基于时隙侦听的无线纳米传感器网络接入机制

刘海员， 闫爱玲

(1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津 300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津 300350)

0 引 言

无线纳米传感器网络(wireless nano sensor networks，WNSNs)是一种新兴的通信技术，属于小尺度的无线传感器网络，传感器节点只有几立方微米[1]，采用纳米材料制造，可以感知外界环境参数，在太赫兹频段发射脉冲信号传输信息[2]，并能通过捕获外界的电磁辐射获取维持自身工作的能量，可以实现永久通信，在工业、医疗、环境等领域有着巨大的应用前景[3]。

由于纳米传感器自身结构简单，功耗极低，文献[4]所提出的簇头选择算法和文献[5]通过优化孩子节点个数优化最优路由路径的深度和孩子汇聚树协议(depth and child clustering tree protocol,DC-CTP)等，适用于经典无线传感网络(wireless sensor networks，WSNs)，不再适用于WNSNs，因此，需要设计一种更低复杂度和低冲突的接入方法。Jornet J M等人提出了一种时域扩展开关键控(time spread on-off keying,TS-OOK)方案[6]，即每个传感器以特定的周期T发送比特符号，符号长度为TS，则两只不同传感器冲突概率为TS/T，由于太赫兹脉冲宽度TS很小，因此，冲突概率很低。这种协议虽然简单，但需要针对传感器数目精心设计不同的发送周期，并且需要主控节点为每个传感器节点事先分配不同的周期[7]，灵活度不高。

本文利用纳米传感器可以捕获外界的电磁辐射获取能量的特性，提出了一种基于时隙侦听接入方案，方案易于实现，对传感器的处理能力要求很低；在此基础上，权衡吞吐量和能量消耗，优化了帧周期的选择，并设计了一种随机延迟的避冲突方法。仿真结果表明:设计的方案具有低冲突和较高吞吐量的特点。

1 WNSNs的基本工作模式

WNSNs网络拓扑如图1(a)所示，中心控制节点负责接收周围传感器发送的数据并作为中继节点汇总转发到更高层，控制节点的处理能力相对较高，功耗相对传感器节点也较高。TS-OOK接入方案如图1(b)所示。传感器1以T1为周期发送脉冲信号，用发送脉冲表示发送“1”，静止表示发送“0”；传感器2以T2为周期发送脉冲信号。当两只传感器同时发送信息时，主控节点接收的混合信号如图1(b)所示，因为周期不同，所以不会产生冲突。

图1 基于TS-OOK的WNSNs接入方案示意

这种多节点接入方案相对简单，但对周期的选择较为严格，尤其是传感器数量较多的情况下，当有一个比特位发生了冲突，意味着数据将产生连续冲突。

2 基于时隙侦听接入机制

2.1 时隙侦听接入机制原理

主要思想是将时域划分成周期为T的帧结构，每帧中包含N个等时长的时隙。每个接入节点在一帧内仅占用一个时隙，发送一比特信息，下一帧的同一时隙发送下一比特信息，直至发送完整个数据包，释放该时隙供其他传感器节点占用。帧结构如图2所示。由于纳米传感器可以捕获周围其他传感器发射的电磁能量，因此，可以侦听各个时隙其他传感器是否在发送数据，以发现空闲时隙。当有数据请求时，便在空闲时隙发送数据。这种方法几乎免去控制节点和接入节点间接入控制信息的交互，协议简单，对接入节点的处理能力要求极低，适用于WNSNs。

图2 基于时隙侦听的无线纳米传感网络帧结构

2.2 帧同步与脉冲信号设计

帧同步是基于时隙侦听方案的关键技术，选择能量充足且处理能力较强的控制节点完成这一功能，控制节点通过发送固定周期的帧同步脉冲信号确立帧的起止时刻，脉冲周期即帧周期。接入节点识别到帧同步脉冲后，便开始以Tslot为时隙单位，逐个时隙侦听。为了有效识别帧同步脉冲和其他接入节点发送的信号，需要对这2种信号进行专门的设计。

