王德銘， 路　標

(1.中國礦業(yè)大學 計算機學院，江蘇 徐州221116; 2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院 徐州技師分院 信息工程系，江蘇 徐州 221000)

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基于CLRP-MS位置疊取的節(jié)能WSNs數(shù)據(jù)傳輸機制*

王德銘1,2， 路標1,2

(1.中國礦業(yè)大學 計算機學院，江蘇 徐州221116; 2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院 徐州技師分院 信息工程系，江蘇 徐州 221000)

摘要:針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機制能耗較大，不利于無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)壽命延長的問題，提出一種基于mini-slot交叉MAC路由協(xié)議(CLRP-MS)位置疊取的節(jié)能WSNs數(shù)據(jù)傳輸機制。針對固定數(shù)據(jù)傳輸位置選取機制中，數(shù)據(jù)傳輸沖突幾率較大，浪費網(wǎng)絡吞吐量并增加能耗的問題，提出一種隨機位置選取方式，并且給出基于mini-slot的改進版本和數(shù)據(jù)監(jiān)聽窗口選取方式，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性并降低能耗；利用數(shù)學分析給出定位函數(shù)的最佳選取方式，提高了定位準確度和合理性。通過在測試對象上的對比實驗表明:所提CLRP-MS算法比對比算法PLOSA和ALOHA算法具有更好的數(shù)據(jù)傳輸性能和更低的能耗。

關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡； 節(jié)能； 交叉MAC路由協(xié)議； 數(shù)據(jù)監(jiān)聽窗口

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)已廣泛應用于軍事、醫(yī)療等眾多領域，并發(fā)揮著不可替代的作用[1，2]。但因其采用電池供電，且需要在較長時間內持續(xù)工作，電池更換成本和難度很大，如何利用有限的電量，發(fā)揮更大的作用，是一件非常有意義的研究[3]。

在延長WSNs使用壽命上，除限制傳輸能耗，常用做法是將空閑傳感器節(jié)點轉為休眠，大幅降低能耗。開放系統(tǒng)互連模型中因缺少能耗記憶，傳統(tǒng)層次模型很難在WSNs中使用。

為解決該問題，有學者提出交叉層次模型實現(xiàn)WSNs系統(tǒng)整體性能提升[4]。如文獻[5]提出計算節(jié)點間和節(jié)點與信標間最小傳輸功率的交叉層次模型；文獻[6]提出支持轉發(fā)的交叉MAC路由協(xié)議；文獻[7]提出交叉層次協(xié)議結合自適應同步MAC方案；文獻[8]提出使用MAC的跨層路由架構，該協(xié)議是802.11 MAC協(xié)議和動態(tài)源路由(DSR)協(xié)議的擴展。此類文獻很多，不再贅述。

以往算法從不同角度對交叉層次模型進行研究，但在數(shù)據(jù)定位選取上考慮仍不精細，為提高交叉層次模型定位精度，本文基于mini-slot對定位數(shù)據(jù)幀進行改進，設計了基于mini-slot交叉MAC路由協(xié)議(CLRP-MS)位置疊取的能耗節(jié)省WSNs數(shù)據(jù)傳輸機制。

1CLRP-MS數(shù)據(jù)窗口

1.1位置選取基本原則

令N為傳感器數(shù)量，Li為傳感器i與信號收集器間的直線路徑損耗，若最大路徑損耗為Lmax。令y=f(x)為[0,1]區(qū)間的遞減函數(shù),若傳感器i有1個數(shù)據(jù)包需發(fā)送，為傳感器j產(chǎn)生，由傳感器i負責轉發(fā)，傳感器i位置區(qū)間(slot)計算公式[9]

si=[sf(Li/Lmax)].

(1)

傳感器i以si為參照傳輸slot，當傳感器i與信號收集器(信標)很遠時，slotsi位于數(shù)據(jù)傳輸窗口開端;否則,處于末端，如圖1所示。然后，數(shù)據(jù)傳輸從最遠到最近節(jié)點順序。

圖1　數(shù)據(jù)傳輸窗口Fig 1　Data transmission window

位置si取值范圍在[0,S-1]之間。若多個節(jié)點在同一slotsi產(chǎn)生或發(fā)送數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生沖突，處理方式是在下一數(shù)據(jù)幀處重發(fā)，但若下一幀仍在該slot轉發(fā)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生新沖突，反復沖突會增加能耗。為此，提出隨機slot選取機制。

1.2CLRP-MS數(shù)據(jù)傳輸窗口

隨機選取過程可延長傳輸窗口長度，進而降低在同一位置的沖突概率。令l為離散隨機整數(shù)變量，g為其概率密度。傳感器i數(shù)據(jù)傳輸slot為

ti=max(0,min(si+li,S-1)).

