基于TDMA 机制运行的无线网络节能方案研究

刘 星 高 举 黄荣科 陈良平 吴 博

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，中国 重庆 400065）

0 前言

无线传感器网络由于应用环境的特殊要求，节点普遍采用无源电池供电，能量耗尽后一般无法进行及时的后续补充，因此如何延长节点工作时间是个重点问题。对无线网络的节能研究分为硬件方向的芯片、电路改进和软件方面的协议研究，本文从协议运行的角度分析如何才能使协议做到高效、低能耗的运行。

无线网络协议运行时，传感器节点主要有四种工作状态：数据通信（接收、发送）、数据处理、空闲、休眠。其中数据通信、处理和空闲这三个状态是比较消耗能量的。而数据处理的速度具体到协议实现来说是与硬件平台相关的，因此主要要从数据通信和空闲这两个状态考虑来达到节能目的。有实验数据显示节点发送1bit 数据所消耗的电能足以使处理器执行3000 条计算机指令[1]，可见减少通信次数是能够做到节能目的的。同时，处于空闲状态时，也是对能量的无谓浪费。基于此，本文提出了减少数据通信和空闲工作时间的研究方案。在减少数据通信方向本文提出了如何提高数据通信质量的一点考虑：通过时间同步来减少数据碰撞、在分簇算法中选举簇头时兼顾节点本身的剩余能量和通信成功率；在减少空闲工作时间方面，提出了对TDMA 机制分配的时隙合理利用，减少无谓空等时间。

簇头选举时引入节点通信能力是本文的一个创新点，同时也创新性的提出了时隙资源的精确合理使用方案，验证结果显示这些方案对于无线网络有着明显的节能效果。

1 簇头选择改进方案

与传统网络相比，无线网络节数量大，分布比较密集且能量有限，对此设计人员专门开发了一系列的路由算法以节省能量。如LEACH协议[2]、PEGASIS 协议[3]等，这些低功耗路由协议对网络进行恰当的分簇，并选出簇头节点。由于进行随机簇头选举时没有考虑到剩余能量问题，有人就此进行了算法改进，如对LEACH 协议进行改进的LEACH-DCHS 算法[4]。

但是这些改进算法并没有考虑到节点在实际通信过程中的真实通信状况，仅考虑剩余能量作为簇头选举参考值是不够的。如某个节点当前剩余能量较高，但是其数据通信的成功率低于其他设备，那么当该设备作为簇头时就会出现数据通信失败率较高，不得不消耗额外的能量进行重传等操作。

对此本文提出在除了把剩余能量作为重要的选择条件之外，也考虑其实际工作过程中的通信状况。方法描述：在每轮簇的组织阶段，每个节点都生成一个介于0 和1 之间的一个随机数n，如果该随机数小于门限值T（n），则该节点成为簇头。计算T（n）时，将节点Si在第r 轮循环时的剩余能量Ei（r）和其在上一轮的通信成功率Ci（r）作为重要参考依据。从而可以保证让剩余能量较多、通信成功率较高的节点担任簇首工作，做到均衡使用各节点电量、减少数据重传延长网络的生存时间。

N 为网络中所有节点的总个数，n0为网络中的簇群数目，E（r）为第r 轮循环时网络节点的平均剩余能量。

网络初始组建时，所有节点的数据通信成功率均为100%。然后在第r 轮选举时，Ci（r）就是上个周期内的自身实际通信成功率。把数据通信成功率作为一个重要参数还有一重好处：当网络运行很长一段时间后，可能多数节点的能量都较低，不合适充再充当簇头，而有个别设备由于通信质量问题导致多数时间充当的是普通节点而非簇头，那么其剩余能量就要高于均值。通过上述公式计算时，也会在这种情况下选举通信质量较弱但剩余能量较多的作为簇头。