在TS-OOK方案中，用发送脉冲表示发送“1”，静止表示发送“0”。OOK方案并不适用于时隙侦听接入，原因是如果传感器节点在某一时隙发送“0”，其他传感器会因无法侦听信号，而判断该时隙为空闲状态，继而选择在该时隙发送信号，导致产生冲突。

本文专门设计了两种脉冲调制方式：脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)和脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)用以表示不同的比特信息。PPM,即利用脉冲位于所在时隙的不同位置来表示传输不同的比特信息，如图3(a)所示。PWM，即用不同的脉冲宽度来表示传输不同的比特信息，如图3(b)所示。帧同步信号设计为两个连续高斯脉冲信号，如图3(c)所示，通过相关接收可以得到与比特信号不同的相关结果，以此识别帧同步信号。

图3 信号调制方式和帧头信号方案

3 接入参数的优化设计

3.1 帧周期和时隙数目确定

确定合适的帧周期，对于保证WNSNs畅通持久的数据传输显得尤为重要。假设每个传感器接入节点产生数据发送请求事件的次数服从参数为λ的齐次泊松分布[7]，λ为单位时间内事件发生的频率。事件间隔为t，服从期望为1/λ的指数分布

(1)

分布函数为

(2)

假设接入节点每次发送的数据包为Nbit，取N=256。每帧长度为T，则第一个数据包发送完毕之前，第二次数据发送请求出现的概率(即产生数据阻塞的概率)PC为

PC=P{t≤NT}=1-e-λNT

(3)

控制节点以周期为T发送帧同步信号，产生的功率消耗为

(4)

式中Ef为每个帧同步信号消耗的功率，对于太赫兹脉冲信号，一般取值为10-12J[3]。因此，可以通过最小化式(5)所示的代价函数L(T)来确定合适的T

(5)

式中α，β分别为阻塞概率和能量消耗对系统影响的权重。对L(T)求导数，并令其为0，得到

(6)

式(6)为超越方程，可通过数值法求解，得到的T即为最优的帧周期。在MATLAB中利用solve函数求解式(6)，得到不同的权重系数比α/β和到达率λ对应的最佳帧周期,如图4所示。

图4 不同到达率λ和α/β对应的最优帧周期

对于每帧内时隙数目，为保证所有传感器接入节点均能同时向主控节点发送数据，时隙数目不应小于接入节点数目，本文对时隙数目对冲突概率的影响进行了仿真。假设确定的时隙数目可以保证很小的冲突概率，根据选择的帧周期可以获得吞吐量R(T)的理论值

R(T)=λ×N×M×(1-PC)=λ×N×M×e-λNT

(7)

式中λ为单位时间内事件发生的频率；N为请求发送的数据包比特数；M为传感器节点数。

3.2 一种随机延迟的避冲突方法

当在一段连续被占用的时隙内，有若干传感器请求发送数据，并侦听空闲时隙，则当下一个空闲时隙出现时，这些处于侦听状态的传感器节点会同时发送数据，产生冲突，如图5所示。

图5 节点冲突

为了避免这种情形产生的冲突，本文引入一种随机延迟的机制，即传感器节点产生发送请求后，产生一个随机整数K，当侦听到第K个空闲时隙时开始发送数据，由于各传感器节点生成的随机等待时隙数目K值不同的概率很大，则数据会在不同的时隙内发送，避免冲突。这种随机延迟的机制，可以将某些时刻集中产生的突发请求事件随机分散到后续的空闲时隙中，很大程度上降低了冲突概率。

3.3 纳米传感器节点接入步骤

1)中心控制节点以周期T向周围发送帧同步信号；

2)周围的接入节点不断侦听帧同步信号，并捕获空间中的电磁辐射能量作为自身发送数据的能量来源；

3)当某个接入节点产生数据发送请求时，生成随机等待的空闲时隙数K；

4)开始逐个时隙侦听，当侦听到第K个空闲时隙时，记录该时隙号，并在每帧的该时隙发送数据直至发送完毕。

4 仿真实验与结果

假设仿真条件为：每个传感器的发送事件到达率λ设为100次/s，节点发送事件间隔服从均值为1/λ=0.001s的指数分布，每个发送数据包包含N=256bit信息，仿真时间为1s。

