基于速龙码的WSNs传输功率控制重编程协议*

黄 嵩， 沈 重

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

基于速龙码的WSNs传输功率控制重编程协议*

黄 嵩， 沈 重

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

为了降低节点能耗，提高能量的利用率，提出了一种高效节能的基于速龙码(RC)的传输功率控制(RC-TPC)重编程协议。该协议分两个阶段完成数据传输，第一阶段各个节点更新自己的位置信息，形成最优化的拓扑结构。进入第二阶段后，根据优化的拓扑结构通过调整发送节点的传输功率和中继节点的累计选择次数，Sink节点选择适当的中继节点，使中继节点的传输功率和RC的开销达到最优化。此外，RC的编码方式使传输数据包发生的错误概率更小，减少了重编程过程中的冗余以保证网络负载的均匀分布，有效地实现了高效节能，从而提高整个网络的生存周期。理论分析与实验结果表明：与MNP协议和ATPC协议相比，RC-TPC协议用于传输的平均能量消耗降低17.2 %。

无线传感器网络； 重编程协议； 速龙码； 传输功率控制

0 引 言

网络重编程主要包含两部分内容：第一部分是传感器节点上已装入更新代码的安装机制，属于操作系统与硬件结构研究的范畴；第二部分是分布更新软件数据包到传感器节点的传播机制，属于网络协议的范畴[2]。传统的网络重编程协议使用固定的传输功率进行数据传输[3]，固定的传输功率信号干扰很严重，同时会造成多余能量的浪费，从而降低了网络寿命。多跳网络重编程[4](multihop network reprogramming，MNP)协议,引进发送者选择机制，选择邻域内接收到请求最多的节点为本次的发送者。支持流水线操作，实现了数据的快速传播。自动传输功率控制(automatic transmission power control,ATPC)[5]协议，为了动态地查找最小发送功率使连接的每个节点具有良好的链路质量，提供了一个预测模型。每个节点在不同的发送功率下，广播几个信标来衡量接收信号强度值。然后，每个节点比较该值和不同的发送功率之间的关系。

速龙码(raptor code，RC)是信道编码的一种编码方式，是突破性的删除信道稀疏图码，能在恶劣的网络环境和没有回传信道的情况下进行高速大文件的数据传输的可靠性高，同时，RC的应用对内存要求很低, 比一般需要进行交织的纠错码低约8～10倍[6]。

本文提出的基于RC的传输功率控制(RC-TPC)协议根据优化的拓扑结构通过调整发送节点的传输功率和中继节点的累计选择次数，使中继节点的传输功率和RC的开销达到最优化，以保证网络负载的均匀分布，最大限度地提高能源效率。

1 协议描述

拟议包括两个阶段：拓扑发现阶段和传输功率控制阶段。在拓扑发现阶段中，各个节点更新自己的位置信息，形成最优化的拓扑结构。进入第二阶段后，根据优化的拓扑结构通过调整发送节点的传输功率和中继节点的累计选择次数，Sink节点选择适当的中继节点，使中继节点的传输功率和RC的开销达到最优化。最后，发送节点通过预先计算的传输功率传输重编程所需的数据包。

1.1 拓扑发现阶段

在本协议中，WSNs包括具有位置信息的信标节点和普通监测环境的传感器节点。信标节点广播它们的位置信息给周围的传感器节点，这些传感器节点通过信标节点的位置和接收信号强度值来确定自己的位置，如公式(1)

(1)

(2)

(3)

式中 μim为节点i和节点m之间的链路连接质量的指标值，σ为信标节点和在计算位置坐标后确定位置信息的传感器节点的比例因子。在坐标的位置计算后，每个节点都可以得到自己的位置信息，这些信息将包含在传输数据中送给Sink节点。协议中，假设在给定时间的网络部署后执行重编程，因此,Sink节点可以识别整个网络拓扑结构。

至此我愈加迷惑。且抱持怀疑：儒佛非真理既是如此，耶稣教非真理又是如此；但世人或信儒佛，或信耶稣教，何也？盖因世人的智力不能发现其非真理，或因知其非真理且信之？我决不能相信非真理为真理。于是我断然公开明言：旧有的诸教诸说中无一可信之真理。如欲追求可信的教法，不得不自己发现一个真理。