2 精确时间同步方案

无线传感器网络中，基于TMDA 机制运行的MAC 协议为加入网络的每个设备分配独立的时间资源(时隙)用于网络通信和处理任务，在非工作时间则令节点设备及时的进入休眠状态。同时，采用TDMA方式通信时，可避免信道冲突引起的数据丢包重传带来的能耗。由此可知精确的时间同步对于无线网络减少数据碰撞、精确分配节点时隙资源以维持传感器节点较低的活跃周期就成了低功耗设计的前提[5]。

这里要研究的是无线网络内部节点与时钟源之间的时间同步，主要涉及本地时间与时钟源之间的时间偏差和相对于时钟源节点自身的物理晶振带来的频偏。首先进行时间偏差调整，流程如下图1 所示。

发送方指的是作为接收方的时钟源设备，时钟源周期性的发射包含有时间同步信息的报文（如Zigbee 系统发射的信标帧、ISA100.11a协议发出的广告帧和确认帧等），待同步的节点设备接收到该报文解析后与之进行同步操作，具体过程如下：

1）发送方在自己的特定时隙发射报文，产生SFD 中断，硬件通过定时器捕获时间戳后将本地时间装载到指定的数据字段中发送出去；

2）接收方接收到报文，产生SFD 中断，此时硬件读取本地时间并记录为T1；

3）广播帧接收完毕后，接收方解析出广播帧的时间戳载荷T2;

4）计算出两者的差值为t=|T1-T2|；

5）根据T1 和T2 的关系和差值，对接收方本地时间进行调整。

图1 同步流程图Fig.1 Synchronized flow chart

以上是进行的周期性时间同步过程，但是由于受晶振制作工艺、外界环境的温度、压力等影响，晶体振荡器的频率不可能完全一样，因此还要进行频偏调整[6]。首先要计算出本地时钟与时钟源之间的频率偏差，方法如下：

如图2 所示，时钟源设备周期性的发射报文，分别在TX1、TX2、TX3三个时刻发射出去，而待同步的节点则是在对应时刻TR1、TR2、TR3接收到。假设在TX1到TX2时间段内的本地时间偏差Δt，那么可知TX2到TX3时间段内除了这个Δt 偏差以外，还存在因频偏带来的一个偏差Δf，即：

待同步的节点以时钟源作为参考，那么其自身的频偏也是一个相对值，这个参考对象就是时钟源。又TX1、TX2、TX3、TR1、TR2、TR3、Δt 都是已知的，那么就可以求出对应的频偏带来的时偏值为：

本地时钟相对于时钟源的频偏Foffset则为：

3 节约使用时隙方案

精确的时间同步，带来了严格的时隙资源分配，每个节点设备对自己的时隙是一清二楚，所以对应的工作时间和空闲时间就是可知的。经过分析一些基于TDMA 机制运行的时隙分配算法，发现不管是为保证相邻节点的时隙不同而设计的时隙分配算法，还是考虑到无线网络中的暴露终端和隐藏终端问题而设计的两跳节点时隙不同的分配算法[7-8]，都有一个共同特点，那就是这些算法都是把时间段分为帧，再把帧分为一个个时隙，协议基于时隙运行，当处于工作时隙时进行处理、发送、接收等任务，然后在非空闲时隙则进入休眠状态。

在文献[7]中，节点在唤醒工作后，将它的工作时间划分为等间隔的时隙Ts，假设各个节点发送的数据包大小均相等，数据包的发送时间Td，则有Ts=2Td。即节点发送数据包的时间只占一个时隙的一半，时隙长度Ts是能够满足接收、发送、处理一个最大报文所需时间长度的。类似的分配本身在协议运行中并无问题，但是站在使用效率和节能的角度考虑的话，还是有更进一步改进的，因为正常通信过程中并不是每次通信都需要如此长的时间的。这里作者根据自身实验室研究经验，想到了两个问题：如我们为某个节点分配了2 个时隙用于接收上一级设备数据和发送自身数据（包括转发），但是现在时间已经走到1.8 个时隙了，而该节点自身的发送任务和接收处理已经完成，那么此时是需要继续工作0.2 个时隙后进入休眠还是立即休眠呢？ 也或者此时节点自身的发送任务未完成或者尚未接收到上级节点的报文（节点自身并不需要考虑是因为上级节点没有发还是自身接收失败的问题），但是仅剩下的工作时隙时间又不足以让其完成这个接收或发送任务，那么按照现在的时隙分配算法继续等待时隙结束后休眠合理么？

