无线传感器网络RCF-MAC协议研究*

张 健， 董岩松， 刘丹丹

(武汉大学 计算机学院，湖北 武汉 430072)

无线传感器网络RCF-MAC协议研究*

张 健， 董岩松， 刘丹丹

(武汉大学 计算机学院，湖北 武汉 430072)

射频充电(RFC)技术是一种通过基站发射射频电波为传感器节点补充电量的新兴技术。但在RFC无线传感器网络中，多基站同时发射能量时产生的能量干涉衰减现象会明显降低充电效率，此外，能量传输与数据通信共享信道会降低整个网络的吞吐量。针对上述问题，提出了RFC—MAC协议，为提高充电效率，将请求充电传感器节点周围的基站按距离分为两组，两组基站分时能量传输，以避免能量干涉衰减现象；传感器网络中设双信道，分别用于能量传输与数据通信，以提高网络的吞吐量。仿真结果表明：RFC—MAC协议显著提高了传感器节点的充电效率和平均网络吞吐量。

射频充电技术；能量干涉；网络吞吐量；无线传感器网络

0 引 言

无线传感器网络[1]正越来越广泛地应用于环境检测、工业及基础设施监控、智能家居、医药系统以及军事等诸多领域。但传感器节点一般采用电池供电，可以使用的电量有限，并且在很多应用场合，电池的更换相当困难，因此，有限的能量问题成为制约该类型网络发展的重要因素。如何为传感器节点补充电量成为了无线传感器网络的重要研究方向之一[2]。

射频充电(RFC)技术[3]是一种为传感器节点补充电量的新兴技术，在该技术中，基站通过发射射频电波为发出充电请求的传感器节点补充电量。文献[4]通过实验证实了这项技术的可行性，并表明射频充电技术定会得到大规模的普及应用。

1 RFC技术面临挑战分析

尽管RFC技术应用前景广阔，但在RFC无线传感器网络中，当多基站同时发射能量时产生的能量干涉衰减和网络吞吐量低等问题却亟待解决。

1.1 能量干涉衰减

图1为RFC无线传感器网络结构图。其中，X，Y，Z分别为射频发射基站，S1，S2，S3分别为传感器节点。设基站发出的射频电波波长为λ，其中节点S1与基站X之间的距离为λ,与基站Y之间的距离为λ/2，与基站Z之间的距离为λ。

在该传感器网络中，基站X，Y，Z都可以单独给传感器S1节点充电，此时不存在射频电波的干涉现象。然而，考虑如下两种情形：

图1 带能量发射基站的无线传感器网络结构图

1)基站X与Z同时为传感器节点S1充电

此时，在S1节点处的射频电波叠加干涉情况如图2所示。

图2 S1节点处射频电波的建设性干涉现象

由于X与Z到S1节点的距离都为λ，恰好是一个波长的长度，两者之间的相位差为0。此时，在S1节点处，X发出的射频电波与Z发出的射频电波的运动方向相同(如箭头所示)，故产生建设性干涉现象[5]，使得S1节点接收的能量增强。

2)基站X与Y同时为传感器节点S1充电

此时，在S1节点处的射频电波叠加干涉情况如图3所示。

图3 S1节点处射频电波的摧毁性干涉现象

由于X与S1之间的距离为λ，Y与S1之间的距离为λ/2，X与Y之间的相位差为π。此时，在S1节点处，X发出的射频电波与Z发出的射频电波的运动方向相反(如箭头所示)，故产生摧毁性干涉现象[6]，使得S1节点接收不到能量。

综上分析可知,在RFC无线传感器网络中，当多个基站同时发射能量时，存在能量干涉现象。

1.2 能量传输与数据通信共享信道会降低吞吐量

图4中，传感器节点S1电池电量达到了阈值，其向周围的基站发出充电请求，基站响应后,节点进入到充电阶段，待充满后，S2节点检测到信道空闲，开始向S1发送数据，S1接收后给出确认(ACK)。

