朱明，金仁成，車志平，李應(yīng)琛

（大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

引 言

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，尤其在一些條件惡劣的環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景。傳感器節(jié)點(diǎn)多為電池供電，其攜帶的電量有限，因此盡可能減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗，對(duì)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命有重要意義。大量研究證明，功率控制不但能降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗，還可以減少節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗［1－2］。本文設(shè)計(jì)了一種基于LQI的WSN 動(dòng)態(tài)功率控制方案，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈路質(zhì)量及發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率來(lái)計(jì)算最優(yōu)發(fā)送功率。研究表明，位置固定節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量是周期波動(dòng)的，對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更是如此［7］，為此本文采用三次平滑指數(shù)預(yù)測(cè)算法改善了無(wú)規(guī)律波動(dòng)的鏈路質(zhì)量。

1 動(dòng)態(tài)功率控制方案

1.1 動(dòng)態(tài)功率控制模型

在功率控制過(guò)程中，理想的情況是節(jié)點(diǎn)之間采用能夠保證通信質(zhì)量的最小功率等級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以盡可能地降低節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。根據(jù)電磁波在自由空間傳播損耗的Friis公式［8］可知：

其中，Pr表示接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)幀的接收功率，Pt表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的發(fā)送功率，λ表示無(wú)線電載波波長(zhǎng)，d表示兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，Gt、Gr分別表示發(fā)送和接收的天線增益。假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收靈敏度為PS，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為Pmin，由式（1）推導(dǎo)可得：

根據(jù)式（1）和式（2）可得當(dāng)前環(huán)境下Pmin為：式中參數(shù)單位為mW。若已知發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Pt和接收節(jié)點(diǎn)靈敏度PS，并測(cè)出接收信號(hào)的功率Pr，可得出發(fā)送節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為Pmin。由于真實(shí)環(huán)境中各種因素都可能對(duì)電波產(chǎn)生干擾，因此需要將能夠使節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的最小發(fā)射功率Pmin乘以干擾系數(shù)β以保證數(shù)據(jù)安全傳輸，則最優(yōu)發(fā)射功率Popt如下：

射頻模塊可對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行直接測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)選取JN5148射頻模塊，接收功率Pr和LQI值之間的關(guān)系公式［9］如下：

其中，Pr單位為dBm，LQI∈［0，255］。對(duì)于JN5148模塊，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可發(fā)送攜帶發(fā)射功率Pt數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)的接收功率Pr可以利用式（5）計(jì)算得到，而接收節(jié)點(diǎn)的接收門限PS已知為－95dBm［10］，因此依據(jù)工作環(huán)境確定系數(shù)β，便可得到最優(yōu)發(fā)射功率Popt。

本文對(duì)鏈路質(zhì)量與丟包率關(guān)系進(jìn)行室內(nèi)和室外兩種統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示，鏈路質(zhì)量和丟包率關(guān)系如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，無(wú)論在室內(nèi)還是室外，當(dāng)LQI≥90時(shí)，丟包率幾乎為零；而LQI≤90時(shí)，丟包率急劇上升，并頻繁出現(xiàn)協(xié)議棧復(fù)位現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行功率控制時(shí)，需保證最小鏈路質(zhì)量值LQI＝90，即接收功率Pr≥（7×90－1970）／20＝－67dBm。

圖1 室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

由最小鏈路質(zhì)量值LQI以及節(jié)點(diǎn)接收門限值Ps，計(jì)算可得干擾系數(shù)β＝102.8，由式（4）進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

1.2 三次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)表明，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，若節(jié)點(diǎn)位置不變，其鏈路質(zhì)量是呈周期性波動(dòng)的［11］，對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)而言，由于環(huán)境不斷地變化，其鏈路質(zhì)量更是無(wú)規(guī)律波動(dòng)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)采用功率控制策略，若由于鏈路質(zhì)量大幅度波動(dòng)導(dǎo)致頻繁地更改節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，不僅會(huì)造成開關(guān)射頻收發(fā)器的額外功耗，而且也會(huì)導(dǎo)致功率調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確，因此將預(yù)測(cè)機(jī)制融入功率控制方案，降低鏈路質(zhì)量突變對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功耗的影響［12－13］。

圖2 鏈路質(zhì)量和丟包率的關(guān)系

鏈路質(zhì)量是一個(gè)隨時(shí)間非周期性波動(dòng)的時(shí)間序列，并且屬于短期預(yù)測(cè)［14］?？紤]到嵌入式硬件設(shè)備計(jì)算能力的局限性，本設(shè)計(jì)選擇指數(shù)平滑算法對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。指數(shù)平滑算法是選取各時(shí)期權(quán)重?cái)?shù)值為遞減指數(shù)數(shù)列的均值方法，是一種較為常見的時(shí)間序列短期預(yù)測(cè)方法。一次指數(shù)平滑算法是無(wú)明顯上升或下降趨勢(shì)情況下的預(yù)測(cè)，二次指數(shù)平滑算法適用于非線性趨勢(shì)的時(shí)間序列，三次指數(shù)平滑法是二次平滑基礎(chǔ)上的再平滑。三次指數(shù)平滑算法的基本思想是：預(yù)測(cè)值是以前觀測(cè)值的加權(quán)和，且對(duì)不同的數(shù)據(jù)給予不同的權(quán)［15］。對(duì)于初始時(shí)間序列，選取合適的平滑參數(shù)和，一次平滑指數(shù)、二次平滑指數(shù)和三次平滑指數(shù)的公式分別為：