4.1 时隙数目划分对冲突概率影响

首先假设控制节点周围有50只传感器，α/β设为10-4，即能耗所占权重更大，对应的帧周期约为10-6s。每帧划分的时隙数对应的冲突概率如图6(a)所示。冲突概率计算方法为：发送冲突事件数目与发送完成的数据包数目的比值。从图6(a)中可以看出：冲突概率随着每帧划分的时隙数目增加而减少，当时隙数目超过传感器数目时，冲突概率已经比较低，因此，比较合理的选择是使时隙数目等于传感器数目。

4.2 随机等待时延对冲突概率影响

实验个选取了10～100个不等的接入节点数目，每帧时隙数设置为传感器数目。随机等待的时隙数目分别取0，10，30，50。系统的冲突概率如图6(b)所示。可知:增加随机等待时延数可以降低冲突概率，尤其在传感器数量较多的情况下，较大的随机等待延迟，具有更低的冲突概率。

4.3 帧周期对数据吞吐量影响

仿真不同的帧周期(或频率)对吞吐量的影响。传感器接入节点数为M=50，时隙数目等于传感器数目，以保证较小的冲突概率，吞吐量满足式(7)，理论的吞吐量上限，bps,为

λ×N×M=100×256×50=1.28×106

帧频率选择0.5Nλ，Nλ，2Nλ，5Nλ，10Nλ，50Nλ，仿真结果如图6(c)所示。由结果可知:当帧频率较小时，增加帧频率可以显著提高网络吞吐量；而当帧频率较大时，再增加帧频率，吞吐量提高的十分有限，从节约能量的角度考虑，比较合适的帧频率为5～10Nλ，或帧周期为(0.1～0.2)/Nλ。

5 结束语

设计了一种适用于WNSNs的节点接入方案，由主控节点发送帧同步信号，确定每帧的起始位置。传感器节点侦听各时隙内其他传感器是否在发送，寻找空闲时隙发送数据，该方案简单易于实现，适合于低功耗的WNSNs。同时针对吞吐量和功耗的权衡，优化了帧周期设置，并设计了一种随机延迟的防冲突方法。仿真结果显示：方案可以使WNSNs在较小的冲突概率下实现较大的吞吐量。同时该方案还可以作进一步扩展，如将一帧中的起始若干时隙划分出来，用于主控节点发送其他控制信息等，以适应不同场景下的应用。

图6 仿真实验结果

[1] Akyildiz Ian F,Jornet Josep Miquel.Electromagnetic wireless nanosensor networks[J].Nano Communication Networks,2010,1:3-19.

[2] Akyildiz Ian F,Jornet Josep Miquel,Pierobon Massimiliano. Nanonetworks:A new frontier in communications[J].Communications of the ACM,2011,54 (11):84-89.

[3] Jornet Josep Miquel,Akyildiz Ian F.Joint energy harvesting and communication analysis for perpetual wireless nanosensor networks in the terahertz band[J].IEEE Transactions on Nano-technology,2012,11(3):570-580.

[4] 王 进,邵玉斌,龙 华,等.基于能量和距离加权的WSNs簇头选择算法[J].传感器与微系统,2014,33(5):132-134.

[5] 王泽业,陈慧杰,黎有琦.路径优化的无线传感器网络CTP路由算法[J].传感器与微系统,2016,35(12):122-124.

[6] Jornet Josep Miquel,Akyildiz Ian F.Femtosecond-long pulse-based modulation for terahertz band communication in nano-networks[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(5):1742-1754.

[7] Pierobon Massimiliano,Jornet Josep Miquel,Akkari Nadine,et al.A routing framework for energy harvesting wireless nanosensor networks in the terahertz band[J].Wireless Netw,2013,14:1007-1015.