面向能耗控制的无线传感器网络节点协议优化

曾 东，熊 飞

(1.中国联通重庆市万州区分公司，重庆404100;2．重庆工程职业技术学院，重庆400030)

0 引言

无线传感器网络节点数目庞大、分布密集等自身特点，易因能量耗尽导致节点或链路故障，影响网络拓扑结构和网络传输稳定性等。能量受限是无线传感器网络一个显著的特征［1］。有关能耗优化与提高网络生命周期是无线传感器网络研究的重点。无线传感器网络协议设计充分考虑到能源的高效使用，以降低网络运行能耗、最大化网络生命周期为无线传感器网络节点设计的首要目标［2］。

基于节点功率控制的优点在于能够在满足连通度的前提下，调节单个节点发射功率(output power)，使节点单跳可达到的临近节点的数目得到均衡。但是其应用中还是采用在每个节点中预先设置固定参数的模式，只是固定参数是经过计算所得到的最优化数值，并未考虑到参数动态调整对能耗优化的影响，通过发送端和接收端之间的距离，动态调整发送功率参数，使发送功率达到能够完成传输数据目的的情况下能耗最小，改变通用的固定参数设置所导致能量浪费的现象，从而达到节省能量，延长网络生命周期的目的。

因此，主要研究网络节点发送数据时发送功率参数的动态调整与优化，在不影响无线传感器网络数据采集和传输的基础上，优化网络协议，降低节点能耗，最大化网络生命周期。

1 相关研究工作

降低能耗是无线传感器网络研究的重要内容，现有的节能技术主要集中在数据处理和数据传输部分。

①针对数据处理的节能技术研究主要集中在降低处理器的能耗，能有效地节省数据处理时的能耗，但网络能耗主要集中在无线传输阶段，节能效果并不理想［3，4］;② 针对数据传输的节能技术。由于无线传感器网络的能量损耗主要集中在无线通信方面，节能方法必然涉及到网络通信的各协议层。当前的研究工作主要集中在无线传输、网络路由和多址接入等3个方面。此次优化设计将主要针对无线传输阶段，对节点发送数据时的发送功率进行优化设计［5］。

无线传感器网络能耗优化体现在节点协议优化方面，主要从拓扑控制、路由协议和数据链路协议(MAC)3个方面进行优化。拓扑控制主要包括节点功率和拓扑结构2个方面的研究，对节点单跳可达到的临近节点的数目进行均衡，优化数据转发网络，以提高网络能效并延长网络生存周期。路由协议需要兼顾网络能耗与生命周期［6］。数据链路层的介质访问控制协议MAC(medium access control)负责无线信道的使用方式，并对节点之间空闲的无线通信资源进行分配。在节省能量、可拓展性、网络效率算法复杂度和与其他层协议协同等方面是MAC协议设计中要着重考虑的［7］。

2 发送功率参数设置优化

2．1 节点发送功率参数设置方法

在SimpliciTI协议中，现有的网络节点发送功率参数设置方法是固定参数设置，即无论两个节点之间相距多远，源节点都采用已设定好的发送功率参数。为了能够覆盖网络中较多的节点，尤其是兼顾到较远节点的覆盖和数据传输，需要将源节点的发送功率参数设置得较大。无线传感器网络中节点主要处于4个状态:睡眠、空闲、发送和接收。在未进行接收和发送信息时，节点会监听周围从而处于监听状态，在发送和接收时是处于传输状态。节点的传输和监听都是具有一定时间范围的［8］，如图1所示。图1中A点可以监听到B、C、D、E点发送的信息，但是只能够正确解析B和D点发送过来的信息，而不能正确解析C和E点发送的信息。发送节点和接收节点在传输信息时应该使用适当的功率来发送信息，否则会产生过多的能量消耗或者无法成功发送信息。推荐使用最大的功率来传输RTS和CTS，而用最小的功率来传输数据DATA和ACK帧。因此，改变现有的固定参数设置方法，根据节点的位置而动态调整发送功率能够节省网络能量，延长网络生存周期。

图1 无线传感器网络节点传输范围和监听范围

2．2 网络节点发送功率参数动态调整

为解决发送功率固定参数设置法导致能量过度消耗，提出了通过计算2个通信节点之间的距离，将发送功率控制在最小，即能够完成连接和数据传输的最小发送功率。

为了获得一定距离下所需要的最小发送功率模型，通过实验点对点发送消息获得在不同距离中，能够成功连接的最小发送功率。根据CC1110芯片程序中PA_TABLE7-PA_TABLE0寄存器可以容纳8个用户选择的输出功率设置，而最佳的输出功率和PA_TABLE设置之间的关系如表1所示。

表1 不同发送功率和频率下最佳PA_TABLE设置

由表1可知，功率与P换算公式:

对于功率，dBm=10*lg(功率值/1 mW)。因此，当output power=0 dBm时，发射功率为1 mW。即发送功率和dBm值是一一对应关系。因此用dBm代替实际发送功率。实验测得数据如表2所示。

表2 实验测得数据

通过实验获得了9组输出功率和可传输数据距离。如图2所示，横轴代表发送端与接收端的距离，纵轴代表发送功率。当节点间距离较小时，功率增长较快。在－5 dBm和5 dBm之间距离增长较快，可得出模型:

图2 测量数据散点图

根据这9组实验数据和提出的模型，通过曲线拟合，得到输出功率和可传输数据距离的准确模型。拟合曲线如图3所示。

图3 数据拟合得到的函数曲线

图3为通过拟合出来的函数曲线，纵坐标表示发送功率，横坐标表示2个终端节点之间的距离。圆圈点代表9组实验数据，图中的曲线表示拟合出来的函数曲线。通过数据拟合，得到了距离和功率之间的模型，如式(3)所示:

