張新琳

(駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 駐馬店 463000)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs(Wireless Sensor Networks)已廣泛地應(yīng)用于監(jiān)測場景。由于節(jié)點成本較低,工業(yè)自動化系統(tǒng)已廣泛使用了WSNs,并通過WSNs提高工業(yè)效率[1-2]。然而,WSNs內(nèi)的多數(shù)傳感節(jié)點能量供應(yīng)有限,一旦節(jié)點能量消耗殆盡,節(jié)點生命周期就結(jié)束,這直接影響了WSNs的應(yīng)用。因此,必須引用有效的功率管理策略提高能量利用效率。

為了提高節(jié)點生命周期,引用能量采集(Energy Harvesting)系統(tǒng),進(jìn)而補(bǔ)充節(jié)點能量[3-4]。針對WSNs的能量采集系統(tǒng),功率管理扮演了能量采集與能量消耗的平衡間的重要角色。這種功率管理系統(tǒng)又稱為能量平衡操作ENO(Energy-Neutral Operation)。為了滿足ENO條件,功率管理器常依據(jù)環(huán)境條件調(diào)整節(jié)點的喚醒周期,即工作周期(Duty-Cyle)。

WSNs中的節(jié)點是利用無線信道交互數(shù)據(jù),而無線信道的環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸有直接的影響。文獻(xiàn)[5-6]的實驗研究表明,低功率傳感設(shè)備間的射頻通信服務(wù)質(zhì)量隨時間和環(huán)境波動大,原因在于:功率越小,越容易受鄰近信道的干擾,嚴(yán)重的話,鄰近信道信號會淹沒功率小的信號,這類似于通信原理中的遠(yuǎn)近效應(yīng)。因此,固定的射頻參數(shù)(如固定的傳輸功率)并不適合此環(huán)境。

如果無線傳感節(jié)點能感應(yīng)到無線信道質(zhì)量,就依據(jù)信道質(zhì)量調(diào)整射頻功率,既能保證通信可靠,又能減少能耗。即以最佳射頻功率傳輸數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]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。實驗研究表明,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,終端設(shè)備ED(End Device)就通過對接收信號強(qiáng)度RSSI(Received Strength Signal Indicator)的預(yù)測,動態(tài)調(diào)整TX功率。

在WSNs中,最通常的功率管理方法是管理節(jié)點工作周期和控制RF傳輸?shù)墓β?。而后者更多地?yīng)用于無線傳感節(jié)點和傳感網(wǎng)絡(luò)。通過選擇最優(yōu)的傳輸功率,可減少功率消耗和干擾。文獻(xiàn)[8-10]均采用后者?；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,減少能耗。文獻(xiàn)[7]就提出了自適應(yīng)地功率控制ATPC(Adaptive Transmission Power Control)算法。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線信道的波動。值得注意,環(huán)境條件與多個參數(shù)有關(guān),但這些參數(shù)均與時間有關(guān),即在不同的時間,參數(shù)不一樣。因此,環(huán)境條件是關(guān)于時間的函數(shù)。

而基于節(jié)點工作周期的功率管理方法也稱功率控制法。在此方法中,節(jié)點有工作和休眠兩種狀態(tài)。在休眠狀態(tài)時,節(jié)點能耗少。此方法也針對能量采集傳感節(jié)點[5]。具體而言,當(dāng)能量采集較低時,如太陽光線不足,就減少節(jié)點工作時間;而當(dāng)能量采集較高時,就增加工作工作時間。然而,此方法只考慮了節(jié)點性能,并沒有考慮到節(jié)點間的通信。

為此,本文基于管理節(jié)點工作周期的功率管理方法,提出基于閉環(huán)功率管理器和傳輸功率控制器CLPM-PTPC(Close-Loop Power Manager-Predictive Transmission Power Controller)的功率管理算法。CLPM-PTPC算法考慮了節(jié)點傳輸功率和采集能量信息,并通過這些信息優(yōu)化節(jié)點的工作周期。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,整個系統(tǒng)由終端設(shè)備ED(End Device)傳感節(jié)點和基站BS(Base Station)組成,其中ED傳感節(jié)點由能量采集設(shè)備供電。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示,β(t)表示能量采集率。將采集的能量存儲到能量存儲設(shè)備(例如,電池)。節(jié)點給負(fù)載供給能量α(t)。值得注意的是,β(t)值取決于從環(huán)境采取的能量,這個值不可控。然而,α(t)取決于應(yīng)用特征(例如,任務(wù)產(chǎn)生率)和硬件特性(例如,RF傳輸功率)。因此,可通過硬件限制,對α(t)進(jìn)行控制。

