吳名星， 謝英輝， 單 康

0 引 言

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](wireless sensor networks,WSNs)中，最通常并廣泛應(yīng)用于傳感網(wǎng)絡(luò)的功率管理方法是控制無(wú)線射頻(radio frequency,RF)傳輸功率[2～4]。通過(guò)選擇最優(yōu)的傳輸功率，可減少功率消耗和干擾?；赗F傳輸?shù)墓β士刂频墓β使芾矸椒ǖ哪康木褪窃诰S持?jǐn)?shù)據(jù)正常傳輸?shù)耐瑫r(shí)，減少能耗。文獻(xiàn)[5]提出了自適應(yīng)傳輸功率控制(adaptive transmission power control,ATPC)算法,依據(jù)環(huán)境條件選擇不同的功率，并且控制器考慮了無(wú)線信道的波動(dòng)。引用線性控制律(control law)，并依據(jù)鏈路質(zhì)量調(diào)整發(fā)射器(transmitter,TX)功率。實(shí)驗(yàn)研究表明，此方法能夠提高在信道快速變化環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸性能。一旦通信鏈路斷裂，則節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)的預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整TX功率[6]。

本文提出基于傳輸功率控制器(predictive transmission power controller,PTPC)的WSNs功率控制(PM)算法，PTPC-PM。PTPC-PM算法利用PTPC自動(dòng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率等級(jí)，進(jìn)而應(yīng)對(duì)無(wú)線信道環(huán)境的變化。同時(shí)，通過(guò)基于PowWow建立真實(shí)WSNs仿真平臺(tái)，機(jī)器人攜帶節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，測(cè)試PTPC-PM算法在移動(dòng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)包傳輸率和能耗性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:提出的PTPC-PM算法能夠維持一定的數(shù)據(jù)包傳遞率，并降低能耗。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由終端設(shè)備(end device,ED)的傳感節(jié)點(diǎn)和基站(base station,BS)組成，其中ED主要包括RF發(fā)射、接收天線以及發(fā)射TX功率控制器。

TX功率控制器控制RF發(fā)射功率等級(jí)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

2 PTPC-PM算法

PTPC-PM算法采用PTPC動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸功率等級(jí)(transmission power level,TPL)，進(jìn)而應(yīng)對(duì)無(wú)線信道的波動(dòng)，PTPC的框圖如圖2所示。

圖2 PTPC框圖

從圖2可知，PTPC先與基站訓(xùn)練，然后獲取無(wú)線信道參數(shù)信息。訓(xùn)練過(guò)程為：假定傳感節(jié)點(diǎn)可用的傳輸功率等級(jí)矢量為T(mén)P，其包含所有可能TPL，第i個(gè)等級(jí)TPL表示為tpi∈TP。相應(yīng)地，當(dāng)節(jié)點(diǎn)以tpi∈TP功率傳輸信息時(shí)，基站接收后，再回復(fù)確認(rèn)包，節(jié)點(diǎn)所接收的RSSI為ri∈Ri，Ri為所接收到的所有信號(hào)強(qiáng)度值。訓(xùn)練模型如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練模型

節(jié)點(diǎn)完成訓(xùn)練后，建立了TP和Ri兩個(gè)矢量。接收信號(hào)強(qiáng)度(dBm)可描述為

ri(tpi)=aitpi+bi

(1)

式中ai和bi為線性參數(shù)。通過(guò)多次測(cè)量，可建立多個(gè)式(1)的等式，再利用最小二乘近似算法估計(jì)ai和bi。

2.1 反饋RSSI值測(cè)量

PTPC-PM算法依據(jù)基站與節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線鏈路，實(shí)時(shí)測(cè)量反饋信號(hào)RSSI值，進(jìn)而調(diào)整下次發(fā)射功率：

1)節(jié)點(diǎn)與基站鏈路連通:節(jié)點(diǎn)周期地接收來(lái)自基站BS的反饋消息，計(jì)算反饋消息RSSI值的平均值RSSI-FB，并依據(jù)RSSI-FB調(diào)整下一次的發(fā)射功率等級(jí)。

2)節(jié)點(diǎn)與基站鏈路發(fā)生暫時(shí)性的不連通:當(dāng)節(jié)點(diǎn)與基站間鏈路斷開(kāi)，PTPC利用指數(shù)移動(dòng)平均(exponentially weighted moving-average,EWMA)濾波器估計(jì)RSSI值。

(2)

式中 權(quán)重系數(shù)α∈[0,1]。

EWMA每預(yù)測(cè)一個(gè)值就存入移位寄存器中，但移位寄存器只保存最后3次預(yù)測(cè)值?？紤]到寄存器的空間，若保存更多預(yù)測(cè)值，需要更大的存儲(chǔ)空間。另外，最后3次預(yù)測(cè)值也能反映空間環(huán)境參數(shù)。將這3個(gè)RSSI值進(jìn)行線性融合，便可得到最終的RSSI值

(3)