这两个问题都是针对时隙资源的深挖掘有效利用问题，考虑这类问题的大前提就是上面提到的要做到精确时间同步。当时间同步精度达到应用要求时，这类问题就有了意义，再次继续分析问题：出于节能型考虑，把节点的工作状态严格按照时隙运行有很大的意义，但是从能耗角度和实际问题角度分析的话，当已经完成任务后设备是可以立即进入休眠态的。

4 验证与分析

对以上节能方案的验证，本文是采用对比的形式，在Zigbee 协议进行实现与测试。使用相同的硬件平台（CC2530），分别统计了低功耗路由协议LEACH 和PEGASIS 的无线网络中节点生命周期，并把本文提出的簇头选举优化方案、精确时间同步和时隙资源合理使用方案植入到PEGASIS 算法中进行统计。采用约六成节点死亡（能量基本耗尽，无法维持正常通信）的时间作为网络生存时间的评价标准。网络生存时间的对比结果如下表所示：

图3 节点生命周期Fig.3 Life cycle of the node

从图3 我们可以看到把本文提到的节能方案加入现有的协议算法上，节能效果明显。选择能量富裕、通信质量较好的设备作为簇头带来的优质通信，精确时间同步带来的精准调度和时隙资源的优化使用都一定程度上节省了能量，达到节能目的。

5 结语

对于无线网络来说，灵活的使用方式为使用者带来了诸多便利，就如当今社会移动智能手机一样。但是方便使用的背后还有个急需解决的问题，那就是设备能量有限，我们要想尽诸多办法以控制功耗。本文从现有的低功耗协议算法入手，提出了几点节能方案，以作思路扩展和补充。而目前对无线网络软件节能方向的研究，多数设计者从不同角度提出了诸多优秀的低功耗路由协议，不同程度上控制了设备功耗。在今后的学习中，将更多的学习研究各种协议实现的优点，汲取精华之处以实现一个更加实时、节能、具有很强鲁棒性的低功耗路由协议。

［1］李红艳，刘荣.无线传感器网络的节能优化技术研究[J].信息与电脑，2011(03)：67-68.

［2］HEINZELMAN W R,CHANDRAKASAN A,BALAKRISHNAN H.Energyefficient communication protocol for wireless microsensor networks [C]// HICSS 2000：Proceedings of the 33rd Annual Hwaii International Conference on System Sciences.Maui,HI,USA：[s.n.],2000：01-10.

［3］Lindsey S,Raghavendra C S.PEGASIS：Power-efficient gathering in sensor information systerms [C]// Proceedings of the IEEE Aerospace Conference：Vol.03,Mar 09-16,2002,Big Sky,MT,USA.Piscataway,NJ,USA：IEEE,2002：1125-1130.

［4］周冲，余震虹，卜凡云，钱菲菲.WSN 中低功耗路由协议LEACH 的一种改进方法[J].科学与技术工程，2011，11(21)：5071-5073.

［5］徐世武，王平，黄晞，施文灶，徐雄伟.无线传感器网络中时间同步技术的综述[J].微计算机应用，2011,32(05)：32-35.

［6］李立.无线传感网器网络时间同步算法研究[D].北京：清华大学，2010.

［7］郭鹏，舒乐，朱光喜.无线传感器网络初始化时隙分配算法[J].小型微计算机系统，2009(04)：652-654.

［8］段绍米.无线传感器网络TDMA 时隙分配问题的研究[D].昆明：昆明理工大学，2010.