陳立建,周 雪,雷艷靜,竺超明,毛科技

(1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院,杭州 311201;2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,杭州 310032)

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一種基于功率控制的WSN自適應(yīng)能量高效傳輸模式研究*

陳立建1*,周 雪1,雷艷靜2,竺超明1,毛科技2

(1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院,杭州 311201;2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,杭州 310032)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗決定了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。本文提出了一種基于功率控制WSN自適應(yīng)能量高效傳輸模式。分析了在功率控制方案中傳輸功率損耗與溫度之間的關(guān)系。使用開環(huán)控制去補(bǔ)償由于溫度引起的鏈路質(zhì)量的變化。通過結(jié)合開環(huán)溫度感知的補(bǔ)償與閉環(huán)反饋控制,可以在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中顯著降低傳輸功率控制的開銷。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的在單一地域最大化增強(qiáng)發(fā)送功率來補(bǔ)償溫度的變化相比,該方案能夠有效地適應(yīng)傳輸鏈路質(zhì)量的變化,并且有較少的控制報(bào)文開銷。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);鏈路質(zhì)量;功率級(jí)別;傳輸功率損耗

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于其能量由電池提供并且難以得到補(bǔ)充,所以能量的高效利用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究重點(diǎn)[1]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)廣泛分布在不同的環(huán)境中以收集數(shù)據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)的能量有限,通信通常采用低功率射頻信號(hào),通信鏈路的質(zhì)量會(huì)因環(huán)境的變化而受到顯著的影響[2-3]。

本文提出了一種基于功率控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能量高效傳輸模式EATP(An Energy-Efficient Adaptive Scheme for Transmission in WSN Based Power Control),有效地補(bǔ)償由于溫度引起的鏈路質(zhì)量的變化,在滿足傳感器節(jié)點(diǎn)間連通度的同時(shí)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。該模式采用了開環(huán)和閉環(huán)反饋控制,根據(jù)每個(gè)區(qū)域的發(fā)射器功率損耗門限值將網(wǎng)絡(luò)分成3個(gè)區(qū)域,在開環(huán)的過程中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用溫度傳感器來評(píng)估鏈路質(zhì)量。若鏈路質(zhì)量較差,在使用閉環(huán)反饋過程來進(jìn)行有效的補(bǔ)償。在閉環(huán)反饋的過程中,發(fā)射器將獲得更適合的功率控制,和現(xiàn)有的傳輸功率控制方案相比,所需的能耗更少。

為了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通過無線信道有效地傳輸數(shù)據(jù),在現(xiàn)有的方案中,設(shè)定了一些最小發(fā)射功率來保證傳輸?shù)目煽啃浴＿@些方案可以減少傳感器節(jié)點(diǎn)間的干擾,但卻增加了不必要的能源消耗。通過調(diào)整發(fā)送功率級(jí)別,參考節(jié)點(diǎn)周期性地廣播信標(biāo)消息,當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息,節(jié)點(diǎn)就發(fā)回一個(gè)確認(rèn)信息。通過這種互動(dòng),參考節(jié)點(diǎn)可以估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的連接情況。

在局部均值算法中,參考節(jié)點(diǎn)廣播生命周期信息,節(jié)點(diǎn)收到后將確認(rèn)信息發(fā)送給參考節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)將計(jì)算收到的確認(rèn)信息的數(shù)量以及發(fā)送功率來保持適當(dāng)?shù)倪B接。例如,如果應(yīng)答信息的數(shù)量小于節(jié)點(diǎn)最小門限值,發(fā)送功率則會(huì)增加;相反地,如果應(yīng)答信息的數(shù)量大于節(jié)點(diǎn)最大門限值,發(fā)送功率則會(huì)減少。這樣就可以有效的延遲連通度較好網(wǎng)絡(luò)的壽命。然而,局部均值算法只能保證節(jié)點(diǎn)之間的連通度,不能評(píng)估鏈路的質(zhì)量[4]。

