劉海員， 閆愛玲

(1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,天津 300350;2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

0 引 言

無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless nano sensor networks，WNSNs)是一種新興的通信技術(shù)，屬于小尺度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)只有幾立方微米[1]，采用納米材料制造，可以感知外界環(huán)境參數(shù)，在太赫茲頻段發(fā)射脈沖信號傳輸信息[2]，并能通過捕獲外界的電磁輻射獲取維持自身工作的能量，可以實(shí)現(xiàn)永久通信，在工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景[3]。

由于納米傳感器自身結(jié)構(gòu)簡單，功耗極低，文獻(xiàn)[4]所提出的簇頭選擇算法和文獻(xiàn)[5]通過優(yōu)化孩子節(jié)點(diǎn)個數(shù)優(yōu)化最優(yōu)路由路徑的深度和孩子匯聚樹協(xié)議(depth and child clustering tree protocol,DC-CTP)等，適用于經(jīng)典無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)，不再適用于WNSNs，因此，需要設(shè)計(jì)一種更低復(fù)雜度和低沖突的接入方法。Jornet J M等人提出了一種時域擴(kuò)展開關(guān)鍵控(time spread on-off keying,TS-OOK)方案[6]，即每個傳感器以特定的周期T發(fā)送比特符號，符號長度為TS，則兩只不同傳感器沖突概率為TS/T，由于太赫茲脈沖寬度TS很小，因此，沖突概率很低。這種協(xié)議雖然簡單，但需要針對傳感器數(shù)目精心設(shè)計(jì)不同的發(fā)送周期，并且需要主控節(jié)點(diǎn)為每個傳感器節(jié)點(diǎn)事先分配不同的周期[7]，靈活度不高。

本文利用納米傳感器可以捕獲外界的電磁輻射獲取能量的特性，提出了一種基于時隙偵聽接入方案，方案易于實(shí)現(xiàn)，對傳感器的處理能力要求很低；在此基礎(chǔ)上，權(quán)衡吞吐量和能量消耗，優(yōu)化了幀周期的選擇，并設(shè)計(jì)了一種隨機(jī)延遲的避沖突方法。仿真結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的方案具有低沖突和較高吞吐量的特點(diǎn)。

1 WNSNs的基本工作模式

WNSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1(a)所示，中心控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收周圍傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)并作為中繼節(jié)點(diǎn)匯總轉(zhuǎn)發(fā)到更高層，控制節(jié)點(diǎn)的處理能力相對較高，功耗相對傳感器節(jié)點(diǎn)也較高。TS-OOK接入方案如圖1(b)所示。傳感器1以T1為周期發(fā)送脈沖信號，用發(fā)送脈沖表示發(fā)送“1”，靜止表示發(fā)送“0”；傳感器2以T2為周期發(fā)送脈沖信號。當(dāng)兩只傳感器同時發(fā)送信息時，主控節(jié)點(diǎn)接收的混合信號如圖1(b)所示，因?yàn)橹芷诓煌?，所以不會產(chǎn)生沖突。

圖1 基于TS-OOK的WNSNs接入方案示意

這種多節(jié)點(diǎn)接入方案相對簡單，但對周期的選擇較為嚴(yán)格，尤其是傳感器數(shù)量較多的情況下，當(dāng)有一個比特位發(fā)生了沖突，意味著數(shù)據(jù)將產(chǎn)生連續(xù)沖突。

2 基于時隙偵聽接入機(jī)制

2.1 時隙偵聽接入機(jī)制原理

主要思想是將時域劃分成周期為T的幀結(jié)構(gòu)，每幀中包含N個等時長的時隙。每個接入節(jié)點(diǎn)在一幀內(nèi)僅占用一個時隙，發(fā)送一比特信息，下一幀的同一時隙發(fā)送下一比特信息，直至發(fā)送完整個數(shù)據(jù)包，釋放該時隙供其他傳感器節(jié)點(diǎn)占用。幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于納米傳感器可以捕獲周圍其他傳感器發(fā)射的電磁能量，因此，可以偵聽各個時隙其他傳感器是否在發(fā)送數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)空閑時隙。當(dāng)有數(shù)據(jù)請求時，便在空閑時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法幾乎免去控制節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)間接入控制信息的交互，協(xié)議簡單，對接入節(jié)點(diǎn)的處理能力要求極低，適用于WNSNs。

圖2 基于時隙偵聽的無線納米傳感網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)

2.2 幀同步與脈沖信號設(shè)計(jì)