ED利用無線信道將感測的數(shù)據(jù)傳輸至BS。由于無線傳輸信道的不穩(wěn)定性,或者傳輸設(shè)備的故障等原因,導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失。而對于無線信道的不穩(wěn)定性,可通過傳輸功率控制器實時調(diào)整RF發(fā)射功率,進(jìn)行改善,致使BS能成功地接收數(shù)據(jù)包。而傳輸功率控制器通過BS反饋的無線信道參數(shù)實現(xiàn)對RF發(fā)射功率的調(diào)整。傳輸功率控制器的工作原理請見下文2.1節(jié)。

1.1 工作周期

ED需承擔(dān)周期性工作任務(wù),主要包括感測、RF發(fā)射、RF接收和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)四類任務(wù)。每項任務(wù)活動期為Tωi,且Tωi由活動階段(Active)和休眠階段(Sleep)組成。在活動階段,通過占用平臺資源完成這些任務(wù)。而在非活動階段,節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài),進(jìn)而保存能量。

圖2 節(jié)點周期性工作任務(wù)

引用變量Q表示節(jié)點的能耗,單位是Ah。1 Ah等于3.6庫倫。假定任務(wù)i所消耗的平均電流消耗為λi,其定義如式(1)所示:

(1)

式中:Qi為能耗。而Qi={QSense,Qtx,QRe,Qfwd}。QS、QTx、QRe以及Qfwd分別表示感測、RF發(fā)射、RF接收以及轉(zhuǎn)發(fā)四項任務(wù)所消耗的能量。

從式(1)可知,可調(diào)整Qi(例如,傳輸功率)或活動周期Tωi進(jìn)而控制各任務(wù)的平均能耗?；顒又芷赥ωi、傳輸功率的調(diào)整過程詳盡見本文3.1節(jié)、3.2節(jié)。

1.2 電池的電荷狀態(tài)

本文依據(jù)蓄電池的電荷狀態(tài)SoC(State of Charge)調(diào)整節(jié)點的活動時期。利用能量采集量β(t)和各任務(wù)所消耗的能量信息,建立未來的nTωi工作周期的電池SoC:

(2)

式中:λs、λTx以λfwd分別表示感測、傳輸以及轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)所能耗的電流。而Kleak表示漏電流。TTx、Tfwd分別表示RF發(fā)射、和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)用時。此外,蓄電池的SoC應(yīng)介于Socmax和Socmin之間。

2 CLPM-PTPC算法

2.1 活動周期的調(diào)整

工作周期控制器的目的就是找到任務(wù)的執(zhí)行時期,其代表能量平衡條件,即能量采集與能量消耗間的平衡。為此,CLPM-PTPC算法引用閉環(huán)功率管理器CL-PM(Closed-Loop Power Manager)控制節(jié)點工作時期。

當(dāng)RF發(fā)射功率為tpj時,傳輸TX任務(wù)所消耗的能量為QTx(tpj)。先測量所采集的能量β。然后再與閾值βth比較。

如果采集能量β大于閾值βth,則利用式(3)計算TX任務(wù)的工作時期TTx:

(3)

式中:Qpm表示CPU執(zhí)行功率管理所產(chǎn)生的能耗、Kleak表示漏電流。QTx(tpj)表示當(dāng)發(fā)射功率為tpj時,執(zhí)行傳輸任務(wù)所消耗的能量。n表示工作周期數(shù)。

相反,若收集能量小于閾值,需有效地利用節(jié)點能量。為此,CL-PM盡可能地縮短工作時間。在條件下,令采集的能量β=0。CL-PM試圖尋找最小的TX任務(wù)的工作時期,如式(4)所示:

(4)

式(4)分子表示所需要消耗的能量,而分母表示當(dāng)前節(jié)點擁有的能量,兩者的比值表示可工作的周期。t*表示收集能量小于閾值的開始時刻。QTx(tpj)表示當(dāng)發(fā)射功率為tpj時,執(zhí)行傳輸任務(wù)所消耗的能量。DZEI表示采集能量為零的時期。而CM表示對SoC和DZEI不準(zhǔn)確的補(bǔ)償。

2.2 傳輸功率的調(diào)整

用傳輸功率控制器PTPC(Predictive Transmission Power Controller)動態(tài)調(diào)整傳輸功率等級(Transmission Power Level,TPL),進(jìn)而應(yīng)對無線信道的波動。PTPC的框圖如圖3所示。

