一种基于功率控制的WSN自适应能量高效传输模式研究*

陈立建,周 雪,雷艳静,竺超明,毛科技

(1.浙江广播电视大学萧山学院,杭州 311201;2.浙江工业大学计算机科学与技术学院,杭州 310032)



一种基于功率控制的WSN自适应能量高效传输模式研究*

陈立建1*,周 雪1,雷艳静2,竺超明1,毛科技2

(1.浙江广播电视大学萧山学院,杭州 311201;2.浙江工业大学计算机科学与技术学院,杭州 310032)

无线传感器网络的能耗决定了网络的生存时间。本文提出了一种基于功率控制WSN自适应能量高效传输模式。分析了在功率控制方案中传输功率损耗与温度之间的关系。使用开环控制去补偿由于温度引起的链路质量的变化。通过结合开环温度感知的补偿与闭环反馈控制,可以在无线传感网络中显著降低传输功率控制的开销。仿真结果表明,与传统的在单一地域最大化增强发送功率来补偿温度的变化相比,该方案能够有效地适应传输链路质量的变化,并且有较少的控制报文开销。

无线传感器网络;链路质量;功率级别;传输功率损耗

无线传感器网络是由大量微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。由于其能量由电池提供并且难以得到补充,所以能量的高效利用是无线传感器网络的一个研究重点[1]。无线传感网络中,传感器节点广泛分布在不同的环境中以收集数据无线传感网络中由于节点的能量有限,通信通常采用低功率射频信号,通信链路的质量会因环境的变化而受到显著的影响[2-3]。

本文提出了一种基于功率控制无线传感器网络自适应能量高效传输模式EATP(An Energy-Efficient Adaptive Scheme for Transmission in WSN Based Power Control),有效地补偿由于温度引起的链路质量的变化,在满足传感器节点间连通度的同时延长了网络寿命。该模式采用了开环和闭环反馈控制,根据每个区域的发射器功率损耗门限值将网络分成3个区域,在开环的过程中,每个节点使用温度传感器来评估链路质量。若链路质量较差,在使用闭环反馈过程来进行有效的补偿。在闭环反馈的过程中,发射器将获得更适合的功率控制,和现有的传输功率控制方案相比,所需的能耗更少。

为了在无线传感器网络中通过无线信道有效地传输数据,在现有的方案中,设定了一些最小发射功率来保证传输的可靠性。这些方案可以减少传感器节点间的干扰,但却增加了不必要的能源消耗。通过调整发送功率级别,参考节点周期性地广播信标消息,当节点收到参考节点发出的信息,节点就发回一个确认信息。通过这种互动,参考节点可以估计节点之间的连接情况。

在局部均值算法中,参考节点广播生命周期信息,节点收到后将确认信息发送给参考节点。参考节点将计算收到的确认信息的数量以及发送功率来保持适当的连接。例如,如果应答信息的数量小于节点最小门限值,发送功率则会增加;相反地,如果应答信息的数量大于节点最大门限值,发送功率则会减少。这样就可以有效的延迟连通度较好网络的寿命。然而,局部均值算法只能保证节点之间的连通度,不能评估链路的质量[4]。

文献[5]通过建立基于最优邻居节点数的功率调度表,提高信道利用率,减少通信能耗。文献[6]分析节点发送功率变化下的链路流量平衡约束,链路最大传输速率约束,节点能耗约束等条件,建立最大化生存时间的网络模型,并采用分布式功率迭代和次梯度算法求解该模型。文献[7]提出的自适应功率控制策略是只需要局部信息的分布式算法,通过调整路径损耗指数和功率控制参数可以获得性能极佳的目标拓扑。文献[8]根据节点接收阈值,计算出节点发送最优功率,在根本上减小发送功率从而节省节点能量。

自适应传输功率控制将根据空间和时间的影响动态地调整发射功率。若采用闭环反馈试图去适应由时间而引起的链路质量的变化,在大规模的无线传感器网络中可扩展性很差,因为调整传输的每个环节将会带来很大的开销[9]。现有的方法是通过周期性地广播信标消息来估算各种链路质量指标。另外,反馈过程被重复用于自适应地控制发送功率。为使链路质量适应环境变化,在受到温度变化的链路中,传输功率的数据包开销应该被最小化。在减少控制报文的数量的同时保持可靠性,这是一个重要的技术问题[10]。

1 基于功率控制自适应能量高效传输模式

本文提出了高效传输模式能在温度变化的无线环境中维持链路质量。其用到的开环过程是基于感知到的温度信息。闭环反馈过程是基于进一步精确调整发射功率的控制报文。通过调整开环、闭环反馈过程,将网络分成3个区域,A,B,C分别表示高损耗门限值、中损耗门限值、低损耗门限值。