式中，P表示以dBm所代表的功率，d表示2个端点可通信的最长距离，单位为m。

从图3可知，通过最小二乘法拟合出来的图形达到了曲线与各试验点之间距离最小的目的。并且符合实际中对距离和功率之间联系的期望。在功率较小的时候，所能达到的最远距离的增长较为缓慢，而在接近1 mW的时候距离增长变得较快。而在一段距离过后，增长速度又减缓到与最初增加速度相近。因此，发送功率和距离的曲线应该是持续上升的指数曲线。

3 参数动态调整方法分析与仿真

3．1 参数设置动态调整方法分析

现有能耗模型为固定参数设置，即将发射功率设定为能够覆盖所有节点的固定值，但是当和一些距离较近的节点通信时可能出现功率过剩。因此，提出根据节点距离动态调整发射功率的思想。

能量模型如图4所示。

图4 能量模型

节点能耗主要分为2个部分:发送数据能耗ETX(k，d)和接收数据能耗ERX(k)。

式中，k是数据包长度;d是发送端到接收端距离;Eelec是电路发送和接收1 bit数据时消耗的能量;ε是发射功率参数。由此能量模型分析可知:当距离已知时，功率越小能耗越少。因此通过功率－距离模型，通过已知的距离可计算出发送到目标节点的所需功率值。

3．2 点对点对等能耗仿真

在点对点对等网络中，2个终端节点相互发送信息。假设2个节点相距距离最远为20 m，并检测当距离小于20 m时的使用固定参数设置和动态参数设置方法的能量消耗。

点对点网络中固定参数设置法和动态参数设置法能耗对比如图5所示。在图5中，横坐标代表2个终端节点之间的距离，纵坐标代表相应距离相应功率下所消耗的能量。点状曲线代表改进之前固定参数设置能量曲线，实线代表改进后变参数设置能量曲线。由图5可知，整体上改进后的参数设定算法比之前的固定参数设定方法更为节约能量，因此改进后的算法是具有可行性的，达到了预期能耗节约的目的。

图5 点对点网络中固定参数设置法和动态参数设置法能耗对比

3．3 点对多点拓扑网络能耗仿真

假设在这个多点网络拓扑中有一个数据中心和2个终端节点，数据中心可以接收终端节点发送来的信息，并向终端节点发送信息。假设在这个星状拓扑网络中数据中心和节点相距d1=10 m，d2=20 m。并且相互之间以2次/s的速度发送信息200次［9］。

在固定参数设置法中为了保证全网的通信率，会将发送功率设置为尽可能大。因此在最远节点距离为20 m的情况下，需要将全部终端节点的发送功率设置为d=20 m时的功率，即p=6.457 9 dBm。而在动态参数设定法中，可将距离数据中心10 m的节点的发送功率设置为10 m所对应的功率即p=－1.058 4 dBm，如图6所示。

图6 点对多点2种参数法设置能耗对比

图6中横轴表示发送数据次数，纵轴表示消耗的能量。优化之前的线条(标注为before)表示使用固定参数设置法时，根据发送次数能量消耗的曲线，优化之前的线条(标注为after)表示使用动态参数设置法时，能量消耗曲线。由图6可知，随着发送次数的增加，动态参数设置法的节能效果非常明显。

4 结束语

能量受限是无线传感器网络一个显著的特征。有关能耗优化与提高网络生命周期是无线传感器网络研究的重点。着眼于无线传感器网络节点耗能最多的无线传输模块的数据发送部分，对现有节点协议中的发送功率参数设定方法进行了改进。为了得到距离和发送功率之间的转换模型，利用点对点与点对多点的方法动态调整节点功率参数设置。通过数据拟合得到距离与发送功率之间的函数模型。由于无线传感器网络工作环境具有不确定性，对验证实验进行了一定的简化。通过点对点对等实验和星状网络拓扑模型进行了验证。仿真实验结果表明:动态调整节点发送功率参数相比改进前的节点放功率固定参数设置法，在网络节点能耗性能方面有较大的提升，节约了较多的能耗，延长了网络生命周期。

［1］ 胡克满，陶军，刘林峰，等．一种节能的无线传感器网络路由算法的研究［J］．机电工程，2010，27(7):53 －56．

［2］ 任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［J］．软件学报，2003，14(7):1282 －1291．

［3］ SINHA A，WANG A，CHANDRAKASAN A P．Algorithmic Transforms for Efficient Energy Scalable Computation［C］∥Proceedings of the ACM International Symposium on Low Power Electronic Design(ISLPED2000)．New York:ACM，2000:31 －36．

［4］ CHIASSERINI C F．On the Concept of Distributed Digital Signal Processing in Wireless Sensor Networks［C］∥Proceedings of the IEEE Military Communications Conference(MILCOM'02)．Piscataway:IEEE，2002:260 －264．

［5］ 司海飞，杨忠，王珺．无线传感器网络研究现状与应用［J］．机电工程，2011，28(1):16 －20．

［6］ 任代蓉，雷霖，易勇．无线传感器网络的网络协议与能量问题综述［J］．成都大学学报(自然科学版)，2006，26(1):58 －61，67．

［7］ 严谨，李平．能量有效的无线传感器网络MAC协议［J］．计算机工程，2010，36(23):98 －100．

［8］ 俞海，张维勇，冯琳，等．无线传感器网络MAC协议的节能机制研究［J］．合肥工业大学学报(自然科学版)，2006，29(12):1516 －1519．

［9］ 杨志义，张要伟，李志刚，等．无线传感器网络汇聚节点的研究与实现［J］．计算机工程，2008，34(14):98 －100．