黃長(zhǎng)斌，鄭興旺,2，高 玲，楊光松，鄭佳春

(1.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2．集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

一種集中式水下無(wú)線傳感器網(wǎng)跨層調(diào)度協(xié)議*

黃長(zhǎng)斌1，鄭興旺1,2，高 玲1，楊光松1，鄭佳春1

(1.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2．集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

分析了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中單鏈路發(fā)射功率和距離與頻率的關(guān)系，提出一種跨層的集中式調(diào)度方法，AP(access point)在網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)廣播信標(biāo)的形式收集估計(jì)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)延和距離信息，在MAC層考慮水下鏈路延遲特點(diǎn)，對(duì)各鏈路進(jìn)行調(diào)度減少?zèng)_突；節(jié)點(diǎn)在物理層通過(guò)自適應(yīng)地改變節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和發(fā)射頻率，減少能耗。仿真結(jié)果表明：所提方案在節(jié)省系統(tǒng)能量消耗的同時(shí)，能夠減少碰撞，提高系統(tǒng)吞吐量。

水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；集中調(diào)度；跨層；節(jié)能

0 引 言

水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater wireless sensor networks,UWSNs)[1]由大量廉價(jià)的、低數(shù)據(jù)率傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)地分布在感興趣的區(qū)域，用來(lái)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，然后傳送給接收者。由于UWSNs應(yīng)用的特殊性，使節(jié)點(diǎn)能量更換變得非常困難，因此,能耗問(wèn)題一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗主要包括信息傳輸和數(shù)據(jù)處理，能耗與諸多因素相關(guān)，涉及通信協(xié)議設(shè)計(jì)的各個(gè)協(xié)議層。在物理層，需要增加發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行信息傳輸，以克服信道衰落、滿足通信的信噪比；在介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層休眠機(jī)制和減少?zèng)_突也是提高能量效率的有效方法;在網(wǎng)絡(luò)層，可以查找能量最優(yōu)的路由來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的[2]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要通過(guò)改變單個(gè)協(xié)議層設(shè)計(jì)來(lái)減少系統(tǒng)的能耗問(wèn)題。近年來(lái)，研究人員逐漸關(guān)注用跨層的方法來(lái)解決傳感網(wǎng)能耗問(wèn)題[3,4]。

在無(wú)線通信MAC協(xié)議中，可采用固定分配的方式，也可以采用相互競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入的方式。Aloha是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)典的MAC協(xié)議，適用于低速率的稀疏網(wǎng)絡(luò)。在水下網(wǎng)絡(luò)中，由于高延遲和時(shí)變、多徑的信道影響，采用同步技術(shù)非常困難。文獻(xiàn)[2]基于 Aloha原理，使用最簡(jiǎn)單的增加保護(hù)周期的方法鏈路信息來(lái)進(jìn)行隨機(jī)退避，以減少?zèng)_突，避免隨機(jī)數(shù)據(jù)突發(fā)，僅從MAC層的角度，而沒(méi)有考慮物理層的功率控制。文獻(xiàn)[5]提出了基于載波偵聽(tīng)多址(CSMA)的功率控制方法，采用了跨層的思想，但沒(méi)有考慮水聲鏈路的延遲因素。

本文主要針對(duì)UWSNs星形應(yīng)用場(chǎng)景中，綜合考慮MAC因素和物理層功率、頻率、延遲參數(shù)，提出了一種新的跨層方案，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

1 UWSNs中功耗分析

1.1 UWSNs中單鏈路的功率消耗

對(duì)于水下信道的一條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，可以用被動(dòng)聲納方程來(lái)描述每一個(gè)水下發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)的信噪比[6]

SNR=SL-TL-NL+DI.

(1)

其中，SL為聲源級(jí)，TL為傳輸損耗，NL為噪聲級(jí)，DI為指向性指數(shù)；所有工程量的單位為dB，如果使用全向性水聽(tīng)器，可以將DI設(shè)為0。

一個(gè)頻率為f(kHz)的信號(hào)傳輸dm后，其傳輸損耗TL可以表示為

TL=10lgd+α(f)d×10-3.

(2)

其中，吸收系數(shù)α(f)可以利用索普方程得出(單位為dB/km)

(3)

一般情況，噪聲級(jí)包括4個(gè)來(lái)源：湍流、航運(yùn)、波浪、熱噪聲，為了簡(jiǎn)化分析，可以用下式近似表示

NL=50-18lgf.

(4)

因此，根據(jù)式(1)～式(4)，得到

SL=50+SNR+10lgd+α(f)d×10-3-18lgf.

