式衰减的，其中r为传输距离、α为路径衰弱指数，这些特征都限制了此类通信网络的网络运行寿命，也就是说，初始的节点能量和网络运行过程中的节点能量消耗将直接影响着网络的生存时间和寿命。因此，对节点功率进行控制和控制协议复杂性，以及收发机系统结构尽量简单。在多跳无线通信网络中的节点功率控制和管理包括能量感知的拓扑控制、策略和路由机制。

关于无线通信网络的研究领域主要有：[2]路由协议、拓扑控制、通信标准、定位和时间同步、网络安全技术等，本文针对通信节点能量受限的情况，对通信网络信息传输机制、网络生存时间和通信寿命进行研究。

2 通信网络模型

本文所涉及的无线通信网络模型结构如图1所示。系统通常包括活动节点、休眠节点，大量节点分布于某一区域，并通过自组织方式构成无线系统，节点收集的数据经过多跳传输达到目标节点。如图1中，在一个观测区域R内，联线小双圈代表环境数据，圆圈代表活动节点，三角代表休眠节点；箭头代表传输路径；显然针对不同的环境数据，活动节点可以处于不同的状态。

图1 本文通信网络结构示意图

本文所研究的无线通信网络主要指的是由通信节点组成的一个通信区域，假设如图1所示的通信区域内有N个通信节点，用集合￡＝｛1，2…，N｝表示，且把通信区域近似看成一个大的半径为R的圆，通信节点独立同分布，dij表示节点i，j之间的距离，节点的信息发射和接收半径均为r，则当dij≤2r时，传感器节点i，j可以相互通信。在通信区域内的节点密度为η＝N/πR2。

3 基于节能的信息传输机制

每一个节点携带的初始能量设为e0，不同功能的节点对能量的需求不同，如临近汇聚节点的普通节点就主要将能量用于中继数据包，而位于通信区域边缘的节点将能量用于数据收集，因此有些节点能量的消耗就比较快。通常在实际应用中，如果能事先预测消耗能量快的节点，并采取措施来保证数据传输，而不会因为少数节点的能源失效而中断。节能的主要方式就是节点休眠机制，也就是说，当节点没有任务且不需要为其他节点转发数据时，该机制就关闭节点的通信模块功能、采集模块功能和计算模块功能。当通信任务发生时，只需要有相邻区域内的节点被激活，这样原先活跃节点在没有任务时就转为休眠模式，从而大大地节省节点能量。

图2 基于节能的信息传输机制示意图

在这种情况下，我们给出下面定义：

定义1：在上述信息接收机制下，每比特数据信息的传输距离为时的能量代价函数定义为：

对于ef(x)和ej(y)，采用文献[5]的定义形式，即

其中C1、C2、C3、C4均为常数，α为路径衰落指数，α≥2。

4 能量约束下的网络生存时间

从而其概率密度函数为

处理增益，MAC协议等因素，有：

其中ρο为常数。

5 计算机仿真结果和讨论

仿真参数η0＝4.25×10-4，即在半径为750 m的通信区域内大概分布有750个通信节点，不妨设P0=1。另外基于实际背景，将R、r的取值范围分别设定为500≤R≤1000、1≤r≤4。假设节点使用两节干电池供电，这样的电力在3V情况下大约是2200mAH，［5-6］即仿真中的节点初始能量e0＝2200mAH。如下页图3中显示了在一定的能量代价函数参数c1、c2、c3、c4条件下，节点信息传输平均为3跳，路径衰落指数为2.0时，对于不同的通信区域半径，网络的最大传输总信息量随节点信息发射半径的变化而变化。从下页图3可以看出，通信节点信息发射半径对网络的传输性能影响明显，而通信区域的大小对传输性能影响不大，这是因为当监测区域增大时，通信节点数也将相应增多。

接下来考察节点信息传输跳数对传输性能的影响，从下页图4可以看出，在同样的信息传输距离到汇聚节点的情况下，节点的信息传输跳数越多，即信息包经过越多的中继节点的转接，则网络所能传输的总信息量越大，因为本文的信息传输是基于节能的信息传输机制，在相同的信息传输距离下，传输跳数k越大，由x＝l+kr，有

