任　杰，梁　爽

(四川工程職業(yè)技術學院 計算機科學技術系,四川 德陽 618000)

船舶實時數據系統(tǒng)的無線傳感器網絡能耗最優(yōu)化研究

任杰，梁爽

(四川工程職業(yè)技術學院 計算機科學技術系,四川 德陽 618000)

摘要：船舶實時數據系統(tǒng)是以船域網為基礎的數據傳輸網絡，對于監(jiān)測船舶的航行狀態(tài)、保障船舶的航行安全有著極其重要的作用。無線傳感器網絡是該系統(tǒng)的重要組成部分，因而如何實現海上無線傳感器網絡的能量消耗最優(yōu)化，也是實現該系統(tǒng)的關鍵之一。本文研究的主要內容是：在滿足實時通信時延要求的前提下，如何計算出每個傳感器節(jié)點所需要的最小傳輸功率，并提出一種基于單跳的傳輸估計方法，通過該方法能夠有效計算出所需的最小功率，仿真證明該方法的可行性。

關鍵詞：實時數據系統(tǒng)；無線傳感器網絡；能量消耗

0引言

近年來頻繁發(fā)生的船舶航行事故，引起了眾多國家、企業(yè)和機構的注意。如何實現船舶導航、控制等功能的智能化，減小安全事故發(fā)生的概率，成為了學術界研究的熱點。船域網(Ship Area Network，SAN)是一種包含了無線局域網、ZigBee、RFID、傳感器的綜合信息傳輸網絡，基于船域網構建的船舶實時數據系統(tǒng)，能夠有效解決上述問題[1-5]。該系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視船舶主要設備、構建的工作情況，以及導航、水文等信息。無線傳感器網絡是組成該系統(tǒng)的核心。

在無線傳感器網絡中，無線節(jié)點的傳輸功率會影響整個網絡的帶寬、時延、壽命等，因而需要精確計算，從而使得無線傳感器網絡的性能達到最優(yōu)[7-8]。如果傳輸功率過大，一方面可能會造成能量的過度消耗，減少無線傳感器網絡的壽命；另一方面可能會造成更高的沖突概率；同時如果傳輸功率過小，則可能會造成通信效率過低，延遲過大，難以滿足實時數據系統(tǒng)的性能要求。

在船舶環(huán)境下，通信條件更加惡劣，由于船體和波浪的反射，傳感器網絡在傳輸過程中，相較于陸地環(huán)境，存在更大的信號干涉和沖突概率，因而也需要對傳輸功率進行計算，盡量避免信號干擾[9-10]。本文提出一種基于單跳的傳輸估計方法，能夠在考慮數據沖突的情況下，實現時延約束內的傳輸功率最優(yōu)化，并用實驗仿真證明了該方法的可行性。

1單跳傳輸估計

在以往的研究中，Kawadia等提出了3種獲得最小傳輸范圍的方法[3]：COMPOW，CLUSTERPOW和MINPOW。這些方法將傳輸功率劃分為6個檔次，在每個檔次中使用hello包進行探測；當A在某個檔次中收到B發(fā)送的hello包，則B是A在某個特定功率檔次中的鄰居節(jié)點。以上方法在較小規(guī)模的網絡較為實用，但是由于其需要在每個功率檔次中發(fā)送hello包和維護路由表，因而當網絡規(guī)模較大時，需要較大的管理開銷。本文提出的方法只需要節(jié)點臨近信息即可完成傳輸功率的計算，與以上方法相比具有較小的實現年開銷。

在本文的分析中將使用以下記號：G為網絡的全體范圍；N為網絡包含的傳感器節(jié)點個數；R為傳輸范圍；F為一個數據包一次傳輸的平均距離；n為節(jié)點的平均鄰居個數；

其中n服從二項分布，當給定一個節(jié)點，其余N-1個節(jié)點處于該節(jié)點傳輸范圍的概率為πR2G>，則X是鄰居節(jié)點數的隨機變量：

X~BN-1,πR2G>。

則節(jié)點鄰居的平均值可近似為(N-1)πR2G>。 如圖1所示，假設源節(jié)點處于O，向D發(fā)送數據包，則可以將傳輸范圍劃分為4個部分。

如圖1所示，當i

引理1：當i

圖1　下一跳節(jié)點可能位置圖Fig.1　Location of the next hop

直觀的，當考慮最短路徑路由時，則最優(yōu)的區(qū)域選擇順序應當為Z1，Z2，Z3，Z4。如果p1為下一跳節(jié)點在Z1中的概率，P(Z1)為Z1至少包含一個節(jié)點的概率， 則p1= P(Z1)。 同時，若下一跳節(jié)點在Zj(j>1)中， 則Zi(i