圖3 PTPC框圖

從圖3可知,PTPC通過系統(tǒng)狀態(tài)寄存器與CL-PM通信,系統(tǒng)狀態(tài)寄存器儲存了所有可能傳輸能量消耗值。

為了建立控制律,PTPC引用RF發(fā)射器相關(guān)的兩個變量:①TP:包含所有可能TPL(tpj∈TP);②Ri:在初始階段中所有RSSI值(ri∈Ri)。

初始階段由每個傳輸功率等級所對應(yīng)的RSSI值構(gòu)成。為此,ED先以所有可能的RF發(fā)射功率(pi)向基站傳輸數(shù)據(jù)包,基站接收后,再回復(fù)一個RSSI值(ri)給ED。通過完成這個初始階段,便形成TP和Ri兩個矢量。

具體而言,當(dāng)ED以tpj功率傳輸數(shù)據(jù)包,基站接收數(shù)據(jù)包,所接收的信號強(qiáng)度RSSI值ri,單位為dBm,這兩者可建立如式(5)所示等式。

ri=api+b

(5)

式中:a和b為線性參數(shù)。

再利用最小二乘擬合算法估計參數(shù)估計a和b。先建立誤差函數(shù)φ:

(6)

對式(6)分別以變量a和b進(jìn)行求偏導(dǎo)數(shù),并令其等于零,可得:

(7)

通過訓(xùn)練數(shù)據(jù),獲取了a和b兩個參數(shù)后,就可利用實時測量的RSSI值(Rt),調(diào)整下一時刻發(fā)射功率p。值得注意,本文是在訓(xùn)練階段對信道參數(shù)估計。即在算法開始執(zhí)行前,進(jìn)行參數(shù)估計。這主要是基于兩點考慮:①在算法執(zhí)行前,對信道參數(shù)估計,避免了采用經(jīng)驗的信道參數(shù),降低與真實環(huán)境的信道誤差;②在算法執(zhí)行期間,假定信道參數(shù)不會發(fā)生變化,或者認(rèn)為變化甚小。因此,信道參數(shù)估計的開銷并沒有列入本文的考慮范圍。

因此,依據(jù)式(5),可建立式(6),進(jìn)而依據(jù)Rt調(diào)整傳輸功率Pt值。

(8)

CLPM-PTPC算法引用有級差功率調(diào)整。為此,對式(8)選擇計算的傳輸功率Pt值進(jìn)行處理。從系統(tǒng)狀態(tài)寄存器中選擇離Pt值最接近的功率作為最終的發(fā)射功率Ptx,如圖4所示。

圖4 有級差功率調(diào)整示意圖

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[4]的模型,太陽收集WSN節(jié)點安裝了2.25 inch×2.25 inch的太陽平板和100 μAh鋰電池[11]。之所以選擇這樣的太陽平板,是因為此太陽平板是常用的太陽板,并已模板化,便于安裝。頻寬比控制器(CL-PM)的參數(shù)n=10,CL-PM的其他仿真參數(shù)參照文獻(xiàn)[1]。引用文獻(xiàn)[12]的CC2500 RF 芯片作為低功率 RF收發(fā)器[11],其中PA可從0至-30 dBm變化。此外,基站的最大傳輸功率為1 dBm。

能量采集數(shù)據(jù)引用五天太陽能量數(shù)據(jù),具體可見文獻(xiàn)[11]。五天獲取的太陽能量數(shù)據(jù)如圖5所示,其中β(t)的均值為26.29 μA、標(biāo)準(zhǔn)方差為35.28 μA。

圖5 5天內(nèi)β(t)值[11]

此外,Qtx=128.52 μAs、Qpm=128.52 μAs、SoCmin=37 μAh、SoCmax=100 μAh、DZEI=14 h=50400 s。M=3.15 μAh。

為了更好分析CLPM-PTPC的功率調(diào)整應(yīng)對時變的無線信道的能力,引用移動場景進(jìn)行仿真,如圖6所示。終端在移動的過程中,所采集的能量是波動的。

移動模型如下:ED與基站的最小距離為dmin,最大距離為dmax。設(shè)置最小距離和最大距離是為了便于控制ED的移動方向。若不設(shè)置的話,ED就朝一個方向移動。任何實驗都只可能是在一個區(qū)域內(nèi),所以必須控制在一定范圍內(nèi)。

最初,ED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,ED就反向移動,直到距離為dmin。每當(dāng)ED離基站距離為ds,ED就停留10 s。

在仿真過程中,dmin=1 m、dmax=20 m。ED的移動速度S最小為0.1 m/s,最大0.5 m/s,變化步長為0.05 m/s。ds=10 m。ED向基站發(fā)送5 000個數(shù)據(jù)包。

