潘小紅　周澤強(qiáng)　袁嘯風(fēng)

[摘要]隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的不斷深入，通過實(shí)際傳感器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試越來越受到人們的重視。綜合大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能研究的技術(shù)文獻(xiàn)和最新研究結(jié)果，提出對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境WSN網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 性能測試 部署

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310100－02

一、引言

近年來隨著研究的深入與技術(shù)的成熟，以應(yīng)用為背景，基于WSN的試驗(yàn)越來越多地涌現(xiàn)出來，WSN正處于從研究到應(yīng)用的過渡階段。對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)性能的分析與評(píng)價(jià)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與部署的前提，對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)，獲得網(wǎng)絡(luò)性能的總體情況，可以評(píng)估，鑒定和驗(yàn)收一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)；對(duì)一個(gè)新的待建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，其方案的論證也極大地依賴于如何分析和評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的性能。

目前大多數(shù)研究都通過理論分析和計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行和測試。理論分析的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類協(xié)議的比較，但數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建由于計(jì)算復(fù)雜度過高，在應(yīng)用這些模型解決實(shí)際問題時(shí)需要做大量簡化，從而降低了理論性能分析的可信度?，F(xiàn)在雖然有很多針對(duì)WSN的仿真平臺(tái)，由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在各種不可預(yù)料的影響因素或系統(tǒng)本身的錯(cuò)誤，導(dǎo)致WSN實(shí)際部署后的行為有時(shí)會(huì)與預(yù)期行為有很大的偏差。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中對(duì)WSN定性分析還沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試。如何對(duì)面向各種應(yīng)用的多樣的WSN進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于WSN的設(shè)計(jì)與部署具有指導(dǎo)意義。

1．生命周期：對(duì)于任何WSN都是非常重要的因素。一般來說節(jié)點(diǎn)的最短壽命要比平均壽命更為重要。

2．時(shí)鐘同步：時(shí)鐘同步對(duì)于節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作非常重要。但是節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步信息的傳遞對(duì)能量和帶寬都會(huì)產(chǎn)生消耗。

3．覆蓋范圍：覆蓋更大的地理范圍會(huì)讓W(xué)SN收集的數(shù)據(jù)更加全面。WSN的多跳性，是的其覆蓋空間得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，但是也消耗了更多的能量，與生命周期這一重要指標(biāo)相背離。

4．安全性：WSN的安全性是其能夠得到廣泛應(yīng)用的重要前提。但是加解密碼會(huì)大大增加系統(tǒng)能耗并占用帶寬。

5．能量有效性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性是在有限能量條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠處理的請(qǐng)求數(shù)量總量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)。

6．網(wǎng)絡(luò)延遲：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間是指當(dāng)觀察者發(fā)出請(qǐng)求到接收到回答信息所需要的時(shí)間。影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲因素也很多。時(shí)間延遲與應(yīng)用緊密相關(guān)，直接影響到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以分為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)兩部分。目前國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評(píng)估技術(shù)沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化。研究主要針對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線通信不穩(wěn)定和資源能量有限的兩大特點(diǎn)，測試其網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)能耗等。

文獻(xiàn)[1]提出一種新的路由算法（中心矢量路由），減少了對(duì)無關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響，采用靜態(tài)區(qū)域劃分，提高了路由效率，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量。

文獻(xiàn)[2]通過NS2仿真實(shí)驗(yàn)測試，從節(jié)點(diǎn)數(shù)和發(fā)送速率變化，討論比較了其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能及能量的影響。驗(yàn)證了采用的星型結(jié)構(gòu)和信標(biāo)使能是時(shí)隙CSMA-CA機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)較高吞吐量和低丟包率的網(wǎng)絡(luò)性能。但是具體實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)還未驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[3]從無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)方面（硬件設(shè)備，應(yīng)用性能，網(wǎng)絡(luò)性能）進(jìn)行研究?？偨Y(jié)出提高應(yīng)用性能與網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[4]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能評(píng)估。從以下幾個(gè)方面探討：數(shù)據(jù)直接發(fā)送和間接發(fā)送；CSMA-CA機(jī)制；包的大小；信標(biāo)使能模式。

文獻(xiàn)[5]提出均值RSSI（接受信號(hào)強(qiáng)度顯示），均值LQI（鏈路質(zhì)量顯示）測量法，通過測量及計(jì)算RSSI，LQI的均值，可以較為準(zhǔn)確地獲得鏈路通信質(zhì)量信息。分析了均值RSSI，均值LQI隨發(fā)送功率，周圍環(huán)境變化等的測量性能，并定義了鏈路測量靈敏度，計(jì)算了均值RSSI，均值LQI的靈敏度值，對(duì)RSSI及LQI用于鏈路通信質(zhì)量測量和性能評(píng)估做了全面的權(quán)衡。