文獻(xiàn)[5]通過建立基于最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)的功率調(diào)度表,提高信道利用率,減少通信能耗。文獻(xiàn)[6]分析節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率變化下的鏈路流量平衡約束,鏈路最大傳輸速率約束,節(jié)點(diǎn)能耗約束等條件,建立最大化生存時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)模型,并采用分布式功率迭代和次梯度算法求解該模型。文獻(xiàn)[7]提出的自適應(yīng)功率控制策略是只需要局部信息的分布式算法,通過調(diào)整路徑損耗指數(shù)和功率控制參數(shù)可以獲得性能極佳的目標(biāo)拓?fù)?。文獻(xiàn)[8]根據(jù)節(jié)點(diǎn)接收閾值,計(jì)算出節(jié)點(diǎn)發(fā)送最優(yōu)功率,在根本上減小發(fā)送功率從而節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量。

自適應(yīng)傳輸功率控制將根據(jù)空間和時(shí)間的影響動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射功率。若采用閉環(huán)反饋試圖去適應(yīng)由時(shí)間而引起的鏈路質(zhì)量的變化,在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可擴(kuò)展性很差,因?yàn)檎{(diào)整傳輸?shù)拿總€(gè)環(huán)節(jié)將會(huì)帶來很大的開銷[9]。現(xiàn)有的方法是通過周期性地廣播信標(biāo)消息來估算各種鏈路質(zhì)量指標(biāo)。另外,反饋過程被重復(fù)用于自適應(yīng)地控制發(fā)送功率。為使鏈路質(zhì)量適應(yīng)環(huán)境變化,在受到溫度變化的鏈路中,傳輸功率的數(shù)據(jù)包開銷應(yīng)該被最小化。在減少控制報(bào)文的數(shù)量的同時(shí)保持可靠性,這是一個(gè)重要的技術(shù)問題[10]。

1 基于功率控制自適應(yīng)能量高效傳輸模式

本文提出了高效傳輸模式能在溫度變化的無線環(huán)境中維持鏈路質(zhì)量。其用到的開環(huán)過程是基于感知到的溫度信息。閉環(huán)反饋過程是基于進(jìn)一步精確調(diào)整發(fā)射功率的控制報(bào)文。通過調(diào)整開環(huán)、閉環(huán)反饋過程,將網(wǎng)絡(luò)分成3個(gè)區(qū)域,A,B,C分別表示高損耗門限值、中損耗門限值、低損耗門限值。

自適應(yīng)能量高效傳輸模式可以分配最低可達(dá)傳輸功率給每個(gè)鏈路。在初始階段,參考節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)模型。在運(yùn)行階段,根據(jù)之前的模型,該模式根據(jù)鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)地來維護(hù)每條鏈路。在相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中,控制開銷只會(huì)發(fā)生在測(cè)量鏈路質(zhì)量的初始階段。但在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中,由于鏈路質(zhì)量的不斷變化,將導(dǎo)致嚴(yán)重的開銷。

本文的傳輸模式方案如圖1所示,應(yīng)答信息(ACK)可估計(jì)連接但無法確定鏈路質(zhì)量,數(shù)據(jù)包接收率(PRR)可精確地估計(jì)連接但會(huì)導(dǎo)致較大開銷[10]。在本模式中,利用功率損耗來確定連接,它可以測(cè)試連通性并產(chǎn)生相對(duì)較小的開銷。功率控制器利用現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的溫度來調(diào)整發(fā)射功率級(jí)別。功率控制器的運(yùn)行不僅僅是根據(jù)所需節(jié)點(diǎn)數(shù)與現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)數(shù)的比較結(jié)果,而且更要用到基于溫度的功率補(bǔ)償,所以可以快速達(dá)到所需的發(fā)射功率。溫度的補(bǔ)償是基于溫度與發(fā)射功率損耗之間關(guān)系的基礎(chǔ)上的。維持在低功耗網(wǎng)絡(luò)上的連通性是通過減小邏輯劃分的節(jié)點(diǎn)間的反饋過程實(shí)現(xiàn)的。

圖1 傳輸模式方案圖

溫度變化引起的發(fā)射能量損耗的制定是根據(jù)發(fā)射功率損耗與班尼斯特等人的溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系。溫度引起的功率損耗的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示[11]:

RSSIloss=0.199 6(T-25)

(1)

式中T為溫度值,單位為℃。

為了補(bǔ)償由式(1)估算的功率損耗,需要控制相應(yīng)無線發(fā)射器的發(fā)射功率。式(2)用最小二乘法表示所需要的發(fā)射功率和功率損耗之間的關(guān)系。

Plevel=[(RSSIloss+40)/12]2.91

(2)

通過式(1)和式(2)可以獲得適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率來補(bǔ)償由于溫度變化引起的功率損耗。為了彌補(bǔ)WSN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑損耗,利用自由空間模型有助于估算實(shí)際所需的發(fā)射功率。由于溫度變化在式(3)中增加了額外的功率損耗,估算節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際所需的發(fā)射功率。對(duì)于自由空間路徑損失模型,需要在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中知道節(jié)點(diǎn)的數(shù)目(N)及節(jié)點(diǎn)之間的距離(d),(Eb/No)取決于信噪比(SNR),頻譜效率(η),頻率(f)以及接收機(jī)噪聲系數(shù)(RNF)。

Pt=[η·(Eb/No)·mkTB·(4πd/λ)2+RNF]+RSSIloss

(3)

本模式中所需要的參數(shù)有:

(1)每個(gè)區(qū)域的發(fā)射功率損耗RSSIloss

(2)每個(gè)區(qū)域的期望節(jié)點(diǎn)數(shù)nd(t)=nc(t)-5

(3)每個(gè)區(qū)域的發(fā)射功率級(jí)別Plevel。

發(fā)射功率損耗是維持鏈路質(zhì)量的最小值。參考節(jié)點(diǎn)周期性地廣播消息并等待回復(fù)。一旦收到回復(fù)信息后,根據(jù)估算功率損耗值來劃分網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。功率損耗高的節(jié)點(diǎn)將劃分到區(qū)域A,中等損耗的劃分到區(qū)域B,低損耗的到區(qū)域C。如果功率損耗值超過了門限值并且現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于期望節(jié)點(diǎn)數(shù),將適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率級(jí)別門限值,相反,將默認(rèn)使用相同的發(fā)射功率級(jí)別。圖2是基于功率控制的自適應(yīng)能量高效傳輸模式的算法流程圖。節(jié)點(diǎn)通過本地安裝的傳感器檢測(cè)溫度的變化。如果有任何溫度變化,將根據(jù)式(1)和(2)執(zhí)行補(bǔ)償處理。節(jié)點(diǎn)發(fā)送的回復(fù)信息中包括由于溫度變化而計(jì)算得到的新發(fā)射功率級(jí)別。利用這種感知溫度的補(bǔ)償方案,可以減少傳統(tǒng)由于環(huán)境溫度變化引起的系統(tǒng)開銷。算法的參數(shù)如下如表1所示,算法的步驟如圖3所示。

圖2 算法流程圖

表1 算法參數(shù)含義

圖3 算法的具體步驟

2 實(shí)驗(yàn)仿真

本文的算法在MATLAB下進(jìn)行仿真,仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下:將100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的布置在100 m×100 m的正方形區(qū)域內(nèi),將此區(qū)域分成A,B,C,節(jié)點(diǎn)之間的距離為1 m～100 m,輪數(shù)為1 200次,模擬溫度從零下10 ℃到50 ℃之間,區(qū)域η為0.002 9,SNR為0.20 dB,帶寬83.5 MHz,頻率2.45 GHz,RNF為5 dB,T為300 K,Eb/No為8.3 dB。參考節(jié)點(diǎn)安置在區(qū)域的邊緣處。溫度引起的功率損耗的公式可以表示為:

RSSIloss(i)=0.199 6(Ti-25)

功率級(jí)別和傳輸功率損耗值之間的關(guān)系可以用最小二乘法[11]近似:

Plevel(i)=[(RSSIloss(i)+40)/12]2.91

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗的最大值、最小值和平均值可以用如下定義:

RSSIloss(min)=min(RSSIloss(i))
RSSIloss(max)=max(RSSIloss(i))
RSSIloss(avg)=[min(RSSIloss(i))+
max(RSSIloss(i))]/2