图4 能量传输与数据通信共享信道示意图

由图可知,在能量传输与数据通信共享信道的RFC无线传感器网络中，由于能量传输占用数据通信时间，这样会明显降低网络吞吐量。

2 RFC—MAC协议

2.1 基本思想

在RFC无线传感器网络中，传感器节点与发射基站都是随机部署的[7]，因而，网络中不可避免地存在能量干涉现象，经1.1分析可知，这种干涉现象是由不同基站到待充电传感器节点间的距离不同造成的。此外，传感器节点周期性地采集数据，若信道长时间地被能量传输占据，节点因难以进行数据传送而造成其缓冲区的数据不断地被覆盖，从而影响网络的性能。

针对上述问题，本文提出了RFC—MAC协议。该协议控制待充电传感器节点周围的响应基站分组、分时地进行能量传输，以避免能量干涉衰减现象，同时，实现同组基站发出的能量在待充电传感器节点处干涉增强，以提高充电效率。此外，在传感器网络中设双信道，分别进行能量传输与数据通信，以提高网络的吞吐量。

2.2 基站分组与分时能量传输

该过程总结为如下四步：

1)传感器节点发出能量请求数据包

当无线传感器网络中的某个传感器节点S的电量达到了阈值时，其会向周围的基站发出包含其自身ID的能量请求数据包(ERP)。

2)响应基站分组

响应ERP的基站被分成两组，每个基站通过接收到的ERP数据包的RSSI值计算出自身与待充电传感器节点的距离，从而知道自己归属于哪个分组，距离计算公式[8]如下

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)-Xσ.

(1)

其中,d为响应基站与待充电传感器节点间的距离，d0为参考距离，n为信道的衰减指数，一般取2～4，Xσ为方差为σ的高斯随机噪声变量，均值为0，PL(d)为距离待充电传感器节点d处的RSSI值。

分组原理分析如下：

如图5所示,当响应基站与待充电传感器节点S间的距离在区间[(k+1/2)λ-λ/4,(k+1/2)λ+λ/4](其中,k=0,1,2,3,…,为基站发出射频电波波长)内时，多基站发出的射频电波在S节点处的运动方向相同，都向下运动(图中左边箭头所示)，使得节点S处能量干涉增强；同理，当基站与待充电传感器节点S间的距离在区间[kλ-λ/4,kλ+λ/4](其中,k=0,1,2,3,…,λ为基站发出射频电波的波长)内时，多基站发出的射频电波在S节点处的运动方向也相同，都向上运动(图中右边箭头所示)，同样使得节点S处能量干涉增强。因而,将与待充电传感器节点间距离在区间[(k+1/2)λ-λ/4,(k+1/2)λ+λ/4]内的响应基站归为一组，将与待充电传感器节点间距离在区间[kλ-λ/4,kλ+λ/4]内的基站归为另一组，同组基站同时发射能量以达到S点处能量干涉增强的效果，由于不同组基站发射的能量在S处存在干涉衰减(因为在S点处，射频电波的运动方向相反)，因而需分时传送。这种分组设计既能够充分利用能量的建设性干涉使充电传感器节点处的能量增强，又能够有效地避免能量干涉衰减问题，从而提高充电效率。

图5 响应基站射频电波在待充电节点处的运动方向图

待充电传感器节点S周围的响应基站分组如图6所示。

图6 待充电节点S周围的响应基站分组图

图6中，S为发出能量请求的待充电传感器节点，ET1～ET5为接收到ERP的响应基站，图中的分组边界是指上述距离区间的端点值。由上述分组原理分析可知,阴影同心环区域内基站归为一组，非阴影同心环区域内基站归为另一组，即,基站ET4,ET5属于一组，ET1,ET2,ET3属于另一组。

3)响应基站向待充电传感器节点发送响应包

接收到ERP的基站计算出自身所属分组后，便向待充电传感器节点发送响应包RP，其中包含自身ID和所属组号NUM(图6中阴影同心环区域NUM为1，非阴影同心环区域NUM为2)。

4)待充电传感器发送确认信息

为避免两组基站同时发射能量产生能量干涉衰减，待充电传感器节点设置一个充电轮转时间片CTS，使两组基站分时能量传输，直到电池充满为止。

待充电传感器节点接收到所有响应基站的RP包后，便向响应基站发送确认包EACK，其中包含CTS和优先开始能量传输的组号NUM(例如:NUM=1表示第一组基站优先开始)。