自适应能量高效传输模式可以分配最低可达传输功率给每个链路。在初始阶段,参考节点为网络中的节点建立一个模型。在运行阶段,根据之前的模型,该模式根据链路质量动态地来维护每条链路。在相对稳定的网络中,控制开销只会发生在测量链路质量的初始阶段。但在不稳定的网络中,由于链路质量的不断变化,将导致严重的开销。

本文的传输模式方案如图1所示,应答信息(ACK)可估计连接但无法确定链路质量,数据包接收率(PRR)可精确地估计连接但会导致较大开销[10]。在本模式中,利用功率损耗来确定连接,它可以测试连通性并产生相对较小的开销。功率控制器利用现有节点的数量以及每个节点测量的温度来调整发射功率级别。功率控制器的运行不仅仅是根据所需节点数与现有节点数的比较结果,而且更要用到基于温度的功率补偿,所以可以快速达到所需的发射功率。温度的补偿是基于温度与发射功率损耗之间关系的基础上的。维持在低功耗网络上的连通性是通过减小逻辑划分的节点间的反馈过程实现的。

图1 传输模式方案图

温度变化引起的发射能量损耗的制定是根据发射功率损耗与班尼斯特等人的温度实验结果之间的关系。温度引起的功率损耗的数学表达式如式(1)所示[11]:

RSSIloss=0.199 6(T-25)

(1)

式中T为温度值,单位为℃。

为了补偿由式(1)估算的功率损耗,需要控制相应无线发射器的发射功率。式(2)用最小二乘法表示所需要的发射功率和功率损耗之间的关系。

Plevel=[(RSSIloss+40)/12]2.91

(2)

通过式(1)和式(2)可以获得适当的发射功率来补偿由于温度变化引起的功率损耗。为了弥补WSN中每个节点之间的路径损耗,利用自由空间模型有助于估算实际所需的发射功率。由于温度变化在式(3)中增加了额外的功率损耗,估算节点之间实际所需的发射功率。对于自由空间路径损失模型,需要在一个网络中知道节点的数目(N)及节点之间的距离(d),(Eb/No)取决于信噪比(SNR),频谱效率(η),频率(f)以及接收机噪声系数(RNF)。

Pt=[η·(Eb/No)·mkTB·(4πd/λ)2+RNF]+RSSIloss

(3)

本模式中所需要的参数有:

(1)每个区域的发射功率损耗RSSIloss

(2)每个区域的期望节点数nd(t)=nc(t)-5

(3)每个区域的发射功率级别Plevel。

发射功率损耗是维持链路质量的最小值。参考节点周期性地广播消息并等待回复。一旦收到回复信息后,根据估算功率损耗值来划分网络区域。功率损耗高的节点将划分到区域A,中等损耗的划分到区域B,低损耗的到区域C。如果功率损耗值超过了门限值并且现有节点数大于等于期望节点数,将适当调整发射功率级别门限值,相反,将默认使用相同的发射功率级别。图2是基于功率控制的自适应能量高效传输模式的算法流程图。节点通过本地安装的传感器检测温度的变化。如果有任何温度变化,将根据式(1)和(2)执行补偿处理。节点发送的回复信息中包括由于温度变化而计算得到的新发射功率级别。利用这种感知温度的补偿方案,可以减少传统由于环境温度变化引起的系统开销。算法的参数如下如表1所示,算法的步骤如图3所示。

图2 算法流程图

表1 算法参数含义

图3 算法的具体步骤

2 实验仿真

本文的算法在MATLAB下进行仿真,仿真实验设置如下:将100个节点随机的布置在100 m×100 m的正方形区域内,将此区域分成A,B,C,节点之间的距离为1 m～100 m,轮数为1 200次,模拟温度从零下10 ℃到50 ℃之间,区域η为0.002 9,SNR为0.20 dB,带宽83.5 MHz,频率2.45 GHz,RNF为5 dB,T为300 K,Eb/No为8.3 dB。参考节点安置在区域的边缘处。温度引起的功率损耗的公式可以表示为:

RSSIloss(i)=0.199 6(Ti-25)

功率级别和传输功率损耗值之间的关系可以用最小二乘法[11]近似:

Plevel(i)=[(RSSIloss(i)+40)/12]2.91

网络中所有节点的传输功率损耗的最大值、最小值和平均值可以用如下定义:

RSSIloss(min)=min(RSSIloss(i))
RSSIloss(max)=max(RSSIloss(i))
RSSIloss(avg)=[min(RSSIloss(i))+
max(RSSIloss(i))]/2

在找到传输功率损耗最大最小值之后,将区域分成3个部分,定义传输功率损耗的上下限并设置计数器来计算每个区域中节点的数量。假设起初将计数器设置为零,来定义上下限并检测结果,满足如下情况的节点将被安置在区域A:

RSSIloss(Amax)=max(RSSIloss(i))

RSSIloss(Amin)=RSSIloss(avg)+2

count=0

countA=count+1

对于∀i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Amax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Amin)

类似地,定义区域B和C的上下边界并用下面的式子对节点进行检查:

RSSIloss(Bmax)=RSSIloss(avg)+2

RSSIloss(Bmin)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countB=count+1

对于∀i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Bmax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Bmin)

RSSIloss(Cmin)=min(RSSIloss(i))

RSSIloss(Cmax)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countC=count+1

对于∀i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Cmax)

并且

RSSIloss(i)≥RSSIloss(Cmin)

要应用本文提出的传输模式,需要为每个区域定义传输功率损耗门限值来使得节点间通信变得高效节能。每个区域的传输功率损耗门限值取决于特定区域所有节点的传输功率损耗以及该区域节点的数量。传输功率损耗门限值定义为:

这里PRRA、PRRB、PRRC分别是区域A、B、C的数据包接收率。基于给定方案中每个区域的RSSIloss,其中RSSIloss门限值以及nc(t)表示为:

对于∀i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≥nd(t)(A,B,C)

对于∀i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≤nd(t)(A,B,C)

或者

RSSIloss(ThresholdA,B,C)>RSSIloss(A,B,C)(i)

对于新的RSSIloss的Plevel定义为:

Psave被定义为拟定方案实施前后Plevel的差值:

网络生命周期可以通过最大化Psave得到延长。拟定方案的目的是在保持链路可靠性的同时尽可能低减小能量消耗。Psave目标函数的定义如下:

这里countAT和countBT是每个区域中门限值以上和门限值以下的节点的数量。

3 仿真结果分析

在本节中,我们描述了所提出的高效节能技术在无线传感器网络中传输的仿真结果。图4中,显示的是一轮中每个节点感知到的温度值。根据实际情况,每个节点感知到的温度值有助于估计传输功率损耗值。图5利用班尼斯特等人实验中传输功率损耗与温度的关系,计算出传输功率损耗随温度变化的值。高传输功率损耗值表明区域中节点的温度比较高所以链路质量不太好。温度在-10 ℃至+50 ℃之间,传输功率损耗值分布在-6 dBm～5 dBm之间。

从图5中可以看出,链路质量与传输功率损耗值成反比。当温度高传输功率损耗值的值也随之增高,表明链路质量比较差,反之亦然。在估算了网络中每个节点的传输功率损耗值,计算相应的发射功率来补偿传输功率损耗值。图6显示了对于给定的传输功率损耗值,功率级别在y轴上分布在20～47之间,节点随着温度的变化对功率级别的要求成正比,温度低则需要的功率级别也比较低,温度高则需要更高的功率级别。相关的参数估计见表2。

鼻内镜下严重外伤性歪鼻畸形肋软骨整形及同期鼻中隔偏曲矫正一例（何川 秦喜昕 吴晓平 杨俊慧）5∶389

表2 参数估计

图4 节点感测到的温度值

图5 估计的节点传输功率损耗

图6 节点所需功率级别

由于之前在给定温度的基础上对每个节点做了传输功率损耗值估计,这就有助于估算所需的功率级别来对传输功率损耗进行补偿。功率级别只是有助于补偿由温度变化引起的传输功率损耗。为了补偿无线传感网络中由于每个节点之间的距离产生的路径损耗,使用自由空间模型来帮助估计实际所需的发射功率。在由于温度变化以及距离而需要额外的功率级别后,估算了每个节点之间实际所需的传输功率。图7显示了在温度变化的情况以及不同节点的自由空间路径损耗引起的传输功率损耗的情况下所需的传输功率。从图中可以清楚地看到,传输功率分布在-175 dBm～-90 dBm之间,大多数时间都超过了-120 dBm。

图7 传输功率

在估算每个区域节点的传输功率损耗值后,从图7中可以看到每个区域节点所需的功率级别。在区域A中,功率级别分布在(40～45),区域B中则是(30～35),区域C中为(20～25)。也就是说区域A中所需的功率级别要高于其他两个区域,同时区域A中的温度以及功率损耗也比较高。区域B中的功率级别介于A、C之间,而C所需的功率级别则是最小的。从图8中的区域指定是使用了经典的方法。接下来比较我们的传输模式指定每个区域所需要的功率。我们可以从图9中很清楚地看到不同,每个区域的功率级别都降低了,其中A区域的功率级别减少得最多。图10显示了在使用所提模式后每个区域所需的Psave情况。区域A中Psave最高达到了2.3,B是1.7,C是1.5。