三次指數(shù)平滑算法的趨勢(shì)方程為：

其中，T 為時(shí)間間隔，Yt＋T為t＋T 時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，at、bt、ct為方程系數(shù)。計(jì)算方法如下：

圖3 鏈路質(zhì)量隨時(shí)間的波動(dòng)

1.3 功率控制MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

為保證JN5148節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功率控制策略，需對(duì)MAC協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。通信節(jié)點(diǎn)建立功率控制信息表，用于記錄與鄰居節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)功率等級(jí)和鏈路質(zhì)量時(shí)間序列值等信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A初次要與節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信時(shí)，A 和B沒(méi)有功率控制信息，A 要以最大的發(fā)射功率向B發(fā)送POWER＿SET.requst請(qǐng)求信息幀，B接收后計(jì)算出最優(yōu)發(fā)射功率Py1，并以最大發(fā)射功率向A回復(fù)含Py1信息的POWER＿SET.confirm確認(rèn)信息幀，A收到確認(rèn)信息幀之后，計(jì)算出最優(yōu)發(fā)射功率Py2。為避免單向鏈路［16］的產(chǎn)生，A 將對(duì)Py1與Py2進(jìn)行比較，得到最大值Py＝MAX（Py1，Py2），取Py作為A和B之間雙向鏈路的最優(yōu)發(fā)射功率值，將其記錄在A 的功率控制信息表中，隨后A以Py大小的功率將含Py信息的數(shù)據(jù)幀傳輸給B，B在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)將此功率記錄在自身的功率控制信息表中，完成最優(yōu)功率的初次學(xué)習(xí)過(guò)程。在節(jié)點(diǎn)的正常數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)幀中包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率值Pt，以便接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈路質(zhì)量的變化可實(shí)時(shí)對(duì)最優(yōu)發(fā)射功率值Py進(jìn)行不斷的修正，如圖4所示。

2 功率控制仿真及實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證功率控制模型的正確性，采用Matlab模擬鏈路環(huán)境，對(duì)功率控制策略進(jìn)行仿真。鏈路質(zhì)量隨距離的增長(zhǎng)成對(duì)數(shù)衰減，而鏈路質(zhì)量也容易受到地形等外界環(huán)境因素的影響，為此提出一種利用錨節(jié)點(diǎn)信息在線建模的方法。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得大量的LQI與距離統(tǒng)計(jì)值，以對(duì)數(shù)模型擬合曲線來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。

仿真過(guò)程如下：①在100×100矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)撒布100個(gè)節(jié)點(diǎn)；②隨機(jī)選取兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)并計(jì)算其距離；③根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)功率以及距離獲取該擬合曲線下的LQI值，6dBm 擬合曲線如圖5所示；④由式（6）計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)射功率，并將本次通信的功率累加到總功率；⑤返回第2步，循環(huán)5 000次。

圖4 功率控制流程圖

圖5 6dBm 對(duì)數(shù)模型擬合曲線圖

仿真結(jié)果表明：①系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的功率調(diào)節(jié)，且降低了大部分節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；②功率控制調(diào)節(jié)的總能耗為8 838.1J，無(wú)功率調(diào)節(jié)的總能耗為18 928J，節(jié)省能量接近53%，功率控制的仿真圖略——編者注。

為了驗(yàn)證本策略的有效性，實(shí)驗(yàn)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別在室內(nèi)和室外兩種環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在有動(dòng)態(tài)功率控制和無(wú)動(dòng)態(tài)功率控制各節(jié)點(diǎn)功耗，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

測(cè)試時(shí)6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成深度為2的樹形網(wǎng)絡(luò)，室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖略——編者注，E1、E2、E3終端節(jié)點(diǎn)以恒定頻率向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)并經(jīng)由路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，通過(guò)協(xié)調(diào)器記錄丟包率情況來(lái)測(cè)試本方案的有效性。為了更加明顯地測(cè)試出功率等級(jí)隨鏈路質(zhì)量的變化，室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn)分別令E1、E2、E3終端節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)做無(wú)規(guī)則移動(dòng)，測(cè)試其功率變化和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能情況。由于庫(kù)侖計(jì)可以準(zhǔn)確地記錄電池的剩余電量，因此只要記錄電池初始剩余電量值，測(cè)試實(shí)驗(yàn)是可以間斷進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)均為24h，功耗測(cè)試情況如表2所列。

表2 各節(jié)點(diǎn)功耗情況

根據(jù)表2可知，采用動(dòng)態(tài)功率控制方案的情況下，網(wǎng)絡(luò)丟包率基本與不采用動(dòng)態(tài)功率控制時(shí)持平。網(wǎng)絡(luò)功耗減少840mAh左右，約降低15.3%。每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均節(jié)能140mAh，若以最大發(fā)射功率持續(xù)無(wú)間斷發(fā)射，則節(jié)點(diǎn)還可多工作3.8h。此外，R1節(jié)點(diǎn)比R2節(jié)點(diǎn)功耗高，原因是R1節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自E1、E2的數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器C；協(xié)調(diào)器C在網(wǎng)絡(luò)中只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和下發(fā)少量命令數(shù)據(jù)，因此功耗較低。

結(jié) 語(yǔ)

本方案實(shí)現(xiàn)了基于LQI的WSN 動(dòng)態(tài)功率控制，減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的同時(shí)降低了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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