传感器节点充电阶段流程如图7所示。

图7 传感器节点充电阶段流程图

2.3 能量传输与数据通信并行执行

由1.2的分析可知,能量传输与数据通信共享信道难以提高无线传感器网络的吞吐量，因而考虑设双信道，使能量传输与数据通信并行执行。双信道设计如图8所示。

图8 能量传输与数据通信信道图

图8中，传感器节点S1电池电量达到了阈值，其通过能量传输信道(energy channel)发出充电请求ERP，基站响应后，进入到充电阶段(energy transfer)。与此同时，传感器节点S2欲向S1发送数据，其便通过数据通信信道(data channel)向S1发送数据，S1接收后给出确认ACK。由图可见，能量传输与数据通信互不影响，两者并行执行，从而可以显著地提高网络的吞吐量。

3 仿真结果与分析

利用NS-2软件进行模拟仿真，模拟参数设置如下：

传感器节点参数参照Mica 2模块，其能量收集电路参数参照参考文献[4]；基站以3W的功率发射射频电波，参照文献[9]。

在50 m×50 m的二维平面内随机部署传感器节点和能量发射基站，在分别改变响应基站数目和传感器节点数目的情况下比较RFC—MAC协议与修改的无时槽的CSMA[10]协议的性能。修改的CSMA协议没有考虑传感器网络中的能量干涉衰减问题。

3.1 响应基站数目对节点平均收集能量的影响

图9显示了传感器节点周围响应基站的数目变化对平均收集能量的影响。由图可知,随着响应基站数目的增加，两种协议下节点平均收集能量都会增加，但RFC—MAC协议性能占明显优势。RFC—MAC协议中采用的基站分组分时能量传输机制有效地提高了传感器网络中节点的平均收集能量值。

图9 响应基站数目对节点平均收集能量的影响

3.2 传感器节点数目对平均网络吞吐量的影响

图10显示了无线传感器网络中传感器节点的数目变化对平均网络吞吐量的影响。由图可知,对于修改的CSMA协议来讲，当节点数目从60增加到100时，平均网络吞吐量逐渐增加；当节点数目由120降低到240时，平均网络吞吐量逐渐降低。而对于RFC—MAC协议，整体趋势是平均网络吞吐量随着节点数目的增多而降低，但RFC—MAC协议性能明显优于修改的CSMA协议。RFC—MAC协议中采用的双信道机制有效地提高了传感器网络的平均网络吞吐量。

图10 传感器节点数目对平均网络吞吐量的影响

4 结束语

本文首先分析了RFC技术存在的问题，然后，提出了RFC—MAC协议，该协议通过基站分组分时为充电节点传输能量机制来提高传感器节点的充电效率，通过设双信道机制来提高整个无线传感器网络的平均网络吞吐量。最后，通过模拟仿真实验凸显了RFC—MAC协议的优势。

在RFC—MAC协议中，当一组基站处于CTS时间片时，另一组基站只能处于关闭状态，故没能实现网络资源的充分利用。如何既允许所有的基站同时工作又能有效地避免能量干涉衰减将是下一步研究的重点。

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张 健(1976-) ，男，安徽铜陵人，博士，博士生导师,研究方向为无线传感器。

Research on RFC-MAC protocol for WSNs*

ZHANG Jian， DONG Yan-song， LIU Dan-dan

(School of Computer, Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Radio frequency charging(RFC)technology is an emerging technology that through base station emit RF waves to replenish power for sensor node.However,in RF charging(RFC)wireless sensor networks(WSNs),energy interference and attenuation caused by more than one base stations emitting energy at the same time can significantly reduce charging efficiency,moreover,energy transmission shares the channel with data communication can reduce network throughput.Aiming at above problems,put forward RFC—MAC protocols,ambient base stations of charging sensor node are classified into two groups,based on estimates of their separation distance from the energy requesting node to avoid phenomenon of energy interference decay as much as possible; set double channels in sensor networks for power transmission and data communications to improve network throughput.The simulation results show that RFC—MAC protocol can significantly improve charging efficiency of sensor node and average network throughput.

radio frequency charging(RFC)technique； energy interference； network throughput； wireless sensor networks(WSNs)

2014—05—14

国家自然科学基金资助项目(61103216) ；湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB458,2013CFB295)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0054—04

TP 393

A

1000—9787(2015)02—0054—04