图8 使用经典方法的区域(A,B,C)的功率级别

图9 使用EATP方案的(A,B,C)的发射功率级别

图10 区域A、B、C中节省的发射功率级别

图11中的介绍了区域A,B,C中参考节点移动性对Psave的影响。参考节点沿着方形区域的边界移动,区域中的节点则是静止的。当参考节点处在方形区域的中心位置(50,50),其周围的节点数将会最多,从而功率损耗值将大于门限值,所以我们需要减小功率级别来满足其门限值的要求,使得能量节约Psave最大化。我们可以清楚地看到在中心位置,最大化Psave在12 dBm到20 dBm之间。当参考节点从区域中心移动到角落(0,0),Psave基本保持在1 dBm很小的变化内,实际上参考节点周围的节点拥有相同的功率损耗以及相同的温度,所以它们需要在门限值附近有相似的功率级别。当参考节点从(0,0)移动到(0,100),Psave的波动在-5 dBm～6 dBm。我们观察到Psave在两个时刻取到最大值,因为那些在参考节点附近需要增加功率级别来满足门限值的节点数达到最小。

图11 不同参考节点位置在区域A,B,C发射功率节省值

参考节点从(0,100)移动到(100,100)将导致Psave降低-4 dBm～12 dBm,只有一个时刻达到Psave最大值。类似的,当参考节点从(100,100)移动到(100,0),Psave限制在-4 dBm～7 dBm之间并且只有在一个时刻达到最大值。从图中可以看出,区域A中处于中心位置的参考节点将使得Psave最大化并且增强了网络生命周期。我们也可以看到不同时间的参考节点周围的节点的Psave的变化,如果节点的传输功率损耗值比门限值要小,那么将会增加功率级别来降低节约的功率Psave,相反地,如果节点的传输功率损耗值比门限值大,将增加降低功率级别来增加节约的功率Psave。图中也可以看出Psave的最大最小峰值也在相同的时间出现。

类似的,可以在区域B,C使用相同的参考节点移动模型来观察Psave的变化。从图中可以看出B区域中,参考节点在中心(50,50)时,Psave处在14 dBm～20 dBm,当移动至(0,0)时,Psave保持0 dBm～1 dBm的变化范围。当参考节点从(0,0)移动到一个边角(0,100)时,Psave在0 dBm～4 dBm之间波动。当参考节点从(0,100)移动到(100,100)时,Psave在-1 dBm～5 dBm之间。移动从(100,100)到(100,0)时,Psave在-4 dBm～5 dBm。从图中可以看出C区域中,参考节点移动性对节省功率Psave的影响。当参考节点在中心(50,50)时,Psave在8 dBm～50 dBm之间波动。参考节点从中心移动到边缘(0,0)使得Psave在0 dBm左右。从(0,0)移动到(0,100)Psave在-5 dBm～12 dBm。相似地,(0,100)到(100,100)Psave维持在-10 dBm～18 dBm。最终当参考节点位置从(100,100)到(100,0)Psave达到了最大值60 dBm,这表明在这一时刻参考节点附近的节点的传输功率损耗比其门限值高。该图同样说明了参考节点在中心位置时平均Psave最大。与区域B相比,在这个区域存在最大最小峰值,因为这个区域的节点拥有比门限值更大的传输功率损耗值。

4 总结

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陈立建(1973-),男,汉族,浙江广播电视大学萧山学院讲师,主要研究方向为无线传感器网络,xschlj@163.com;

周雪(1982-),女,汉族,浙江广播电视大学萧山学院讲师,主要研究方向为无线传感器网络,zx2092@163.com。

AnEnergy-EfficientAdaptiveSchemeforTransmissioninWSNBasedPowerControl*

CHENLijian1*,ZHOUXue1,LEIYanjing2,ZHUChaoming1,MAOKeji2

(1.College of Xiaoshan,Zhejiang Radio and Television University,Hangzhou 311201,China;2.Department of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)

The energy consumption of wireless sensor networks determines the lifetime of the network.This paper proposed an energy-efficient adaptive scheme for transmission in WSN based power control.After analyzing the relationship between the transmission power loss and the temperature with the scheme,the paper used the open loop control to compensate due to the change of temperature caused by the link quality.Through a combination of open loop temperature compensation and closed loop feedback control of perception,the scheme can significantly reduce the transmission power control in wireless sensor network overhead.Simulation results showed that propose scheme effectively adapts transmission Power level to changing link quality with less control packets overhead and energy consumption as compared to classical approach with single region in which maximum transmitter Power level assigned to compensate temperature variation.

WSN;Link quality;Power level;RSSIloss

项目来源:国家自然科学基金项目(61379023,61302129);浙江省自然科学基金项目(LQ12F02015);浙江省教育厅项目(Y201328294);浙江省可视媒体智能处理技术研究重点实验室开放基金项目(2013011,2013051,2013082)

2013-12-25修改日期:2014-05-29

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.023

TP393

:A

:1004-1699(2014)06-0835-07