无线网络通信节点传输能耗控制系统设计

马丽 胡海峰

摘 要： 传统能耗控制系统存在节点生存时间短、汇聚节点数量少、成本高等问题，为了节约能源消耗，对无线网络通信节点传输能耗控制系统进行设计。根据无线网络通信特点，从电路器件、微处理器方面对系统硬件进行设计。构建分簇结构，并对软件编译器进行优化，融合中断技术对动态能量、动态电压进行控制管理。通过实验验证系统设计的合理性，并得出实验结论。实验结果表明，该系统具有节点生存时间长、汇聚节点数量多、成本低等特点，对提高网络性能具有积极影响。

关键词： 无线网络； 通信节点； 传输能耗； 控制系统； 分簇结构； 中断技术

中图分类号： TN915?34； TP351 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0027?04

Design of energy consumption control system for wireless

network communication node transmission

MA Li， HU Haifeng

（College of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： The traditional energy consumption control system has the problems of short node survival time， small aggregation node quantity and high cost. In order to save the energy consumption， the energy consumption control system of wireless network communication node transmission was designed. According to the characteristics of wireless network communication， the system hardware is designed in the aspects of circuit devices and microprocessor， the cluster structure is constructed， the software compiler is optimized， and the interrupt technique is fused to control and manage the dynamic energy and dynamic voltage. The rationality of the system design was verified and experimental conclusion was obtained in experiment. The experimental results show that the system has the characteristics of long node survival time， large aggregation node quantity and low cost， and a positive effect on the improvement of network performance.

Keywords： wireless network； communication node； transmission energy consumption； control system； cluster structure； interrupt technology

0 引 言

在网络正常运行过程中，节点传输的控制对能源消耗起着决定性作用，通信网络工作时，对能源的需求非常大，因此需要遵守节点传输规则来控制节点能源消耗。利用网络冗余节点的休眠机制来控制能源负载均衡，该方法可有效控制能源消耗，促使节点的能源消耗达到均衡状态。在无线网络通信环境下，节点处的能源消耗对整个系统传输控制具有重大意义，结合无线网络通信的特点，对系统硬件部分从电路器件和微处理器进行设计，对软件部分利用分簇结构展开分析。采用低耗能技术实现硬件部分的节点节能，从物理层次上控制数据传输速率，忽略节点在空闲时消耗的能源。针对软件消耗部分利用节能通信协议实现节点节能，通过分簇结构与数据融合技术获取能量高效路由协议来解决不平衡负载分布情况。

基于此，为了保障网络能够正常运行，且耗能最低，需对系统硬件与软件进行节能设计。总之设计具有节点生存时间长、汇聚节点数量多的传输控制系统是有必要的。

1 传输能耗控制系统硬件设计

随着网络技术不断成熟，越來越多的节点引入到低耗能设计当中，由于无线网络通信能量有限，为了提高节点传输性能需从电路器件、微处理器等器件方面着手设计。

1.1 电路器件设计

利用互补金属氧化物构成的互补型MOS集成电路来降低器件整体功耗，使电路静态耗能达到最小，但动态耗能依然较大。因此，为了降低电路器件耗能，主要途径还是降低通信节点传输控制系统的动态耗能，动态功耗为：

[Q=PV2n] （1）

式中：[P]为系统负载电容；[V]为系统工作电压；[n]为系统正常工作时的频率。由式（1）可知，无线通信网络环境下，节点能源消耗控制主要与系统工作时的电压和频率有关，为此，设计低能源消耗系统就需从该方面进行节能。

1.2 微处理器设计

无线通信节点微处理器能源消耗在整个系统中占据重要地位，设计合适的微处理器对系统性能具有较大影响[1]。一般情况下，微处理器能源消耗可分成两部分，分别是内核能源消耗和外部接口控制器能源消耗。处理器总能源消耗为：

[Q=Q1+Q2] （2）

式中：[Q1]为系统端口处的能源消耗，该部分的消耗与电压高低有关；[Q2]为系统控制器的能源消耗，该部分的消耗与控制器数据总线宽度有关[2]。因此，对微处理器进行设计时，需降低工作电压，并减小总线宽度，可有效抑制能源大量消耗。

