分析小屋环境下基于链路质量的无线传感器网络节点部署方案

高喜奎 白 焰 吴 赛 王 洋

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

分析小屋环境下基于链路质量的无线传感器网络节点部署方案

高喜奎 白 焰 吴 赛 王 洋

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

提出一种基于链路质量的网络节点部署方案，借助于双链路的配合，在保障平均链路质量的要求下，通过合理部署节点位置，均衡网络各节点的能耗，延长网络寿命。通过仿真证明：该算法有效地均衡了网络各个节点的能耗，并在双链路情况下得以验证，降低了高能耗点能耗，延长了网络寿命。

分析小屋 链路质量 节点部署 网络寿命

分析小屋环境下，分析仪表对监测区域对象实时感知，将采集的数据由ZigBee进行传输，组成两条长链式无线传感器网络，实时采集的事件以单跳或者多跳的方式传送出去，最终汇聚到PC机，以实现仪表数据的远程传输[1]。然而少有人对于该特殊环境下的传感器摆放进行研究。由于环境特殊，节点能量受限，越靠近基站，数据量越大，承担的转发任务越重，因此能耗越高，基站临近几跳节点成为制约网络寿命的关键点[2]。通过研究无线传感器(WSN)网络节点部署问题，使节点的部署在一定程度上决定WSN的性能和使用寿命。

文献[3]提出一种基于网络效率的线性WSN优化部署算法，在已知网络规模和感应半径的情况下，通过有效的节点部署来避免“能量空洞”；文献[4]提出一种基于感知概率的节点部署优化方法，将虚拟力算法进行改造，从提升覆盖率角度进行优化，提高网络覆盖率；文献[5]提出一种基于冗余节点的节点部署方案，通过对单链路靠近sink节点附近部署冗余节点来减少能耗，延长网络寿命；文献[6]通过研究线性WSN的能耗，得到布置节点的密度公式，使得密度与能耗速度达到平衡，从而延长生命周期，从一定程度上提升了生命周期，但模型考虑链路信道接收概率为1[7,8]，并不符合实际情况。长链式数据传输过程中，许多研究模型并未考虑底层链路数据传输率的评估，常假设底层通信链路的接收概率为1，然而这与实际并不相符[9]。在此基础上，笔者提出了一种基于链路质量的长链形网络节点部署方案，即考虑网络平均链路质量，得到链路数据传输概率，然后基于每个节点承担的数据量和求得的节点部署方法对传感器节点位置进行调整，最终得到一个合理的部署方案，再将两条链路整合考虑，在确保链路质量的前提下尽可能地提高网络寿命。

1.1 网络模型

分析小屋模型下，考虑由m个随机部署的节点形成的两条长度相等但节点数目不同的线性链路，其应用场景为周期性地收集数据，并最终汇聚到一个sink节点，如图1所示。

图1 分析小屋无线网络模型

由于分析小屋长宽的限制，对长度而言，两链路相对距离较远，两链路通过增加发送半径来实现全覆盖，无疑会增加大量不必要的能耗[10]，因此首先单独考虑单链路的节点部署，最后再将两条链路整合考虑。设一条链路的节点数目为n，用si表示单条链路的第i个节点，相应的节点集合S={s1,s2,…,sn}，假设传感器具有以下性质：

a. 所有节点同构，节点分布在长度为D的线形监控区域内，每个节点有唯一标识(ID)。

b. 每个节点的初始能量都为Einitial，并且在一个周期内产生l比特数据，并且都需要发送到基站sink考虑数据重传。

c. 节点之间单跳传输，多数节点与基站的距离要比该节点的无线通信距离大得多[11]。

网络模型的性质a为无线传感器网络的典型设置；性质b为采集型无线传感器网络设置，为保证sink节点能接收到数据，考虑加入重传；性质c从节能角度考虑，采用单跳进行传输。