在找到傳輸功率損耗最大最小值之后,將區(qū)域分成3個(gè)部分,定義傳輸功率損耗的上下限并設(shè)置計(jì)數(shù)器來計(jì)算每個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。假設(shè)起初將計(jì)數(shù)器設(shè)置為零,來定義上下限并檢測(cè)結(jié)果,滿足如下情況的節(jié)點(diǎn)將被安置在區(qū)域A:

RSSIloss(Amax)=max(RSSIloss(i))

RSSIloss(Amin)=RSSIloss(avg)+2

count=0

countA=count+1

對(duì)于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Amax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Amin)

類似地,定義區(qū)域B和C的上下邊界并用下面的式子對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查:

RSSIloss(Bmax)=RSSIloss(avg)+2

RSSIloss(Bmin)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countB=count+1

對(duì)于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Bmax)

并且

RSSIloss(i)>RSSIloss(Bmin)

RSSIloss(Cmin)=min(RSSIloss(i))

RSSIloss(Cmax)=RSSIloss(avg)-2

count=0

countC=count+1

對(duì)于?i∈N

RSSIloss(i)≤RSSIloss(Cmax)

并且

RSSIloss(i)≥RSSIloss(Cmin)

要應(yīng)用本文提出的傳輸模式,需要為每個(gè)區(qū)域定義傳輸功率損耗門限值來使得節(jié)點(diǎn)間通信變得高效節(jié)能。每個(gè)區(qū)域的傳輸功率損耗門限值取決于特定區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗以及該區(qū)域節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。傳輸功率損耗門限值定義為:

這里PRRA、PRRB、PRRC分別是區(qū)域A、B、C的數(shù)據(jù)包接收率。基于給定方案中每個(gè)區(qū)域的RSSIloss,其中RSSIloss門限值以及nc(t)表示為:

對(duì)于?i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≥nd(t)(A,B,C)

對(duì)于?i∈N

RSSIloss(ThresholdA,B,C)≤RSSIloss(A,B,C)(i)

并且

nc(t)(A,B,C)≤nd(t)(A,B,C)

或者

RSSIloss(ThresholdA,B,C)>RSSIloss(A,B,C)(i)

對(duì)于新的RSSIloss的Plevel定義為:

Psave被定義為擬定方案實(shí)施前后Plevel的差值:

網(wǎng)絡(luò)生命周期可以通過最大化Psave得到延長(zhǎng)。擬定方案的目的是在保持鏈路可靠性的同時(shí)盡可能低減小能量消耗。Psave目標(biāo)函數(shù)的定義如下:

這里countAT和countBT是每個(gè)區(qū)域中門限值以上和門限值以下的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

3 仿真結(jié)果分析

在本節(jié)中,我們描述了所提出的高效節(jié)能技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果。圖4中,顯示的是一輪中每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到的溫度值。根據(jù)實(shí)際情況,每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到的溫度值有助于估計(jì)傳輸功率損耗值。圖5利用班尼斯特等人實(shí)驗(yàn)中傳輸功率損耗與溫度的關(guān)系,計(jì)算出傳輸功率損耗隨溫度變化的值。高傳輸功率損耗值表明區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的溫度比較高所以鏈路質(zhì)量不太好。溫度在-10 ℃至+50 ℃之間,傳輸功率損耗值分布在-6 dBm～5 dBm之間。

從圖5中可以看出,鏈路質(zhì)量與傳輸功率損耗值成反比。當(dāng)溫度高傳輸功率損耗值的值也隨之增高,表明鏈路質(zhì)量比較差,反之亦然。在估算了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗值,計(jì)算相應(yīng)的發(fā)射功率來補(bǔ)償傳輸功率損耗值。圖6顯示了對(duì)于給定的傳輸功率損耗值,功率級(jí)別在y軸上分布在20～47之間,節(jié)點(diǎn)隨著溫度的變化對(duì)功率級(jí)別的要求成正比,溫度低則需要的功率級(jí)別也比較低,溫度高則需要更高的功率級(jí)別。相關(guān)的參數(shù)估計(jì)見表2。