无线网络通信节点传输能耗主要集中在通信模块中，设计能源消耗模型如图1所示。

由图1可知：[p1]为系统发送数据时消耗的功率；[p2]为系统进行数据传输时接收的信噪比功率；[i]为路径衰减指数；[d]为节点之间的实际距离；[m]为传输的数据量，单位[3]为bit。

根据能源消耗模型可知，无线通信信道具有对称性，对节点周围情况进行不间断监测，以一定速度进行数据监测，当网络通信节点之间数据传输距离[dd1]时，路径衰减指数[i=4，]能源消耗會随着距离[d]的增大而急剧增加，此时节点发送数据消耗的能源与距离[d]的4次方成正比例关系[4]。

在微处理器件当中，网络通信节点接收信息时，能源消耗较大，为此，对该部分设计时，应充分考虑节点之间的实际距离，尽量减少数据进行传输与接收时消耗的能源[5]。当节点传输距离一定时，路径衰减指数[i=2，]采用一条传输途径与多条传输途径方式会导致能源消耗存在较大差异，如图2所示。

由图2可知：当节点之间距离较近，数据传输可采用多条传输途径方式来节约能源。其中一条传输途径耗费的能源为：[p1=12=1；]多条传输途径耗费的能源为：[p2=0.22+0.22+0.42=0.24]。该结果说明，在数据传输过程中，采用多条传输途径的通信方式可有效降低无线网络通信节点的能耗。

2 传输能耗控制系统软件设计

在无线网络通信节点传输过程中，设计分簇结构对软件编译器进行优化，融合中断技术对动态能量、动态电压进行控制，进而降低软件部分能源的消耗[6]。

分簇结构指的是将节点直接以数据形式发送给簇头，在簇头与汇聚节点之间利用一条传输途径进行数据传输，如图3所示。

由图3可知，该结构是由簇头与普通节点组成的，簇头具有动态属性，本地协调可产生簇群，具有数据融合等优势。

分簇结构采用周期轮换制度，一般情况下，需要将簇的结构构建分为两个阶段，分别是建立阶段与稳定阶段[7]。簇的建立阶段主要负责产生大量的簇头，方便节点快速进行分簇管理；簇的稳定阶段主要负责对数据进行传输，利用多媒体控制层协议限制数据链路进行数据传输时发生的信道冲突情况，并对所有节点以同样速率发送数据包。使用共享传输介质（TDMA）的复用方式分配通信时隙[8]。

2.1 编译器优化

在对编译器进行优化的过程中，需选择正确编译顺序来节约软件部分的能源，采用休眠机制节约网络节点能量，进而提高网络整体能量的有效性。休眠状态指节点基本处于关闭状态，可直接接收网络中剩余节点发送的唤醒信息，编译器中节点休眠状态关系为：节点休眠状态经过一定周期转换为倾听状态，倾听状态受到唤醒变为活跃状态；活跃状态经过节点冗余和网络覆盖度降低转换为倾听状态，倾听状态经过周期没有接收到任何唤醒信息变为休眠状态[9]。

经过网络部署后，大部分节点处于休眠状态，一旦出现唤醒消息，节点立刻转换为工作状态，此过程接收的邻居节点信息都被覆盖。休眠调度机制的主要目的是在不影响网络性能的前提下减少节点处于活跃状态的时间，进而提高编译器代码生成效率，降低系统能源消耗。

2.2 动态能量控制

动态能量控制指的是将未工作的器件关闭，并将正在使用的器件转换为低功能消耗状态。进行节点传输控制设计时，采用动态能量控制可对微处理器和无线通信不同状态进行选择，实现均衡网络能源消耗的目的。利用中断技术将整个系统设置为多个事件进行处理，当事件发生时产生了中断信号，那么数据处理器将处于省电模式，因此，该技术可将动态能量进行有效地转换，且不影响能量产生结果，但是能源消耗情况差别较大。利用中断技术可将系统工作状态设置为等待模式，此时的数据处理器基本不消耗任何能量，为此，进行软件设计时，融合中断技术对动态能量进行控制可有效降低数据处理器的能源消耗。