1.2能量消耗模型

采用典型的能量消耗模型[12]，节点间发送一次数据的能耗模型如下：

(1)

式中d0——传输阈值；

Eelec——发射电路损耗的能量；

lt——一个周期内节点发送的数据；

lr——节点接收的数据；

εfs、εamp——两种模型中功率放大所需的能量。

1.3链路评估模型

采用周期性发送探测包的方式来获得包的接收率，完成链路评估，会产生大量的通信量，既浪费带宽又消耗能量。如果采用节点间的链路质量指示(LQI)来获得接收率，这使链路评估变得很有利[13]。以射频收发器CC2420为例，LQI取值为50～110，因此笔者采用基于高斯分布的链路模型，通过统计一定数量的LQI，求得平均LQI，再得出节点间的数据包接收率：

(2)

(3)

Std_Prr(E_LQI)=-0.001×ELQI2+0.01704×

ELQI-6.5652

(4)

其中，p∈[0,1]，φ(p)为数据包的接收概率，E_LQI为LQI的平均值，由多次采样得到，E_Prr(E_LQI)为包接收率的平均值，Std_Prr(E_LQI)为满足高斯分布的包接收率的标准差。由文献[13]可知E_LQI∈[50，70]时接收率几乎为0，因此笔者考虑E_LQI∈[50，70]。

1.4问题描述

网络规模为D，节点个数为n，调整节点的距离，使网络达到如下目标：节点布满整个网络，保证全覆盖；尽可能地延长寿命，减少瓶颈节点的能耗，使每个节点的能量消耗基本均衡，最理想的情况是所有节点的能量都同时耗尽，避免“能量空洞”。

2 算法描述

2.1算法描述与分析

定义网络寿命为T，可知T=Einitial/Emax，Einitial为初始能量，Emax为每轮数据能量消耗最多的节点所消耗的能量。目的是最大化T，为了延长整个网络的寿命，可以通过最小化Emax和使每个节点的能量消耗基本均匀的方式，即Ei=Ei-1，以数学公式来表示就是：

(5)

定理1 设Dri、Dti分别表示节点i(i=1,2,…,n)接收和发送的数据包个数，在N次重传下，EN(h)表示经h跳成功到sink节点的平均重传次数，其中l为单位数据包的字节数，则：

(6)

EN(h)=1×Qi+2×(1-Qi)Qi+3×(1-Qi)2Qi

(7)

(8)

(9)

则接收的数据量lr=Dri×l，发送的数据量lt=Dti×l。证毕。

2.2延长网络寿命的节点部署算法

算法的具体步骤为：

a. 统计得出E_LQI，求出节点间的接收率；

b. 均匀部署节点，求出能耗最大的节点编号i，能耗为Emax；

3 性能分析

考虑成功传输一周期的数据包，将经过节点部署算法后的节点能耗与均匀部署节点的能耗对比，如图2所示，可以看出经过节点部署后的节点能耗基本一致，最短寿命节点得以最大化，则网络寿命尽可能的最大化。

图2 不同节点的能耗值

图3为不同平均链路质量条件下最高耗能节点能耗图，LQI区间为[75，100]，从图分析可知，在链路质量较差的情况下节点部署后能耗显著降低，网络寿命显著延长，在链路质量较好的情况下影响不大。

图3 平均链路质量对最高能耗的影响

工业现场中存在干扰，为抗干扰，设置两条链路工作在不同的信道，当A链路信道受到干扰或者链路质量下降到某值时，可以切换到B链路的信道上，借助于B链路将数据传出去，增强可靠性。此设计保障了算法的可行性，在分析小屋的应用中具有一定的参考价值。

现采用NS-2进行仿真验证[15]，分别在两种情况下讨论靠近能耗最大的两个节点，由算法求得能耗最大点为A链路节点4和B链路节点6，不同部署方式下最高耗能点的能耗如图4所示。

