無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下低能耗拓撲控制策略

王曦

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗直接影響到整個通信系統(tǒng)的運行效率，本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特點，對其鏈路層的低能耗功率控制進行研究。通過降低冗余發(fā)射功率、提高信號的有效輻射、采用干擾消除技術(shù)以及進行干擾避免等策略完成了系統(tǒng)的低功耗功率控制。經(jīng)過試驗測試，本文提出的低功耗拓撲控制策略能夠在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量消耗。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低能耗；功率控制；拓撲結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）31-0235-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN ，Wireless Sensor Network）是由若干的固定或移動的傳感器元件通過自組織及多跳的形式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同地采集、傳輸及協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)被感知對象的屬性信息，并通過無線媒介將傳感信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)的使用者[1-2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點能夠持續(xù)不斷的完成數(shù)據(jù)采集、事件偵聽、事件分類、位置定位以及節(jié)點控制[3]，以上傳感器節(jié)點的關(guān)鍵特性及其無線連接形式使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的取得了異常繁榮的應(yīng)用前景，可以廣泛應(yīng)用于軍事、建筑、環(huán)境監(jiān)測、地上交通流量監(jiān)控、地下交通開發(fā)、農(nóng)業(yè)種植技術(shù)、及食品安全監(jiān)測等領(lǐng)域[4-5]。

如何高效和低能耗地維護無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)運行狀況的關(guān)鍵[6-7]。本文研究一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的低能耗拓撲控制策略，整體降低無線通信系統(tǒng)的能力消耗。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗拓撲控制策略

1.1 無線傳感器拓撲控制

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時兼?zhèn)淞藬?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)控制處理以及無線傳輸?shù)饶芰Φ娜舾蓚鞲衅鞴?jié)點，其作用是從物理空間獲取數(shù)據(jù)，提供用戶客戶端與物理現(xiàn)象之間的接口。與典型的移動自組織網(wǎng)絡(luò)存在差異，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征如下[8-9]：

①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度高；

②傳感器節(jié)點資源受限；

③網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁；

④網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理困難。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用利用的日趨廣泛，導(dǎo)致其面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。通信節(jié)點自己負責網(wǎng)絡(luò)建立、管理及控制，因此節(jié)點除了是信息感知器之外，還必須擔任路由器、信息轉(zhuǎn)發(fā)器的角色。此外，節(jié)點中分布式的網(wǎng)絡(luò)管理也加重了每個節(jié)點的負擔。最后，節(jié)點本身的資源限制也使得網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計及性能優(yōu)化更加復(fù)雜[10]。因此，國內(nèi)外的專家學(xué)者針對不同的實際應(yīng)用設(shè)計了很多優(yōu)化協(xié)議及方法。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制示意圖如圖1所示。對于普通情況下的WSN而言，對其進行拓撲控制的主要目的是：維護節(jié)點間可達性、減少能量損耗、增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量、降低信道間干擾以及增加空間復(fù)用率等方面。針對某些特殊的實際應(yīng)用，面對不同的網(wǎng)絡(luò)需求，拓撲控制的目的還包括維持弱移動性、降低通信延遲、優(yōu)化通信鏈路質(zhì)量等方面。由于通信節(jié)點的發(fā)射功率具有全方位擴散特性， WSN拓撲可描述為單位圓圖。由圖論的基本原理可知，經(jīng)拓撲控制調(diào)整所獲拓撲圖可以具備連通性、對稱性或弱對稱性、稀疏性、節(jié)點度受限性以及平面性等基本屬性。根據(jù)拓撲控制算法的管理方式、組成依據(jù)、應(yīng)用需求的不同，拓撲控制算法可以分為歸類方法。

根據(jù)管理方式的不同，拓撲控制算法可以分為節(jié)點功率控制和分簇拓撲控制兩種。節(jié)點功率控制機制的實現(xiàn)主要通過動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率完成，以達到維持拓撲結(jié)構(gòu)多種連通性的目的，同時盡可能避免隱藏終端和暴露終端問題。分簇拓撲控制機制通過分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成處理和分發(fā)信息的骨干網(wǎng)絡(luò)，其中非簇頭的普通節(jié)點能夠利用空閑休眠策略降低能耗。

1.2 低能耗拓撲控制策略

WSN的低能耗拓撲控制技術(shù)主要是指功率控制技術(shù)，按照網(wǎng)絡(luò)層次來劃分，控制技術(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的功率控制技術(shù)。作用于數(shù)據(jù)鏈路層的功率控制策略通過修改MAC層協(xié)議來完成，通過對數(shù)據(jù)報文的下一跳節(jié)點距離的計算和當前無線信道所處狀況等輔助信息來動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制不僅僅依靠網(wǎng)絡(luò)層和MAC層，還需要物理層、傳輸層的配合，因此， 在時機成熟的情況下可以采用跨層設(shè)計的方法。例如功率調(diào)節(jié)在影響到信息的可靠傳輸?shù)耐瑫r，可能也會對物理層和MAC層產(chǎn)生影響，層與層直接是相互關(guān)聯(lián)的；如果節(jié)點采用過大的功率進行傳輸，可能會阻塞數(shù)據(jù)的發(fā)送，降低通信效率，而擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層負責的。本文僅對鏈路層的MAC層協(xié)議較為基礎(chǔ)的低能耗功率控制進行研究分析。本文的低能耗拓撲控制策略從以下四個方面降低發(fā)射功率，以下方面可與其他方式進行融合使用。

（1）減少冗余傳輸功率：此類辦法對通信節(jié)點的硬件要求不高，通信節(jié)點可以評估當前信道狀態(tài)或利用功率狀態(tài)反饋策略在一定程度上降低節(jié)點傳輸功率的冗余量。