文獻(xiàn)[6]介紹了一種用于WSN測量工具SCALE，將包的發(fā)送作為性能研究的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)在三種環(huán)境下進(jìn)行，戶外棲息區(qū)，郊區(qū)，室內(nèi)。提出當(dāng)超過50%通信范圍，包的發(fā)送與距離無關(guān)。收發(fā)包變化與每條鏈路發(fā)平均接受率相關(guān)。

文獻(xiàn)[7]，[8]考慮不同環(huán)境條件下，測量了接受包，RSSI，LQI與距離，天線角度，發(fā)送功率函數(shù)關(guān)系。文中提出接受包與距離關(guān)系取決于發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都放置在地面上，他們只能在45英尺內(nèi)通信。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都抬高，通信距離可達(dá)到150英尺。

文獻(xiàn)[9]，[10]采用預(yù)先測量節(jié)點(diǎn)在不同工作狀態(tài)下的功耗，通過節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工作過程中統(tǒng)計(jì)自身處于各個(gè)狀態(tài)的時(shí)間，的出節(jié)點(diǎn)總共消耗的能量。此方法對(duì)于統(tǒng)計(jì)無線通信模塊，傳感器模塊等慢速模塊比較適用，但CPU處于忙碌狀態(tài)的時(shí)間往往很短，節(jié)點(diǎn)很難準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)自身CPU的工作時(shí)間。

文獻(xiàn)[11]提出了針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗的測試技術(shù)-eScan。eScan利用GPS等方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確定位，利用APM（高級(jí)電源管理）和ACPI（高級(jí)配置和能量借口）方法對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行測量。這種方法在保證收集信息精度的情況下，大大減少了能量信息收集過程中的通信量，降低了掃描過程中的能量損耗。但在eScan中所采用的能量測試方法（APM和ACPI）是否適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也缺乏應(yīng)用的驗(yàn)證。

三、網(wǎng)絡(luò)性能測試

無線通信容易受到天氣和外界環(huán)境等因素的干擾，變化復(fù)雜且不穩(wěn)定，不容易量化和評(píng)估。目前雖然很多通信協(xié)議的開發(fā)者都會(huì)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量進(jìn)行測試，但測試的方法和內(nèi)容往往針對(duì)與自身的協(xié)議和特定的應(yīng)用背景，不具有一般性。

針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，研究天氣，濕度，光照，高度，距離，包的大小，節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率等因素對(duì)信號(hào)強(qiáng)度RSSI，鏈路質(zhì)量LQI，收包數(shù)影響，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的選取和節(jié)點(diǎn)的部署意義巨大。

對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)指標(biāo)的選取如下：

1．Prr：包接受率是指在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)接受到的包占發(fā)包總數(shù)的百分比。

2．Rssi：接受信號(hào)強(qiáng)度顯示。

3．Lqi：鏈路質(zhì)量顯示。

實(shí)驗(yàn)基于Micaz系列WSN產(chǎn)品，使用了兼容IEEE802.15.4規(guī)范的高性能無線芯片CC2420。該芯片輸出功率可編程，可通過軟件設(shè)置8個(gè)輸出功率級(jí)。借助于編程板MIB520，通過JTAG mk-II仿真器向Mote下載程序。

實(shí)驗(yàn)中操作系統(tǒng)為TINYOS，編程語言NESC。節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率范圍為0DB到-25DB。實(shí)驗(yàn)地方在草坪和室內(nèi)和田間基站與節(jié)點(diǎn)在同一高度，改變節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，分析節(jié)點(diǎn)丟包隨距離變化。

1．改變基站與節(jié)點(diǎn)的高度。看是否對(duì)丟包有影響。

2．改變包的大小，在不同節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率下，節(jié)點(diǎn)RSSI，LQI與距離關(guān)系。

3．分析網(wǎng)絡(luò)吞吐量與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送速率關(guān)系。

四、結(jié)論

研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與部署很有意義。大部分研究都處在理論分析和仿真。對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，找出合適的指標(biāo)量化策略是關(guān)鍵的問題。使能量的消耗減少到最低程度是永恒的主題。在不同環(huán)境下，將各個(gè)因素對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能影響進(jìn)行量化是個(gè)新的課題。

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作者簡介：

潘小紅，女，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能測試。