式中K1,K2和K3為3個(gè)預(yù)測(cè)值的融合權(quán)值系數(shù)。

2.2 發(fā)射功率等級(jí)調(diào)整

依據(jù)PTPC調(diào)整發(fā)射功率等級(jí)模型，如圖4所示。依據(jù)式(1)，可建立式(4)，再利用當(dāng)前所接收的信號(hào)功率Pst調(diào)整下次的傳輸功率tpk值

(4)

圖4 PTPC結(jié)構(gòu)

3 性能仿真

引用文獻(xiàn)[7]的CC2500 RF 芯片作為低功率 RF收發(fā)器，其中PA可從1～30 dBm變化，且步長(zhǎng)為-1dBm[4]。此外，基站的最大傳輸功率為1 dBm。而EWMA濾波器參數(shù)為α=0.6，K1=0.1,K2=0.2和K3=0.7。

為了更好地分析功率調(diào)整的性能，建立2個(gè)實(shí)驗(yàn)。此外，為了更好地分析PTPC-PM算法的性能，選擇以固定傳輸功率和文獻(xiàn)[5]的ATPC作為參照。其中，固定傳輸功率大小為-2 dBm，且記為CLPM-Fixed。

實(shí)驗(yàn)一為了更好地分析PTPC-PM算法的功率調(diào)整應(yīng)對(duì)時(shí)變的無(wú)線信道的能力，引用移動(dòng)場(chǎng)景，如圖5所示。節(jié)點(diǎn)與基站的最小距離為dmin，最大距離為dmax。最初，節(jié)點(diǎn)離基站距離為dmin，然后以速度S遠(yuǎn)離基站，當(dāng)距離達(dá)到dmax時(shí)，節(jié)點(diǎn)反向移動(dòng)，直到距離為dmin。

圖5 ED的移動(dòng)模型

在仿真過(guò)程中，dmin=1 m,dmax=20 m。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度S最小為0.1 m/s,此外，每當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至ds時(shí)，節(jié)點(diǎn)停留10 s。節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送5 000個(gè)數(shù)據(jù)包。

仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6可知，ATPC算法不能應(yīng)對(duì)信道波動(dòng)，沒(méi)有及時(shí)地調(diào)整發(fā)射功率。在150～250 s期間，TX的發(fā)射功率只有-30 dBm，使得鏈路斷裂，導(dǎo)致無(wú)法接收數(shù)據(jù)包。相反，PTPC-PM算法能夠及時(shí)依據(jù)環(huán)境調(diào)整發(fā)射功率，進(jìn)而維持鏈路連通，提高數(shù)據(jù)包傳輸率。

圖6 每個(gè)時(shí)隙內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)和傳輸功率

實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)選擇基于PoWWow[8]的真實(shí)WSNs平臺(tái)，為基于MSP430微處理器、5MHz和CC2420RF發(fā)射器。PoWWow安裝了一個(gè)大小為4 cm×6 cm太陽(yáng)能單元，為設(shè)備供電。

實(shí)驗(yàn)中有基站和節(jié)點(diǎn)2個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中基站連接于主機(jī),主機(jī)跟蹤和處理由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)為安裝于機(jī)器人上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。假定機(jī)器人以近恒速移動(dòng)。最初，節(jié)點(diǎn)離基站為15 m，發(fā)射功率為0 dBm。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到基站，用時(shí)約5 min。

選擇數(shù)據(jù)包傳遞率和能耗作為性能指標(biāo)。其中，數(shù)據(jù)包傳遞率(packet relay ratio,PRR)是指基站所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)Nr與節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)Nt之比

(5)

而能耗是指每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量Eu，即ED所消耗的能量Ec與正確接收的數(shù)據(jù)包數(shù)Nr之比

(6)

Eu反映了成功接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量。Eu越低，功率調(diào)整性能越優(yōu)。CLPM-Fixed方案、PTPC-PM算法的數(shù)據(jù)包傳輸率和能耗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包傳輸率PDR和能耗

從表1可知，本文提出的PTPC-PM算法的PDR略低于CLPM-Fixed算法，例如，當(dāng)移動(dòng)速度為0.2 m/s時(shí)，CLPM-Fixed的PDR為97 %，而PTPC-PM算法的PDR為93 %。但PTPC-PM算法的能耗Eu遠(yuǎn)低于CLPM-Fixed算法。在移動(dòng)速度為0.2 m/s時(shí)，CLPM-Fixed的Eu為210 μJ，而PTPC-PM算法的Eu為155 μJ，降低了26.2% 。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題，提出基于PTPC的WSNs的功率控制算法PTPC-PM。PTPC-PM算法利用PTPC調(diào)整傳輸功率等級(jí)。通過(guò)真實(shí)的WSNs的平臺(tái)仿真，PTPC-PM算法的能耗比固定TX傳輸功率算法下降了26 %。后期，將進(jìn)一步研究功率控制策略，如自適應(yīng)編碼，提高能量利用率。

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