（2）增加信號的有效輻射覆蓋范圍：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常采用全向天線發(fā)射信號，即使在沒有傳輸任務(wù)的方向上信號也會向外輻射，在一定程度上造成了功率的浪費。而如果采用定向天線或智能控制天線，只有在有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的方向上向外輻射信號，在額定發(fā)射功率的情況下，此策略可以在一定程度上避免不必要功率的浪費和消耗。

（3）引入干擾消除技術(shù)：接收節(jié)點的信噪比是否與接收門限大小關(guān)系直接影響到通信節(jié)點間的通信質(zhì)量。信噪比是衡量信號質(zhì)量的重要指標。一般情況下，在施加了高斯白噪聲情況下，如何降低噪聲信號的比例是研究優(yōu)化的重點。現(xiàn)假設(shè)通信節(jié)點不僅可以接收節(jié)點傳輸來的信號，還能夠接收到其它節(jié)點的干擾信號，假定信道噪聲設(shè)置為高斯白噪聲，信噪比計算公式如公式（1）所示：

上式中， 定義為節(jié)點從節(jié)點處接收到的信號功率，定義為節(jié)點從其它節(jié)點處接收到的干擾功率，在節(jié)點處歸類于噪聲功率。如果減小而不變，則 信噪比SINR會明顯增大；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)射功率同時等比下降的前提下， 保持不變，信噪比性能亦會增大。在減小的前提下，若期望信噪比不增大甚至可以減小，則需要降低。

本策略在接收節(jié)點處采用干擾抵消技術(shù)降低，通常情況下，在節(jié)點處是將作為干擾信號來進行處理，干擾抵消技術(shù)在解碼時將信號同時也進行解碼，在一定程度上可以將從總干擾中部分消除，提高信噪比。

（4）干擾避免控制機制：MAC 層的功率控制的目的是在共享信道中降低信號的。維持較小信噪比的另一個重要機制是沖突避免機制。在節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息傳輸前，通過計算此刻需求，然后對潛在干擾節(jié)點發(fā)送沖突避免數(shù)據(jù)幀的廣播，潛在的干擾節(jié)點根據(jù)接收到的沖突避免數(shù)據(jù)幀廣播信息來動態(tài)調(diào)節(jié)自身的發(fā)射功率上限，進而避免沖突的發(fā)生。在使用沖突避免機制后，允許節(jié)點在以后的傳輸任務(wù)中，只有不對正在進行的傳輸構(gòu)成沖突的前提下，才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

以往 MAC 層的低功耗功率控制策略的主要目標是盡可能地使沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收任務(wù)的節(jié)點處于在睡眠狀態(tài)，目前來看，本策略研究的重點轉(zhuǎn)移到在維持網(wǎng)絡(luò)連接性的前提下如何有效地控制節(jié)點信號的功率覆蓋范圍。

2 仿真實現(xiàn)及分析

為了測試本文研究的低能耗功率拓撲控制策略，作者對模型進行了性能對比測試。

對比測試實驗在NS-2仿真軟件中完成，設(shè)置100個自組織的無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點隨機發(fā)送大小固定為20字節(jié)的數(shù)據(jù)包，發(fā)送周期是20ms，而且目的節(jié)點也是隨機的，對應(yīng)用了低能耗功率拓撲控制策略的實驗場景與為使用該策略的實驗場景進行對比分，測試結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)論

伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，其功率消耗問題必須重視，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的低功耗拓撲控制策略進行了研究，通過降低冗余發(fā)射功率、提高信號的有效輻射、采用干擾消除技術(shù)以及進行干擾避免等策略完成了系統(tǒng)的低功耗功率控制。經(jīng)過實現(xiàn)和測試，本問題出的策略具備低功耗的特性，基本可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗的設(shè)計目的。但是對于系統(tǒng)的測試研究仍有許多研究工作需要開展，例如引入跨層設(shè)計的概念，結(jié)合更加全面的應(yīng)用情況進行低功耗拓撲控制策略的設(shè)計。

參考文獻：

[1] Sohrabi K， Gao J，Ailawadhi V，et al. Protocols for self-organization of a wireless sensor network[J]. Personal Communications IEEE， 2000， 7（5）：16-27.

[2] Huang C F， Tseng Y C.The Coverage Problem in a Wireless Sensor Network [J]. Mobile Networks & Applications， 2005， 10（4）：519-528.

[3] Mao G， Fidan B， Anderson B D O. Wireless sensor network localization techniques [J].Computer Networks the International Journal of Computer & Telecommunications Networking， 2007， 51（10）：2529-2553.

[4] 李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展， 2008， 45（1）：1-15.

[5] Wang Y， Li W， Sun Y. Wireless sensor network cluster locations：A probabilistic inference approach[C]// Automation and Logistics （ICAL）， 2011 IEEE International Conference on. IEEE， 2011：76-80.

[6] Xiao J J， Luo Z Q. Universal decentralized detection in a bandwidth-constrained sensor network [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2005， 53（8）：2617-2624.

[7] Tian Q， Coyle E J. Optimal Distributed Detection in Clustered Wireless Sensor Networks [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2007， 55（7）：3892-3904.

[8] He B， Liebermann D H B， Roizman B， et al. Spatial–temporal compression and recovery in a wireless sensor network in an underground tunnel environment [J]. Journal of Virology， 2014， 41（2）：449-465.

[9] Enz C C， El-Hoiydi A， Decotignie J D， et al. WiseNET： An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution [J]. Computer， 2004， 37（8）：62-70.

[10] Raymond D， Marchany R， Brownfield M， et al. Effects of Denial-of-Sleep Attacks on Wireless Sensor Network MAC Protocols [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2009， 58（1）：367-380.