(5)

式(5)即為得到的單鏈路中的聲源級(jí)，它直接影響著節(jié)點(diǎn)的傳送功率。

1.2 功耗最優(yōu)頻率

從第1.1節(jié)的分析得知，SL直接影響節(jié)點(diǎn)的傳送功率，而SL與頻率和節(jié)點(diǎn)之間的距離有關(guān)，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)之間的距離，可以得到不同距離時(shí)頻率和源級(jí)的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同通信距離時(shí)頻率和源級(jí)的關(guān)系Fig 1 Relationship between frequency and source level with different communication distance

為了節(jié)省能量，可以通過(guò)以下過(guò)程獲得SL的最小值，首先將SL對(duì)f進(jìn)行求導(dǎo)得

d(SL)/df=[2.2×10-4/(1+f2)2+360.8/(4100+f2)2+5.5×10-7]fd-18/fln10.

(6)

在UWSNs中，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離d一般在0.1～100 km之間，因此，顯而易見(jiàn)

(7)

這意味著當(dāng)d為0.1～100 km時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的頻率，使dSL/df=0,此時(shí)使節(jié)點(diǎn)的傳送功率最小。根據(jù)式(1)～式(5)，可以得到，當(dāng)要求的信噪比為20 dB時(shí)，距離、頻率和聲源功率的關(guān)系，如圖2。圖中可見(jiàn)，對(duì)于不同的距離，可以有相應(yīng)的頻率使消耗的功率最小。

圖2 不同頻率時(shí)通信距離與源級(jí)的關(guān)系Fig 2 Relationship between communication distance and source level with different frequency

2 UWSNs跨層的中心調(diào)度方案

根據(jù)UWSNs的應(yīng)用場(chǎng)景可分為集中式和分布式[7]，在如圖3所示的集中式場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)以星形方式圍繞一個(gè)中心站接入點(diǎn)AP，傳感節(jié)點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)后，發(fā)送到AP節(jié)點(diǎn)。如果需要擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，則可以用分簇的方式進(jìn)行拓展連接。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig 3 Network topology

根據(jù)第1節(jié)的分析得知，在水聲信道中，節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗主要由節(jié)點(diǎn)之間的距離和頻率決定，在單鏈路中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離確定時(shí)，都會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)的發(fā)射頻率，使系統(tǒng)消耗的能量最小。利用這個(gè)思路，設(shè)計(jì)了集中式跨層調(diào)度方案。在物理層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離，利用式(6)選擇最優(yōu)的功率和頻率，在MAC層，通過(guò)信標(biāo)信號(hào)控制傳送速率，減少?zèng)_突，達(dá)到節(jié)能的目的。其工作過(guò)程如下：

1)初始化階段

本階段主要實(shí)現(xiàn)延遲估計(jì)和距離估計(jì)，操作過(guò)程為:

(1)延遲估計(jì)

AP采用輪洵點(diǎn)名的方式，用最大功率Ptmax廣播一個(gè)信標(biāo)(Beacon)消息，其中包含了傳感節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)。收到這個(gè)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)比自己的ID號(hào)與點(diǎn)名ID號(hào)，如果相同，則發(fā)回一個(gè)確認(rèn)(ACK)信息。當(dāng)AP收到此ACK信號(hào)后，通過(guò)傳播的時(shí)間差，可以獲得傳播延時(shí)tp的估算值[8]，如圖4所示。

圖4 延遲估計(jì)方法Fig 4 Method of delay estimation

(2)距離估計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自AP的Beacon信息后，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)獲得傳送功率級(jí)Pr，從而根據(jù)Ploss=PAP-sent-Pr計(jì)算路徑損耗。又因?yàn)榫嚯xd=g(Ploss,f)，所以,可以估計(jì)二者的距離和最佳通信門(mén)限值Rthreshold，然后根據(jù)Popt=PtmaxRthreshold/Pr決定到鄰居節(jié)點(diǎn)成功通信的最佳功率，為功率控制提供準(zhǔn)備。

2)通信階段

2個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳送功率受空時(shí)因素影響，空間因素包括節(jié)點(diǎn)間距離，時(shí)間因素包括由于外圍環(huán)境變化導(dǎo)致的延遲。 固定功率方案會(huì)導(dǎo)致性能惡化或者不必要的功率浪費(fèi)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要根據(jù)外部的空間因素來(lái)調(diào)整功率，根據(jù)時(shí)間因素來(lái)調(diào)整延遲。