幀同步是基于時隙偵聽方案的關(guān)鍵技術(shù)，選擇能量充足且處理能力較強(qiáng)的控制節(jié)點(diǎn)完成這一功能，控制節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送固定周期的幀同步脈沖信號確立幀的起止時刻，脈沖周期即幀周期。接入節(jié)點(diǎn)識別到幀同步脈沖后，便開始以Tslot為時隙單位，逐個時隙偵聽。為了有效識別幀同步脈沖和其他接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，需要對這2種信號進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。

在TS-OOK方案中，用發(fā)送脈沖表示發(fā)送“1”，靜止表示發(fā)送“0”。OOK方案并不適用于時隙偵聽接入，原因是如果傳感器節(jié)點(diǎn)在某一時隙發(fā)送“0”，其他傳感器會因無法偵聽信號，而判斷該時隙為空閑狀態(tài)，繼而選擇在該時隙發(fā)送信號，導(dǎo)致產(chǎn)生沖突。

本文專門設(shè)計(jì)了兩種脈沖調(diào)制方式：脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation,PPM)和脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)用以表示不同的比特信息。PPM,即利用脈沖位于所在時隙的不同位置來表示傳輸不同的比特信息，如圖3(a)所示。PWM，即用不同的脈沖寬度來表示傳輸不同的比特信息，如圖3(b)所示。幀同步信號設(shè)計(jì)為兩個連續(xù)高斯脈沖信號，如圖3(c)所示，通過相關(guān)接收可以得到與比特信號不同的相關(guān)結(jié)果，以此識別幀同步信號。

圖3 信號調(diào)制方式和幀頭信號方案

3 接入?yún)?shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 幀周期和時隙數(shù)目確定

確定合適的幀周期，對于保證WNSNs暢通持久的數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要。假設(shè)每個傳感器接入節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送請求事件的次數(shù)服從參數(shù)為λ的齊次泊松分布[7]，λ為單位時間內(nèi)事件發(fā)生的頻率。事件間隔為t，服從期望為1/λ的指數(shù)分布

(1)

分布函數(shù)為

(2)

假設(shè)接入節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包為Nbit，取N=256。每幀長度為T，則第一個數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢之前，第二次數(shù)據(jù)發(fā)送請求出現(xiàn)的概率(即產(chǎn)生數(shù)據(jù)阻塞的概率)PC為

PC=P{t≤NT}=1-e-λNT

(3)

控制節(jié)點(diǎn)以周期為T發(fā)送幀同步信號，產(chǎn)生的功率消耗為

(4)

式中Ef為每個幀同步信號消耗的功率，對于太赫茲脈沖信號，一般取值為10-12J[3]。因此，可以通過最小化式(5)所示的代價函數(shù)L(T)來確定合適的T

(5)

式中α，β分別為阻塞概率和能量消耗對系統(tǒng)影響的權(quán)重。對L(T)求導(dǎo)數(shù)，并令其為0，得到

(6)

式(6)為超越方程，可通過數(shù)值法求解，得到的T即為最優(yōu)的幀周期。在MATLAB中利用solve函數(shù)求解式(6)，得到不同的權(quán)重系數(shù)比α/β和到達(dá)率λ對應(yīng)的最佳幀周期,如圖4所示。

圖4 不同到達(dá)率λ和α/β對應(yīng)的最優(yōu)幀周期

對于每幀內(nèi)時隙數(shù)目，為保證所有傳感器接入節(jié)點(diǎn)均能同時向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，時隙數(shù)目不應(yīng)小于接入節(jié)點(diǎn)數(shù)目，本文對時隙數(shù)目對沖突概率的影響進(jìn)行了仿真。假設(shè)確定的時隙數(shù)目可以保證很小的沖突概率，根據(jù)選擇的幀周期可以獲得吞吐量R(T)的理論值

R(T)=λ×N×M×(1-PC)=λ×N×M×e-λNT

(7)

式中λ為單位時間內(nèi)事件發(fā)生的頻率；N為請求發(fā)送的數(shù)據(jù)包比特?cái)?shù)；M為傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3.2 一種隨機(jī)延遲的避沖突方法

當(dāng)在一段連續(xù)被占用的時隙內(nèi)，有若干傳感器請求發(fā)送數(shù)據(jù)，并偵聽空閑時隙，則當(dāng)下一個空閑時隙出現(xiàn)時，這些處于偵聽狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)會同時發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生沖突，如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)沖突