图4 不同部署方式下最高耗能点的能耗

从图4可以看出，耗能最高点A链路的节点4和B链路的节点6，经过算法部署后，能耗明显减少，且两链路配合传输，使得能耗相差不大，且经trace文件分析读得总吞吐量并未减少，使得在保证网络质量的情况下网络寿命得以延长。

4 结束语

无线传感器网络的节点能耗直接影响了网络的寿命，通过有效部署节点，在保证全网覆盖的前提下，延长网络的使用寿命。笔者在分析小屋特殊环境下，对链路式网络提出了一种基于LQI的节点部署算法，并通过理论和仿真，验证算法的有效性，最后将两条链路组合考虑，经过仿真分析得到在不影响链路质量的前提下，调节节点位置找到最优间距后，两条链路再配合传输算法，使得最高耗能点的能耗比均匀部署时的能耗减少，证明该算法优于均匀部署方式，在合理考虑分析小屋环境要求的情况下，达到能耗均衡的目的，延长了网络寿命。

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

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《化工自动化及仪表》2016年征稿简则

1.专业范围

报道化工、石油化工、冶金、电力、医药、造纸、纺织等行业过程控制理论与应用、计算机技术及其应用、检测技术研究与应用、控制装置设计及应用、仪器仪表技术开发与应用、企业技术改造经验等。

2.报道内容

◆综述与评论。博采众览，兼收并蓄，及时、准确、全面地反映国内外过程控制技术、检测技术、计算机技术及仪器仪表技术的发展动态、趋势和水平。著文要求准确性和权威性，信息量大，能够较全面地阐明命题的过去、现状及发展。

◆过程控制。报道现代控制理论的研究与应用，新型控制策略及控制技术的应用实例；先进控制系统及控制装置的现场应用；国家重大科技攻关项目及成果。

◆检测与仪表。报道国内外先进的检测技术、自动化仪器仪表技术的开发与应用。

◆研究与应用。报道控制技术、检测技术、计算机技术、仪器仪表技术等的研发及其在工业生产中的应用。

◆技改与创新。报道技术改造和技术成果，系统及仪表的日常检测与维修经验等，著文要求突出实用性。

3.投稿要求

◆文稿应简明扼要，突出重点，公式、数据准确。

◆要求E-mail投搞，一律为Word文档(A4幅面，单倍行距，通栏，五号字体)，不受理复印稿或传真稿。

◆每篇文章请附150～200字中、英文摘要，4～6个中、英文关键词，作者所在单位的中、英文名称。

◆若条件允许，每篇文章请附中图分类号(分类方法请参考《中国图书馆分类法》第四版)。

◆图、表要有图题、表题，图中文字、符号、数字、图注需清楚，图、表中标注尽量用中文。

◆公式另行居中书写，大/小写、上/下标标注清楚。

◆为使您的稿件能够被及时处理，投稿时请务必提供每位作者的详细信息，包括邮编、联系地址、工作单位、电话等。

4.稿件受理

◆来稿收到后即以电子邮件方式给以回复，并分配稿件登记号，以便于查询。

◆投稿后若有变动(如撤稿，作者通讯地址、联系方式改变等)，请务必通知编辑部。

◆审稿处理周期为15个工作日。

◆刊物出版后，向作者赠送当期刊物两本。

NodesDeploymentAlgorithmforWLNsBasedonLinkQualityIndicatorunderAnalysisHouseEnvironment

GAO Xi-kui, BAI Yan, WU Sai, WANG Yang

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

A network nodes deployment algorithm based on the link quality was proposed. With the aid of a dual-link and under protecting average link quality as well as through deploying nodes reasonably, the every node’s energy consumption can be balanced to prolong the network lifetime. Simulation results show that this algorithm proposed can efficiently balance each node’s energy consumption under a dual-link case and can reduce high-energy consumption and extend service life of the whole network.

analysis house, link quality, node deployment, network lifetime

TP399

A

1000-3932(2016)01-0071-05

2015-12-01(修改稿)