1.2 传输功率控制阶段

当网络重编程触发时，基于在拓扑发现阶段得到的传感器节点的位置信息，中继节点的位置信息和它们的发送功率在传输功率控制阶段确定。在本协议中只有特定的中继节点才能用预先计算的发送功率传输重编程数据包。

首先，Sink节点计算正常化的传输功率(NpP)，公式中Pi表示调整后的发送功率，是基于节点i和调整后的传输功率通过Friis传输公式计算可得[7]，k是在发送功率Pi范围内节点的个数

(4)

然后，Sink节点选择具有最小NpP值的中继节点。但是，如果选择中继节点只根据计算的NpP值，那么相同的中继节点可能会被Sink节点连续的选择，这就导致其在传输重编程数据包的过程中快速地消耗自身的能量，导致网络负载的均匀不分布，不能实现高效节能，从而降低整个网络的生存周期。为了克服这种副作用，累积选择数目应该考虑当被选择的中继节点由以下公式所述

RNID(i,l)=

min(NpP1ml,…,NpPiml,…,NpPnml),

(5)

式中 ml为在第l次重编程时中继节点累积的选择次数，其默认值是1。

在图1中所示的网络覆盖范围的调整，显示了节点传输范围的变化。原始传输范围指示为一个固定的传输范围传输数据包，调整后的传输范围可以涵盖该节点的最优传输范围。

图1 网络覆盖范围的调整

此外，本协议利用的RC是一种著名的应用层前向纠错的编码方式，通过降低传输功率以弥补不可靠的数据包传输。在运用RC后，协议可获得可靠性增益为

Pf(n,Pe)=0.85×0.567n-k-Pen,

(6)

式中 Pf为在应用层预期接收码元的擦除率，n为输出的RC的码元长度，k为输入源码的码元长度，Pe为MAC层中的输入码元的擦除率，n和k之间的关系可以定义为RC的开销，具体表示为

(7)

此外，Pe的计算如下公式所示

式中 Pr为接收功率，W为信道带宽，N为信道中噪声干扰的功率，f为传输比特率，refc为互补的误差函数，指数l表示码元长度[8]。

在确定第一个中继节点的位置之后，将它的发送功率和RC的开销通过数据包传送给Sink节点，紧接着通过第一个中继节点所确定的参数来确定第二个中继节点的参数。通过接力的方式选择下一个中继节点，直到最终的目标传感器节点由中继节点所覆盖。然后，所确定的参数将会通过数据包传输给所有的中继节点。最终，通过选择适当的中继节点，使中继节点的传输功率和RC的开销达到最优化，从而降低了能源消耗，同时还能保证重编程过程中数据包的可靠传输。

2 仿真环境与模拟设定

OMNeT++是一种WSNs环境中广泛使用的网络模拟器,并允许各种性能评价的软件[9]，在仿真中，假设更新的代码大小为30byte，并搭载开源的TinyOS系统[10]。这个代码被划分为32个程序段，每个程序段由30个数据包组成，每个数据包包含32byte。将30个传感器节点随机分布在500m×500m的区域内。协议设定放置在左下角最边缘的节点为程序更新的第一个节点。另外，在模拟环境中使用的无线模块CC2240是基于IEEE802.15.4的MAC协议。本文提出的RC-TPC协议将和MNP协议和ATPC协议进行比较。

3 性能分析

如图2所示，显示了MNP,ATPC和RC-TPC协议三者之间的负载分布和能量消耗比较。通过对比可以观察到:RC-TPC协议相比较MNP和ATPC协议有着较低的能源消耗，三种协议在完成重编程过程中的平均能耗分别为 70.3,82.7,80.6J。此外，MNP和ATPC协议在传输数据包的过程中，一些需要转发数据包的节点大都位于网络的中间，它的邻居节点中就会有很多接收节点，因此，该节点就有很高的概率来传送接收到的更新信息。如图2所示，负载转发数据包的中心节点能量消耗很大。其中，特别是所选的特定节点由于转发大量的数据包能量消耗殆尽。另一方面，在中心节点附近邻居节点一般消耗较少的能量，所以,它们远比在网络中心附近的节点的生命期要长。中心节点的能量消耗最大可达邻居节点能量消耗的26倍。这种不均衡的能量消耗会迅速耗尽中心节点的电池，导致网络负载分布的不均衡，降低整个网络的寿命。然而，RC-TPC协议用于传输的平均能量消耗降低17.2 %，这是因为通过调整发送节点的传输功率和中继节点的累计选择次数，并且使用RC的编码方式，合理地优化了传输范围和中继节点的选择，可以有效抑制在传输重编程过程中的传输错误，同时防止了不必要的重传，这样降低了总的能量消耗并优化了网络中的负载分布。