鼻內(nèi)鏡下嚴(yán)重外傷性歪鼻畸形肋軟骨整形及同期鼻中隔偏曲矯正一例（何川 秦喜昕 吳曉平 楊俊慧）5∶389

表2 參數(shù)估計(jì)

圖4 節(jié)點(diǎn)感測(cè)到的溫度值

圖5 估計(jì)的節(jié)點(diǎn)傳輸功率損耗

圖6 節(jié)點(diǎn)所需功率級(jí)別

由于之前在給定溫度的基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)做了傳輸功率損耗值估計(jì),這就有助于估算所需的功率級(jí)別來對(duì)傳輸功率損耗進(jìn)行補(bǔ)償。功率級(jí)別只是有助于補(bǔ)償由溫度變化引起的傳輸功率損耗。為了補(bǔ)償無線傳感網(wǎng)絡(luò)中由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離產(chǎn)生的路徑損耗,使用自由空間模型來幫助估計(jì)實(shí)際所需的發(fā)射功率。在由于溫度變化以及距離而需要額外的功率級(jí)別后,估算了每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際所需的傳輸功率。圖7顯示了在溫度變化的情況以及不同節(jié)點(diǎn)的自由空間路徑損耗引起的傳輸功率損耗的情況下所需的傳輸功率。從圖中可以清楚地看到,傳輸功率分布在-175 dBm～-90 dBm之間,大多數(shù)時(shí)間都超過了-120 dBm。

圖7 傳輸功率

在估算每個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗值后,從圖7中可以看到每個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)所需的功率級(jí)別。在區(qū)域A中,功率級(jí)別分布在(40～45),區(qū)域B中則是(30～35),區(qū)域C中為(20～25)。也就是說區(qū)域A中所需的功率級(jí)別要高于其他兩個(gè)區(qū)域,同時(shí)區(qū)域A中的溫度以及功率損耗也比較高。區(qū)域B中的功率級(jí)別介于A、C之間,而C所需的功率級(jí)別則是最小的。從圖8中的區(qū)域指定是使用了經(jīng)典的方法。接下來比較我們的傳輸模式指定每個(gè)區(qū)域所需要的功率。我們可以從圖9中很清楚地看到不同,每個(gè)區(qū)域的功率級(jí)別都降低了,其中A區(qū)域的功率級(jí)別減少得最多。圖10顯示了在使用所提模式后每個(gè)區(qū)域所需的Psave情況。區(qū)域A中Psave最高達(dá)到了2.3,B是1.7,C是1.5。

圖8 使用經(jīng)典方法的區(qū)域(A,B,C)的功率級(jí)別

圖9 使用EATP方案的(A,B,C)的發(fā)射功率級(jí)別

圖10 區(qū)域A、B、C中節(jié)省的發(fā)射功率級(jí)別

圖11中的介紹了區(qū)域A,B,C中參考節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性對(duì)Psave的影響。參考節(jié)點(diǎn)沿著方形區(qū)域的邊界移動(dòng),區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)則是靜止的。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)處在方形區(qū)域的中心位置(50,50),其周圍的節(jié)點(diǎn)數(shù)將會(huì)最多,從而功率損耗值將大于門限值,所以我們需要減小功率級(jí)別來滿足其門限值的要求,使得能量節(jié)約Psave最大化。我們可以清楚地看到在中心位置,最大化Psave在12 dBm到20 dBm之間。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)從區(qū)域中心移動(dòng)到角落(0,0),Psave基本保持在1 dBm很小的變化內(nèi),實(shí)際上參考節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)擁有相同的功率損耗以及相同的溫度,所以它們需要在門限值附近有相似的功率級(jí)別。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)從(0,0)移動(dòng)到(0,100),Psave的波動(dòng)在-5 dBm～6 dBm。我們觀察到Psave在兩個(gè)時(shí)刻取到最大值,因?yàn)槟切┰趨⒖脊?jié)點(diǎn)附近需要增加功率級(jí)別來滿足門限值的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到最小。