(2)

令Lmin和lmax為隨機量r最小和最大值，lmin≤0，則所有傳輸slot位于[si+lmin,si+lmax]，如圖2所示。

ti范圍為[si+lmin,si+lmax]。上述做法，采用隨機方式信號選取的波動性較大。對此進行改進，每個slot由mini-slot組成(如圖2(b))，因此,原slot持續(xù)時間變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸時間與mini-slot持續(xù)時間之和。在數(shù)據(jù)傳輸前，在mini-slot開端，當感知到傳輸信道空閑時，數(shù)據(jù)才進行傳輸。據(jù)此，數(shù)據(jù)傳輸沖突概率，隨著mini-slot選取數(shù)量增加而減少。

若mini-slot數(shù)量M的選取服從均勻分布，N為訪問相同slot的節(jié)點數(shù)量,則數(shù)據(jù)傳輸沖突概率為

(3)

圖2　隨機選取與CLRP-MS位置疊取Fig 2　Random selection and CLRP-MS position stacking

每個節(jié)點都可進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，需對該傳輸信道持續(xù)監(jiān)聽。監(jiān)聽時間須足夠長以便對中繼過程有效監(jiān)測，同時又須盡量減少監(jiān)聽時間以降低能耗。

若節(jié)點i正尋找轉發(fā)數(shù)據(jù)，因傳輸過程的順序性，而沒有必要監(jiān)聽si+ri之后的slot數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)監(jiān)聽窗口應略小并接近于si。定義參數(shù)δ和W，則監(jiān)聽區(qū)間為si-δ-WQ和si-δ，如圖3。處于監(jiān)聽窗口的傳感器為活躍狀態(tài)，其他的則暫時休眠。

圖3　監(jiān)聽窗口Fig 3　Monitoring window

2定位函數(shù)f選取

為更好地優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，首先是均衡窗口內所有位置si的數(shù)據(jù)量，若節(jié)點均勻分布，則半徑r累積分布函數(shù)為1-(r/R)2。路徑損耗累積分布函數(shù)為1-(Li/Lmax)2/α，Lmax=Rα/k，函數(shù)f可選取為

f(Li/Lmax)=1-(Li/Lmax)2/α.

(4)

上式可保證位置si被選取概率相等，可得定理1。

定理1 數(shù)據(jù)轉發(fā)系統(tǒng)中，函數(shù)f可選取為

f(Li/Lmax)=1-(Li/Lmax)1/α.

(5)

證明：假定區(qū)域半徑為1，如圖4。令ρ(u)為距離u傳感器密度，則累積概率密度為2ρ(u)udu，令τ(r)為傳感器與信標間距r的累積分布，則

τ(r)=∫0r2ρ(u)udu/∫012ρ(u)udu.

(6)

(7)

因為均勻分布，則存在f滿足Fs(s)=s，可得

(8)

簡化hops模型如圖4所示，節(jié)點平均傳輸距離為β<1，環(huán)形i的面積Ai為

Ai=πβ(2α-β+2βi),

(9)

則對于環(huán)形i總的數(shù)據(jù)到達率為

χi=λρπ[1-(α+β(i-1))2],

(10)

式中λ為新數(shù)據(jù)包到達率,則傳感器總密度

(11)

對于r=α+β(i-1/2)，則i=(2r-(2α-β))/2β，將其帶入上式可得

(12)

若r≥α-β/2，則可得

(13)

f(Li/Lmax)=1-(Li/Lmax)1/α.

(14)

圖4　數(shù)據(jù)傳輸簡化模型Fig 4　Simplified model for data transmission

3仿真實驗與分析

3.1模擬實驗設計

令SF為擴頻參數(shù)，無線電參數(shù)[10]設置參照IEEE802.15.4，信標節(jié)點功率為100mW。單跳傳輸需20dB增益，擴頻參數(shù)為2的冪次，可選取SF=64。若路徑損耗rα/k，其中,α=3，k=3.162 10-10。節(jié)點傳輸距離2m，信標傳輸距離4m。實驗半徑為5m，傳感器數(shù)量為32，如圖5所示。

若休眠傳感器不耗能，空閑傳感器功耗為10mW，活躍傳感器功耗為60mW。數(shù)據(jù)幀持續(xù)時間為82.16ms，在數(shù)據(jù)幀開始發(fā)送大小為160bit的數(shù)據(jù)包，每個slot持續(xù)時間變化范圍為0.66～1.3ms。mini-slot數(shù)量為8，每個mini-slot持續(xù)時間為2μs，整個實驗持續(xù)1 000s。

圖5　實驗現(xiàn)場布置Fig 5　Experimental site deployment

3.2算法仿真對比

分析指標[11]是帶寬利用率、傳輸延遲和能耗，負載用λ表示，N為傳感器節(jié)點數(shù)量，Tframe為數(shù)據(jù)幀持續(xù)時間，則負載為NλTframe/S，考慮擴頻參數(shù)，則所提供負載為64NλTframe/S。對比算法選取交叉路由協(xié)議(PLOSA)和ALOHA[12]，如圖6(a)～(c)。