2.3 动态电压控制

动态电压控制指的是系统在负载较低的情况下，通过降低数据处理器电压方式，促使工作电压与频率达到有效节约能源的目的。利用中断技术可将电压转换器变为动态电压调节模式，促使大部分通信节点处于休眠状态，此时节点的负载相对较低，方便任务执行时控制微处理器的能量负载均衡变化，进而降低能源消耗。

在无线网络环境下，根据任务需求完成节点数据的采集，按照采集顺序将数据发送给簇群，经过簇群内部的数据融合可将所有数据传送到汇聚节点处。由于该系统需采用随机选举簇头机制，因此，每经过一段时间就需要对簇头进行重新选择，此方法可有效避免因簇头能源消耗过高而造成系统大量能源消耗问题，进而延长了网络使用寿命。

3 实 验

为了验证无线网络通信节点传输能耗控制系统设计的合理性进行了如下实验。利用网络仿真器作为离散事件模拟器，以C++和OTCL语言为多种网络协议，可用于通信协议、网络处理器、分布式系统的建模与实验，也可作为平台分析复杂网络性能，研究网络状态。

3.1 实验环境设置

基于无线网络通信节点传输能耗控制系统实验中，网络节点如图4所示。

根据图4中节点的分布情况，利用多种网络能耗均衡协议，设置如下实验环境：

实验平台：采用嵌入式系统作为研究平台；

无线通信网络节点数量：120个节点，并随机布置；

实验监测范围：120 m×120 m；

节点初始功率：0.55 J；

节点接收功率：0.39 J；

多媒体控制层协议：MAC?SENSOR；

节点坐标：（40，140）。

实验参数设置如表1所示。

3.2 实验结果与分析

3.2.1 网络生存时间对比结果与分析

将传统节点传输能耗控制系统与本文设计的系统的网络生存时间进行对比，结果如图5所示。

由图5可知，传统系统在第一个节点出现死亡的时间为380 s，到750 s时节点存活率为0，全部死亡；而本文系统第一个节点出现死亡的时间为740 s，到900 s时节点存活率为0，全部死亡。由此可知，本文设计的无线网络通信节点传输能耗控制系统优化了传统系统存在的网络节点与汇聚节点距离远的问题，促使能耗控制更加均衡。

3.2.2 汇聚节点接收数据量对比结果与分析

将传统设计的系统与本文设计的系统对汇聚节点接收数据量进行对比，结果如图6所示。

由图6可知，在同一状态下，本文设计的系统接收的数据明显多于传统设计的系统，在传统设计系统中，汇聚节点最终的数据接收量为6.58×104 bit，而本文设计系统最终数据接收量为1.095×105 bit。由此可知，本文设计的系统数据采集性能明显优于传统系统，大大节省了网络开销，促使较多能量被用来传送数据。

3.3 实验结论

基于传统系统设计的基础上，提出无线网络通信节点传输能耗控制系统设计，并通过上述实验内容得出实验结论。通过对网络生存时间对比结果分析可知，本文设计的无线网络通信节点传输能耗控制系统优化了传统系统存在的网络节点与汇聚节点距离远的问题，促使能耗控制更加均衡，节点生存时间较长；通过对汇聚节点接收数据量对比结果与分析可知，本文设计的系统数据采集性能明显优于传统系统，大大节省了网络开销，促使较多能量被用来传送数据，系统对数据传输控制能力较强。

4 结 语

目前无线通信网络常常需要根据周围环境采取不同节能路由协议，在该协议研究过程中，能耗问题往往比较复杂，因此，研究节能、能耗均衡的网络运营成为首要条件。分别对系统硬件与软件进行设计，并通过实验验证了该系统具有节点生存时间长、汇聚节点数量多的特点，可有效控制系统节点传输，节省网络开销，达到延长网络使用寿命的目的。

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