圖11 不同參考節(jié)點(diǎn)位置在區(qū)域A,B,C發(fā)射功率節(jié)省值

參考節(jié)點(diǎn)從(0,100)移動(dòng)到(100,100)將導(dǎo)致Psave降低-4 dBm～12 dBm,只有一個(gè)時(shí)刻達(dá)到Psave最大值。類似的,當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)從(100,100)移動(dòng)到(100,0),Psave限制在-4 dBm～7 dBm之間并且只有在一個(gè)時(shí)刻達(dá)到最大值。從圖中可以看出,區(qū)域A中處于中心位置的參考節(jié)點(diǎn)將使得Psave最大化并且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。我們也可以看到不同時(shí)間的參考節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)的Psave的變化,如果節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗值比門限值要小,那么將會(huì)增加功率級(jí)別來降低節(jié)約的功率Psave,相反地,如果節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗值比門限值大,將增加降低功率級(jí)別來增加節(jié)約的功率Psave。圖中也可以看出Psave的最大最小峰值也在相同的時(shí)間出現(xiàn)。

類似的,可以在區(qū)域B,C使用相同的參考節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型來觀察Psave的變化。從圖中可以看出B區(qū)域中,參考節(jié)點(diǎn)在中心(50,50)時(shí),Psave處在14 dBm～20 dBm,當(dāng)移動(dòng)至(0,0)時(shí),Psave保持0 dBm～1 dBm的變化范圍。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)從(0,0)移動(dòng)到一個(gè)邊角(0,100)時(shí),Psave在0 dBm～4 dBm之間波動(dòng)。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)從(0,100)移動(dòng)到(100,100)時(shí),Psave在-1 dBm～5 dBm之間。移動(dòng)從(100,100)到(100,0)時(shí),Psave在-4 dBm～5 dBm。從圖中可以看出C區(qū)域中,參考節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性對(duì)節(jié)省功率Psave的影響。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)在中心(50,50)時(shí),Psave在8 dBm～50 dBm之間波動(dòng)。參考節(jié)點(diǎn)從中心移動(dòng)到邊緣(0,0)使得Psave在0 dBm左右。從(0,0)移動(dòng)到(0,100)Psave在-5 dBm～12 dBm。相似地,(0,100)到(100,100)Psave維持在-10 dBm～18 dBm。最終當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)位置從(100,100)到(100,0)Psave達(dá)到了最大值60 dBm,這表明在這一時(shí)刻參考節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)的傳輸功率損耗比其門限值高。該圖同樣說明了參考節(jié)點(diǎn)在中心位置時(shí)平均Psave最大。與區(qū)域B相比,在這個(gè)區(qū)域存在最大最小峰值,因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)擁有比門限值更大的傳輸功率損耗值。

4 總結(jié)

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陳立建(1973-),男,漢族,浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò),xschlj@163.com;

周雪(1982-),女,漢族,浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò),zx2092@163.com。

AnEnergy-EfficientAdaptiveSchemeforTransmissioninWSNBasedPowerControl*

CHENLijian1*,ZHOUXue1,LEIYanjing2,ZHUChaoming1,MAOKeji2

(1.College of Xiaoshan,Zhejiang Radio and Television University,Hangzhou 311201,China;2.Department of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)

The energy consumption of wireless sensor networks determines the lifetime of the network.This paper proposed an energy-efficient adaptive scheme for transmission in WSN based power control.After analyzing the relationship between the transmission power loss and the temperature with the scheme,the paper used the open loop control to compensate due to the change of temperature caused by the link quality.Through a combination of open loop temperature compensation and closed loop feedback control of perception,the scheme can significantly reduce the transmission power control in wireless sensor network overhead.Simulation results showed that propose scheme effectively adapts transmission Power level to changing link quality with less control packets overhead and energy consumption as compared to classical approach with single region in which maximum transmitter Power level assigned to compensate temperature variation.

WSN;Link quality;Power level;RSSIloss

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61379023,61302129);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ12F02015);浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201328294);浙江省可視媒體智能處理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2013011,2013051,2013082)

2013-12-25修改日期:2014-05-29

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.023

TP393

:A

:1004-1699(2014)06-0835-07