Pj=P(1∩…∩j-1)·P(Zjj-1…)。

其中P(i)為Zi中不含節(jié)點的概率。

則可得節(jié)點在Zi中的概率qi為：

p1=P(Z1)=1-(q2+q3+q4)n，

p2=P()·P(Z2)=

(1-p1)1-q3+q4q2+q3+q4>n，

p3=P(1∩2)·P(Z321)=

(1-p1-p2)1-q4q3+q4>n，

q4=P(1∩2∩3)·P(z4321)=

1-p1-p2-p3。

由于假設節(jié)點均勻分布，則qi與區(qū)域的面積成正比：q1=q4=1/3，q2=q3=1/6。則以上公式可以歸一化為：

其中λ為區(qū)域的最大編號。

計算一個數據包一步傳輸的平均距離。假設在Z中，所有的節(jié)點均勻分布，每個Si的寬度相同,如圖2所示。

在區(qū)域Z中，源節(jié)點O和第k個傳輸節(jié)點之間的距離為：

圖2　區(qū)域節(jié)點分布圖Fig.2　The distribution of nodes in a zone

其中w為路由上包含的全體傳感器節(jié)點個數。則考慮Z1，Z2，Z3，Z4的相互位置，可得結果

其中wi為Zi中的節(jié)點。由于在Zi中選擇傳輸節(jié)點，表明在Zj(j

同時對于每個區(qū)域來說，角度θ隨機，若fi表示在Zi中的一步傳輸距離，那么可得：

最終，可得在任意區(qū)域中單步平均距離為：

F=∑4i=1pifi。

由以上結果，給定任意2個節(jié)點間距離d，則2節(jié)點之間的傳輸跳數h可以被估計為：

h=dF。

2節(jié)點傳輸范圍最優(yōu)化

在L×L移動無線網絡中，2個節(jié)點之間的距離近似服從正態(tài)分布，且均值為L/2，標準差為L/3.5，因而給定一對節(jié)點，二者之間的距離D小于l的概率可以表示為：

P{D<1}=PD-μσ

這一分布對于服務約束來說較為有效，若要求90%的連接服從時延約束，則可得：

P{D<1}=PD-μσ<1.28=0.8997，

l-L/2L/3.5=1.28，

∴l(xiāng)≈0.87L。

以上意味著，對于90%的節(jié)點對，源節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離D需要小于0.87 L。因此，對于N個節(jié)點，若時延約束為T，那么傳輸范圍R應當服從以下約束：

0.87LF×1ps≤T。

其中ps為成功傳輸的概率。

如上文所述，在海洋通信環(huán)境中，由于船體和海浪的干擾，可能會存在信號干擾的情況，本文將對非飽和情況下，數據包的沖突進行考慮，因而得出傳輸成功的概率為：

ps=(1-pt)n。

式中：n為鄰居節(jié)點的個數；pt為每個鄰居產生數據包的速率。若使用RTS/CTS機制，那么pt為RTS幀產生沖突的概率。

前文中的公式表明，N和R決定了F和ps。處于節(jié)省能量消耗的考慮，則希望在實驗約束的條件下，R能夠盡量小，則最優(yōu)傳輸范圍Ro可表示為：

表1為不同時延約束下，最優(yōu)傳輸范圍(OTR)的值，其中SRT和SRA分別為時延約束和仿真得到的實際時延。

Bo=minRLDF(N,R)ps(N,R)≤T。

式中：LD為在滿足時延約束條件下的所有源目的節(jié)點距離中的最大值；F(N,R)和ps(N,R)分別為在給定的N和R下，一跳的傳輸距離和成功傳輸的概率。

3實驗與仿真

對每對N和Ro進行10次仿真，假設鄰居產生數據包的概率為0，也就是說不存在沖突。在可變時延情況下，每個節(jié)點的時延服從均值為2s的指數分布，忽略傳播時延，最大端到端時延設為20s。

則從表1可得，在大多數情況下能夠滿足SRT的要求。同時，在可變時延情況下，SRT和SRA之間的差異為2.66%，而在固定時延下，該差異為3.09%。

表1　不同時延約束下的最優(yōu)傳輸范圍

圖3和圖4分別表示在不同情況下，最優(yōu)傳輸距離隨鄰居包產生速率變化的情況。當N較小時，Ro隨著鄰居包產生速率的增加而增加。這是因為更大的pt是ps的減小。為了在ps盡可能小的情況下滿足T，則跳數應當被減小以適應更大的傳輸范圍。

圖3　鄰居節(jié)點數據包對OTR的影響Fig.3　OTR against rate of neighbor packet

圖4　3D網絡下鄰居節(jié)點數據包對OTR的影響Fig.4　OTR against rate of neighbor packet in 3D network

另一方面，當N較大時，更大的傳輸功率無法改善傳輸的成功率，因為隨著傳輸范圍的增大，鄰居節(jié)點的個數指數增加，使得沖突的概率也大大增加，且當pt足夠大時，更大的傳輸功率帶來的副作用會超過其帶來的效益。

4結語

本文提出了一種在船舶無線傳感器網絡中，已知傳感器節(jié)點的分布和服務的時延約束，計算最優(yōu)傳輸功率的方法。這種方法首先根據節(jié)點的分布，計算出跳數和傳輸范圍之間的關系。仿真結果表明，跳數和傳輸功率成反比，越低的發(fā)射功率，需要越多的跳數達到目的節(jié)點，同時增加了時延?；诖?，本文提出的方法計算最小可能傳輸功率，在考慮數據包沖突的情況下，能夠滿足時延約束。

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The optimization of energy consumption in wireless sensor network

system of real-time data system

REN Jie，LIANG Shuang

(Sichuan Engineering Technical College,Deyang 618000,China)

Abstract：Marine real-time data system is based on the ship area data transmission network. It has a very important role for monitoring of the ship sailing state, guarantee the safety of navigation of the ship. The wireless sensor network (WSN) is an important part of the system, and when to implemented at sea, the energy consumption of wireless sensor network optimization is also one of the keys to the realization of the system. The main content of this study is, on the premise of meet the requirements of real-time communication time delay, how to calculate the minimum transmission power required for each sensor node, and puts forward a transmission estimation method based on single hop advancement. The method can effectively calculate the required minimum power, and at the end of the paper, the feasibility of the proposed method is proved by simulation.

Key words：real-time data system; wireless sensor network; energy consumption

作者簡介：任杰( 1979 - ) ，男，講師，研究方向為嵌入式與物聯網。

收稿日期：2014-10-17； 修回日期： 2014-12-05

文章編號：1672-7649(2015)02-0216-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.049

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A