(1)功率與頻率控制

根據(jù)第1節(jié)的分析得知，每個(gè)鏈路都存在一個(gè)最優(yōu)頻率fopt(d)使系統(tǒng)傳送功率最小，因此，根據(jù)這個(gè)原理，每條鏈路可以根據(jù)初始化階段獲得的距離和延遲估算值，采用fopt(d)和Popt(d)控制自己到AP信道的功率和頻率，從而使鏈路能耗達(dá)到最優(yōu)，使系統(tǒng)消耗的總能量最小。

(2)鏈路調(diào)度

水下環(huán)境中，于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的傳播延遲較長(zhǎng)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)到AP的端到端延遲也不相同，所以，為了避免沖突，通過(guò)合理調(diào)度，可以在時(shí)間上充分利用系統(tǒng)資源。以圖5所示的兩節(jié)點(diǎn)情況為例，當(dāng)AP廣播一個(gè)調(diào)度包時(shí)，其到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，B的延遲分別為tA和tB，由到這個(gè)調(diào)度包后，只要滿足2tB>2tA+TdataA，則當(dāng)節(jié)點(diǎn)A，B同時(shí)向AP發(fā)送信號(hào)時(shí)，信號(hào)到達(dá)AP而不會(huì)發(fā)生沖突。根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度Ddata來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)傳送時(shí)間Tdata=Ddata/Rate，Ddata為分組長(zhǎng)度，Rate為發(fā)送速率。

圖5 鏈路調(diào)度過(guò)程Fig 5 Process of link scheduling

如果定義：delayj為AP到節(jié)點(diǎn)j的端到端延遲，Tdataj為節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間，N為總節(jié)點(diǎn)數(shù)，Si為第i個(gè)調(diào)度分組，其中包含了可以同時(shí)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)號(hào)ID的集合Vi：號(hào)，Gi為第i個(gè)保護(hù)時(shí)隙，SIi=delayi+Gi+Si+Tdatai,具體調(diào)度算法如下：

Input:delayj,Tdataj,j∈N

Output:Si,IDi∈Vi

Begin

SortSIjj∈NtoSIii∈Nin ascending order

fori=1 toN

{if 2delayi+1>2delayi+TdataiIDi∈Vi

Elsei=i++}

end

3 仿真與性能評(píng)估

圖6 吞吐量性能比較Fig 6 Comparison of throughput performance

圖6可見(jiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，CSMA與Aloha協(xié)議的吞吐量趨于減小，而所提協(xié)議吞吐量性能得到提高。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)度，充分利用了水下信道的延遲特性，并且避免了沖突。當(dāng)信道帶寬不能夠滿足需求時(shí)，才呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖7表示的是能耗比較圖，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，CSMA與Aloha協(xié)議的能耗逐漸增加，這是因?yàn)闆_突增加，重發(fā)增加的緣故。而本文方案由于避免了沖突、并且節(jié)點(diǎn)選擇能量最優(yōu)的頻率和功率進(jìn)行數(shù)值傳送，能耗性能得到進(jìn)一步的提高。

圖7 能耗性能比較Fig 7 Comparison of energy consumption performance

4 結(jié) 論

本文提出一種UWSNs集中式跨層調(diào)度方案，綜合考慮物理層和MAC層因素減少能耗，提高吞吐量。在物理層通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和頻率，從而使系統(tǒng)的能耗達(dá)到最小。在MAC層，考慮水下信道的傳播延遲進(jìn)行合理調(diào)度，充分利用水聲通信長(zhǎng)傳播延遲的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)合理無(wú)沖突的通信，增大了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

本文方案實(shí)施簡(jiǎn)單，不需要在節(jié)點(diǎn)間實(shí)施同步，對(duì)UWSNs的實(shí)用有一定的參考價(jià)值。

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A centralized cross-layer scheduling protocol in UWSNs*

HUANG Chang-bin1, ZHENG Xing-wang1,2, GAO Ling1, YANG Guang-song1, ZHENG Jia-chun1

(1.School of Information Engineering, Jimei University,Xiamen 361021,China;2.School of Chengyi,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Relationships between distance, transmit power and frequency of single link in underwater wireless sensor networks(UWSNs)are analyzed,a centralized scheduling method based on cross-layer is proposed,access point(AP)through broadcasting beacon collect and estimate information of delay and distance of each node,in MAC layer,AP schedules every link by considering delay features of underwater link to avoid collision;in physics layer,transmitting power and frequency of nodes are changed adaptively to decrease energy consumption.Simulation results show that the proposed scheme can decrease collision and improve throughput as well as save energy consumption.

underwater wireless sensor networks(UWSNs); centralized scheduling; cross-layer; energy-saving

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0121—04

2014—02—26

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01203，2011J01356)；廈門(mén)市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201309250006)

TP 393; TP 311.56

A

1000—9787(2014)10—0121—04

黃長(zhǎng)斌(1969-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。