即ef(l)是指数量级减少，虽然kej(r)为线性增加，但比起ef(l)的指数级减少，就显得不重要了。

图3 在不同通信区域半径下，通信节点信息发射半径对最大传输总信息量(Bit)的影响

从而当x＞r时，传输跳数k越大，其能量代价函数值e(x)就越小，即可以用更少的节点能量来完成相同的信息传输任务。所以总的来说，本文的信息传输机制可以有效地节省节点功率，延长网络寿命，从而在总体上提高通信系统的传输性能和吞吐量。

图4 在信息数据包传输距离相同的情况下，节点信息传输跳数对最大总传输信息量(Bit)的影响

另外，从下页图5中容易看出，信息传输的能量需求函数参数对通信系统的传输总信息量影响极为显著，可见对于功率控制不仅最大化通信网络生命周期关系重大，而且对于提高通信系统的传输性能和吞吐量也有重要意义。

图5 对于不同的能量代价函数，最大传输总信息量(Bit)和通信节点信息传输跳数的关系

近年来，无线通信网络在军事、环境监测、农业、家庭智能化等方面的光明前景使其研究受到越来越多人的关注。在很多应用环境中，对网络可靠性的要求非常高。但由于无线通信网络必须具有节能的特点，使得网络容易出现节点失效和通信链路不可用的情况，同时网络的恶意攻击也会导致节点和链路的失效，这些因素都将严重影响无线通信网络的可靠性。网络可靠性和稳定性问题已经成为无线通信网络的一个研究热点。由于篇幅所限，关于节能的无线网络稳定性和可靠性问题将另外撰文进行深入研究。

6 结论

本文所研究的无线移动通信系统特别适合于部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，这种通信系统网络维护十分困难，所以通信节点一旦能量失效就变成无效节点。如何延长节点寿命、提高信息传输性能和系统吞吐量是通信系统面临的首要挑战，随着现代电子电路技术的进步，消耗在节点处理器模块和感应模块上的功率变得越来越小，而大部分节点能量都是消耗在通信模块上。本文针对上述问题，提出了一个基于节能的无线通信信息接收机制，并在该机制下，研究了系统的最大传输性能和吞吐量，提出并证明了通信系统的传输总信息量的一个上界。最后进行了仿真并详细分析了仿真结果，得出几个结论。

本文所提出的基于节能的无线通信信息接收机制不仅满足所要求的功率控制任务，而且对于通信系统的传输性能的提高也有重要意义和应用前景。

[1]余根坚，郑宝玉.基于节点间信息事件分析的无线Ad Hoc网络传输性能研究[J].计算机学报.2007（4）：524-531.

[2]余根坚,郑宝玉.无线移动Ad Hoc网络簇间传输性能的上下界[J].自然科学进展，2006（10）：1351-1355.

[3]Yao Y，Gehrke J E.Query processing in sensors networks[C].In Proc.1st Biennial Conf.Innovative Data Systems Research (CIDR 2003)，Asilomar,CA,2003:1023-1027.

[4]Zeyu Zheng;Jianping Wang;Jin Wang.A Study of Network Throughput Gain in Optical-Wireless(FiWi)Networks Subject to Peer-to-Peer Communications[C].IEEE International Conference on Communications,2009.ICC 09.2009:1-6.

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[6]Shin J,Guibas L J,Zhao F.A distributed algorithm for managing multi-target identities in wireless ad-hoc sensor networks[C].

The 2nd Int.Workshop Information Processing in Sensor Networks(IPSN03),Palo Alto,CA,2003:536-542.

An Information Transmitting Mechanism for Wireless Mobile Communication Networks with Economical Energy Consumption and Its Transmitting Capacity

Yu Genjian
(Computer Science Department of Minjiang University,Fuzhou 350108,Fujian,China)

For the significance of the power control of wireless mobile networks,an information transmitting mechanism for wireless mobile networks with economical energy consumption is proposed.In such a mechanism,the maximum transmitting capacity is analyzed and the upper limit of general transmitting information volume of WSN is put forward and attested.Finally,some simulation experiments are conducted and the results are analyzed in details.

wireless mobile networks;information transmitting mechanism;transmission capacity;energy consumption function

TN915

A

1673-8535（2010）06-0008-06

余根坚（1969-），男，福建古田人，闽江学院副教授，博士，主要研究方向：无线通信与网络信号处理、无线通信安全、复杂网络。

（责任编辑：高坚）

2010-10-18

高校专项课题资助项目（JK2010045）；闽江学院基金项目（YKY09005）