此外,為了更好地分析CLPM-PTPC算法的性能,選擇以固定傳輸功率和文獻(xiàn)[7]的ATPC作為參照。其中,固定傳輸功率大小為-2 dBm,且記為CLPM-Fixed;2)以ATPC[9]的頻寬比CLPM,記為CLPM-ATPC。將CLPM-PTPC算法引用至CLPM,記為CLPM-CLPM-PTPC。

3.2 數(shù)據(jù)分析

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PRR(Packet Relay Ratio)是指基站所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)Nr與ED所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)Nt之比:

PRR=Nr/Nt

(9)

而能耗是指每接收一個數(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:

Eu=Ec/Nr

(10)

而Eu反映了成功接收一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量。因此,Eu越低,功率調(diào)整性能越優(yōu)。

首先,分析PRR 性能,如圖7所示。從圖7可知,在ED移動速度小于0.2 m/s時,CLPM-PTPC和CLPM-ATPC的數(shù)據(jù)包傳遞率相近,且接近于1。在相同環(huán)境下,CLPM-Fixed僅維持0.8的數(shù)據(jù)包傳遞率。當(dāng)移動速度大于0.2 m/s時,數(shù)據(jù)包傳遞率呈下降趨勢。這符合事實情況,當(dāng)移動速度過快時,通信鏈路的連通時間更短,鏈路容易斷裂,因此,提高了數(shù)據(jù)包傳輸中斷的概率,最終,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。

此外,在整個速度變化區(qū)間,CLPM-Fixed的數(shù)據(jù)包傳遞率變化不大,當(dāng)移動速度大于0.2 m/s后,數(shù)據(jù)包傳遞率趨近于0.8。與CLPM-ATPC協(xié)議,CLPM-PTPC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到提高。例如,在移動速度從0.2 m/s至0.3 m/s,CLPM-ATPC協(xié)議丟失了約10%的數(shù)據(jù)包,而CLPM-PTPC算法維持90%以上的數(shù)據(jù)包傳遞率。當(dāng)移動速度大于0.3 m/s后,CLPM-ATPC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最低。

接下來,分析CTPM-PTPC算法的能耗。將式(9)代入式(10)可得式(11)。從式(11)可知,每成功傳輸一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量Eu反比于數(shù)據(jù)包傳遞率。數(shù)據(jù)包傳遞率越高,說明數(shù)據(jù)傳輸效率高,即傳輸路中的時間短,相應(yīng)地,能量消耗少。

(11)

傳輸一個數(shù)據(jù)包消耗的能量隨節(jié)點移動速度的變化曲線如圖8所示。從圖8可知,當(dāng)節(jié)點移動速度大于0.35 m/s時,CLPM-ATPC協(xié)議能量消耗迅速增加。

此外,當(dāng)CLPM-PTPC的能耗均低于CLPM-Fixed協(xié)議和CLPM-ATPC協(xié)議,比CLPM-Fixed協(xié)議的平均能耗降低了約15%。這些數(shù)據(jù)充分表明,CLPM-PTPC能夠依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)條件調(diào)整功率,進(jìn)而有效地提高了能量效率。

最后分析功率對數(shù)據(jù)包傳輸?shù)挠绊憽＜俣ü?jié)點以速度0.4 m/s速度移動,分析在仿真時間內(nèi)所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)以及發(fā)射功率的調(diào)整結(jié)果,如圖9所示。

圖9 所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)和傳輸功率

從圖9可知,當(dāng)節(jié)點移動至150 s時,節(jié)點與基站鏈路斷裂,必須需要進(jìn)行功率調(diào)整,否則無法傳輸數(shù)據(jù),導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸中斷,如圖9(a)所示。通過調(diào)整功率,重建了鏈路,如圖9(b)所示。

4 結(jié)束語

本文針對能量采集的傳感節(jié)點的功率管理策略展開了研究,并提出CLPM-PTPC功率管理算法。CLPM-PTPC算法優(yōu)化節(jié)點的工作周期,并依據(jù)無線信道情況,調(diào)整節(jié)點傳輸功率,致使保證節(jié)點傳輸功率的同時,最小化節(jié)點能耗。實驗數(shù)據(jù)表明,提出的CLPM-PTPC算法能有效地提高節(jié)點能效,并保證了數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

后期,將研究信道參數(shù)估計所帶的開銷,同時分析信道參數(shù)估計的準(zhǔn)確性。這將是后期研究工作的方向。

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