為了避免這種情形產(chǎn)生的沖突，本文引入一種隨機(jī)延遲的機(jī)制，即傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生發(fā)送請求后，產(chǎn)生一個隨機(jī)整數(shù)K，當(dāng)偵聽到第K個空閑時隙時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，由于各傳感器節(jié)點(diǎn)生成的隨機(jī)等待時隙數(shù)目K值不同的概率很大，則數(shù)據(jù)會在不同的時隙內(nèi)發(fā)送，避免沖突。這種隨機(jī)延遲的機(jī)制，可以將某些時刻集中產(chǎn)生的突發(fā)請求事件隨機(jī)分散到后續(xù)的空閑時隙中，很大程度上降低了沖突概率。

3.3 納米傳感器節(jié)點(diǎn)接入步驟

1)中心控制節(jié)點(diǎn)以周期T向周圍發(fā)送幀同步信號；

2)周圍的接入節(jié)點(diǎn)不斷偵聽幀同步信號，并捕獲空間中的電磁輻射能量作為自身發(fā)送數(shù)據(jù)的能量來源；

3)當(dāng)某個接入節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，生成隨機(jī)等待的空閑時隙數(shù)K；

4)開始逐個時隙偵聽，當(dāng)偵聽到第K個空閑時隙時，記錄該時隙號，并在每幀的該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)直至發(fā)送完畢。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

假設(shè)仿真條件為：每個傳感器的發(fā)送事件到達(dá)率λ設(shè)為100次/s，節(jié)點(diǎn)發(fā)送事件間隔服從均值為1/λ=0.001s的指數(shù)分布，每個發(fā)送數(shù)據(jù)包包含N=256bit信息，仿真時間為1s。

4.1 時隙數(shù)目劃分對沖突概率影響

首先假設(shè)控制節(jié)點(diǎn)周圍有50只傳感器，α/β設(shè)為10-4，即能耗所占權(quán)重更大，對應(yīng)的幀周期約為10-6s。每幀劃分的時隙數(shù)對應(yīng)的沖突概率如圖6(a)所示。沖突概率計(jì)算方法為：發(fā)送沖突事件數(shù)目與發(fā)送完成的數(shù)據(jù)包數(shù)目的比值。從圖6(a)中可以看出：沖突概率隨著每幀劃分的時隙數(shù)目增加而減少，當(dāng)時隙數(shù)目超過傳感器數(shù)目時，沖突概率已經(jīng)比較低，因此，比較合理的選擇是使時隙數(shù)目等于傳感器數(shù)目。

4.2 隨機(jī)等待時延對沖突概率影響

實(shí)驗(yàn)個選取了10～100個不等的接入節(jié)點(diǎn)數(shù)目，每幀時隙數(shù)設(shè)置為傳感器數(shù)目。隨機(jī)等待的時隙數(shù)目分別取0，10，30，50。系統(tǒng)的沖突概率如圖6(b)所示?？芍?增加隨機(jī)等待時延數(shù)可以降低沖突概率，尤其在傳感器數(shù)量較多的情況下，較大的隨機(jī)等待延遲，具有更低的沖突概率。

4.3 幀周期對數(shù)據(jù)吞吐量影響

仿真不同的幀周期(或頻率)對吞吐量的影響。傳感器接入節(jié)點(diǎn)數(shù)為M=50，時隙數(shù)目等于傳感器數(shù)目，以保證較小的沖突概率，吞吐量滿足式(7)，理論的吞吐量上限，bps,為

λ×N×M=100×256×50=1.28×106

幀頻率選擇0.5Nλ，Nλ，2Nλ，5Nλ，10Nλ，50Nλ，仿真結(jié)果如圖6(c)所示。由結(jié)果可知:當(dāng)幀頻率較小時，增加幀頻率可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；而當(dāng)幀頻率較大時，再增加幀頻率，吞吐量提高的十分有限，從節(jié)約能量的角度考慮，比較合適的幀頻率為5～10Nλ，或幀周期為(0.1～0.2)/Nλ。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種適用于WNSNs的節(jié)點(diǎn)接入方案，由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀同步信號，確定每幀的起始位置。傳感器節(jié)點(diǎn)偵聽各時隙內(nèi)其他傳感器是否在發(fā)送，尋找空閑時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，該方案簡單易于實(shí)現(xiàn)，適合于低功耗的WNSNs。同時針對吞吐量和功耗的權(quán)衡，優(yōu)化了幀周期設(shè)置，并設(shè)計(jì)了一種隨機(jī)延遲的防沖突方法。仿真結(jié)果顯示：方案可以使WNSNs在較小的沖突概率下實(shí)現(xiàn)較大的吞吐量。同時該方案還可以作進(jìn)一步擴(kuò)展，如將一幀中的起始若干時隙劃分出來，用于主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送其他控制信息等，以適應(yīng)不同場景下的應(yīng)用。

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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