由圖6(a)，在丟包率上，CLRP-MS和PLOSA相差不大，CLRP-MS略優(yōu)于PLOSA，且優(yōu)勢隨負載增大而略放大，如當負載為0.010 6/每傳感器時，PLOSA丟包率為和CLRP-MS丟包率相差5.17 %，而負載增大到0.166 6/每傳感器時，PLOSA丟包率和CLRP-MS丟包率相差6.38 %。ALOHA在低負載時丟包率略優(yōu)于PLOSA和CLRP-MS，但隨負載增大，丟包率迅速增加，說明ALOHA對負載敏感度高。圖(b)可看出在平均節(jié)點功耗上， CLRP-MS和PLOSA相差不大，而ALOHA在此指標上依舊敏感，隨負載增加，其功耗呈指數(shù)增長。圖(c)可看出，三種算法都隨負載增加，傳輸延遲指標增大。在低負載情況下，CLRP-MS延遲最小，但在高負載下，ALOHA傳輸延遲逐漸飽和，且優(yōu)于CLRP-MS，主因是對1跳系統(tǒng)，網(wǎng)絡中處于任何位置傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時間相同，等于數(shù)據(jù)幀的傳輸時間，而多跳過程中，數(shù)據(jù)傳輸時間與傳感器節(jié)點的位置有關。

圖6　各指標隨負載變化情況Fig 6　Each index changes with load

3.3監(jiān)聽窗口數(shù)量選取實驗

由1.2節(jié)可知，CLRP-MS通過定義監(jiān)聽窗口來開啟和關閉傳感器，從而實現(xiàn)降低網(wǎng)絡功耗的目的，因此，監(jiān)聽窗口數(shù)量選取很重要。本節(jié)主要對不同監(jiān)聽窗口數(shù)量下的丟包率和功耗兩個指標進行對比。監(jiān)聽窗口選取數(shù)量分別為LS=8,16,22，仿真結果如圖7(a)～(b)所示。

圖7(a),(b)分別為CLRP-MS隨負載變化和監(jiān)聽窗口選取數(shù)量變化的丟包率與平均節(jié)點功耗曲線，曲線為偏差曲線，是將1 000 s持續(xù)時間平均分為10段，在這10段時間內對上述負載和平均節(jié)點功耗進行實驗?？煽闯鲭S負載增加上述兩個指標都在增大，這與上節(jié)所得結果類似。而在監(jiān)聽窗口數(shù)量選取方面，數(shù)量越大，丟包率越低，數(shù)據(jù)傳輸質量越高，但平均越大，表明計算復雜度越高。由此可知，監(jiān)聽窗口數(shù)量選取不應過大或者過小，從實驗數(shù)據(jù)看，LS=16要好于LS=8和LS=22。

圖7　監(jiān)聽窗口數(shù)量選取Fig 7　Number selection of monitoring window

4結束語

本文針對傳統(tǒng)文獻中提出的WSNs數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕徊鎸哟文Ｐ图捌涓倪M版本進行分析和研究，找出目前交叉層次數(shù)據(jù)傳輸機制存在的數(shù)據(jù)定位選取上考慮不夠精細的問題，基于mini-slot對數(shù)據(jù)幀結構進行改進，降低數(shù)據(jù)傳輸沖突幾率，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量和能耗的同步降低，并且對于多跳網(wǎng)絡給出了其定位函數(shù)的選取和數(shù)學推導過程。仍需改進的地方是，由于實驗條件所限，在實驗場地的選取和實驗規(guī)模等方面還有進一步改進的空間。

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王德銘(1963-)，男，江蘇南京人，碩士，副教授，主要研究領域為數(shù)據(jù)傳輸、傳感網(wǎng)應用和信號處理。

WSNs data transmission mechanism for energy saving based on CLRP-MS position stacking*

WANG De-ming1,2, LU Biao1,2

(1.School of Computer,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Department of Information Engineering, Xuzhou Technician Branch of the Jiangsu Union Technical Institute, Xuzhou 221000,China)

Abstract:Aiming at problem of large energy consumption of traditional data transmission mechanism,which is not conducive to wireless sensor networks (WSNs) for prolonging lifetime,a WSNs data transmission mechanism for energy saving based on CLRP-MS position stacking is proposed.Aiming at problem of large probability for data transmission conflict in fixed data transmission position selection mechanism,which wastes network throughput and increases energy consumption,a random position selection method is proposed,and its modified version based on mini-slot is also desiged,then selection method of data monitoring windows is presented,which improves stability of data transmission and reduces energy consumption;mathematical analysis is used for the best positioning function selection mode,which improves positioning accuracy and rationality;contrast experiment on test object show that,the proposed CLRP-MS algorithm has both better performance on data transmission and lower energy consumption than PLOSA algorithm and the ALOHA algorithm.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); energy saving; cross-layer MAC routing protocol(CLRP); data monitoring windows

作者簡介:

中圖分類號:TP 391

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0065—04

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51204186)

收稿日期：2015—04—13

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0065—04