图2 负载分布和能量消耗比较

4 结 论

本文提出了WSNs中基于RC编码方式下的一种新型的满足高效节能的网络重编程协议。为了达到理想的结果，通过调整发送节点的传输功率和中继节点的累计选择次数，Sink节点可以适当地选择其周围的中继节点，使中继节点的传输功率和RC的开销达到最优化。仿真结果显示：RC-TPC协议与MNP和ATPC协议比较，基于RC下的传输数据包发生的错误传输更少，减少了重编程过程中的冗余，降低了总的能量消耗并优化了网络中的负载分布。

[1]AkyildizI,SuW,SankarasubramaniamY.Asurveyonsensornetworks[J].IEEECommunicationsMagazine,2002,40(8):102-114.

[2] 谭 劲，陈晓竹，刘砚秋．无线传感网络再编程研究[J]．电子器件，2008，31(3)：1049-1053．

[3]DeP,LiuY,DasSK.ReMo:Anenergy-efficientreprogrammingprotocolformobilesensornetworks[C]∥TheSixthAnnualIEEEInternationalConferenceonPervasiveComputingandCommunications,PerCom2008:IEEE,2008:60-69.

[4]KulkarniSandedS，WangLimin．MNP:Multihopnetworkreprogrammingserviceforsensornetworks[C]∥Procof25thIEEEInternationalConferenceonDistributedComputingSystems,ICDCS2005，Columbus,OH，2005:7-16.

[5]LinS,ZhangJ,ZhouG,etal.ATPC:Adaptivetransmissionpowercontrolforwirelesssensornetworks[C]∥Proceedingsofthe4thInternationalConferenceonEmbeddedNetworkedSensorSystems:ACM,2006:223-236.

[6]ShokrollahiA.Raptorcodes[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2006,52(6):2551-2567.

[7]AparicioS,PérezJ,BernardosAM,etal.AfusionmethodbasedonBluetoothandWLANtechnologiesforindoorlocation[C]∥IEEEInternationalConferenceonMultisensorFusionandIntegrationforIntelligentSystems,MFI2008:IEEE,2008:487-491.

[8]LeeS,BhattacharjeeB,BanerjeeS.Efficientgeographicroutinginmultihopwirelessnetworks[C]∥Proceedingsofthe6thACMInternationalSymposiumonMobileAdHocNetworkingandComputing,ACM,2005:230-241.

[9]VargaA.OMNeT++discreteeventsimulationsystemversion3.2usermanual[Z/OL].[2009—03—18].http:∥www.omnetpp.org/doc/manual/usman,html,2003.

[10]LevisP,GayD.TinyOSprogramming[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress,2009.

黄 嵩(1990- ) ，男，江西九江人，工学硕士，主要研究方向为无线传感器网络、嵌入式系统。

Reprogramming protocol of WSNs with transmission power

control based on raptor code*HUANG Song， SHEN Chong

(College of Information Science and Technology,Hainan University,Haikou，Hainan 570228，China)

In order to reduce node energy consumption and enhance energy utilization, propose a reprogramming protocol which is based on raptor code(RC) transmitting power control(RC-TPC).It completes data transmission via two stages.The first stage is that each node self-updates its positioning information and the forms the most optimized topology structure.Then it comes to the second stage,by adjusting the transmission power of the starting node and the selecting number of relay node,Sink node selects proper relay nodes so that the transmission power of relay nodes and consumption of RC can be most optimized.Besides,the way of RC transmission reduces the data transmission errors,it also reduces the redundancy of reprogramming so as to ensure the uniform distribution of network load and effectively realizes the energy-saving,which further enhances the life cycle of the whole network.It is elaborated by both theoretical analysis and experimental result that compared with MNP and ATPC protocols,RC-TPC protocols reduces average energy consumption of transmission to 17.2 %.

wireless sensor networks(WSNs); reprogrammed protocol; raptor code(RC); transmission power control(TPC)

2014—08—28

国家国际科技合作项目(2013DFR11020)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0137—03

TP 393

A

1000—9787(2015)04—0137—03