馬麗 胡海峰

摘 要： 傳統(tǒng)能耗控制系統(tǒng)存在節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間短、匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、成本高等問題，為了節(jié)約能源消耗，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)，從電路器件、微處理器方面對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。構(gòu)建分簇結(jié)構(gòu)，并對(duì)軟件編譯器進(jìn)行優(yōu)化，融合中斷技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)能量、動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行控制管理。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間長(zhǎng)、匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、成本低等特點(diǎn)，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)性能具有積極影響。

關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)； 通信節(jié)點(diǎn)； 傳輸能耗； 控制系統(tǒng)； 分簇結(jié)構(gòu)； 中斷技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0027?04

Design of energy consumption control system for wireless

network communication node transmission

MA Li， HU Haifeng

（College of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： The traditional energy consumption control system has the problems of short node survival time， small aggregation node quantity and high cost. In order to save the energy consumption， the energy consumption control system of wireless network communication node transmission was designed. According to the characteristics of wireless network communication， the system hardware is designed in the aspects of circuit devices and microprocessor， the cluster structure is constructed， the software compiler is optimized， and the interrupt technique is fused to control and manage the dynamic energy and dynamic voltage. The rationality of the system design was verified and experimental conclusion was obtained in experiment. The experimental results show that the system has the characteristics of long node survival time， large aggregation node quantity and low cost， and a positive effect on the improvement of network performance.

Keywords： wireless network； communication node； transmission energy consumption； control system； cluster structure； interrupt technology

0 引 言

在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行過程中，節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目刂茖?duì)能源消耗起著決定性作用，通信網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，對(duì)能源的需求非常大，因此需要遵守節(jié)點(diǎn)傳輸規(guī)則來控制節(jié)點(diǎn)能源消耗。利用網(wǎng)絡(luò)冗余節(jié)點(diǎn)的休眠機(jī)制來控制能源負(fù)載均衡，該方法可有效控制能源消耗，促使節(jié)點(diǎn)的能源消耗達(dá)到均衡狀態(tài)。在無線網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)處的能源消耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傳輸控制具有重大意義，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)硬件部分從電路器件和微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)軟件部分利用分簇結(jié)構(gòu)展開分析。采用低耗能技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件部分的節(jié)點(diǎn)節(jié)能，從物理層次上控制數(shù)據(jù)傳輸速率，忽略節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)消耗的能源。針對(duì)軟件消耗部分利用節(jié)能通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)節(jié)能，通過分簇結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲取能量高效路由協(xié)議來解決不平衡負(fù)載分布情況。

基于此，為了保障網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行，且耗能最低，需對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)?？傊O(shè)計(jì)具有節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間長(zhǎng)、匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量多的傳輸控制系統(tǒng)是有必要的。

1 傳輸能耗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷成熟，越來越多的節(jié)點(diǎn)引入到低耗能設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于無線網(wǎng)絡(luò)通信能量有限，為了提高節(jié)點(diǎn)傳輸性能需從電路器件、微處理器等器件方面著手設(shè)計(jì)。

1.1 電路器件設(shè)計(jì)

利用互補(bǔ)金屬氧化物構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路來降低器件整體功耗，使電路靜態(tài)耗能達(dá)到最小，但動(dòng)態(tài)耗能依然較大。因此，為了降低電路器件耗能，主要途徑還是降低通信節(jié)點(diǎn)傳輸控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耗能，動(dòng)態(tài)功耗為：

[Q=PV2n] （1）

式中：[P]為系統(tǒng)負(fù)載電容；[V]為系統(tǒng)工作電壓；[n]為系統(tǒng)正常工作時(shí)的頻率。由式（1）可知，無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)能源消耗控制主要與系統(tǒng)工作時(shí)的電壓和頻率有關(guān)，為此，設(shè)計(jì)低能源消耗系統(tǒng)就需從該方面進(jìn)行節(jié)能。

1.2 微處理器設(shè)計(jì)

無線通信節(jié)點(diǎn)微處理器能源消耗在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，設(shè)計(jì)合適的微處理器對(duì)系統(tǒng)性能具有較大影響[1]。一般情況下，微處理器能源消耗可分成兩部分，分別是內(nèi)核能源消耗和外部接口控制器能源消耗。處理器總能源消耗為：

[Q=Q1+Q2] （2）

式中：[Q1]為系統(tǒng)端口處的能源消耗，該部分的消耗與電壓高低有關(guān)；[Q2]為系統(tǒng)控制器的能源消耗，該部分的消耗與控制器數(shù)據(jù)總線寬度有關(guān)[2]。因此，對(duì)微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需降低工作電壓，并減小總線寬度，可有效抑制能源大量消耗。

無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗主要集中在通信模塊中，設(shè)計(jì)能源消耗模型如圖1所示。

由圖1可知：[p1]為系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)消耗的功率；[p2]為系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)接收的信噪比功率；[i]為路徑衰減指數(shù)；[d]為節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離；[m]為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，單位[3]為bit。

根據(jù)能源消耗模型可知，無線通信信道具有對(duì)稱性，對(duì)節(jié)點(diǎn)周圍情況進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，以一定速度進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸距離[dd1]時(shí)，路徑衰減指數(shù)[i=4，]能源消耗會(huì)隨著距離[d]的增大而急劇增加，此時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能源與距離[d]的4次方成正比例關(guān)系[4]。

在微處理器件當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)，能源消耗較大，為此，對(duì)該部分設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，盡量減少數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與接收時(shí)消耗的能源[5]。當(dāng)節(jié)點(diǎn)傳輸距離一定時(shí)，路徑衰減指數(shù)[i=2，]采用一條傳輸途徑與多條傳輸途徑方式會(huì)導(dǎo)致能源消耗存在較大差異，如圖2所示。

由圖2可知：當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間距離較近，數(shù)據(jù)傳輸可采用多條傳輸途徑方式來節(jié)約能源。其中一條傳輸途徑耗費(fèi)的能源為：[p1=12=1；]多條傳輸途徑耗費(fèi)的能源為：[p2=0.22+0.22+0.42=0.24]。該結(jié)果說明，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用多條傳輸途徑的通信方式可有效降低無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的能耗。

2 傳輸能耗控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸過程中，設(shè)計(jì)分簇結(jié)構(gòu)對(duì)軟件編譯器進(jìn)行優(yōu)化，融合中斷技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)能量、動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行控制，進(jìn)而降低軟件部分能源的消耗[6]。

分簇結(jié)構(gòu)指的是將節(jié)點(diǎn)直接以數(shù)據(jù)形式發(fā)送給簇頭，在簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間利用一條傳輸途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖3所示。

由圖3可知，該結(jié)構(gòu)是由簇頭與普通節(jié)點(diǎn)組成的，簇頭具有動(dòng)態(tài)屬性，本地協(xié)調(diào)可產(chǎn)生簇群，具有數(shù)據(jù)融合等優(yōu)勢(shì)。

分簇結(jié)構(gòu)采用周期輪換制度，一般情況下，需要將簇的結(jié)構(gòu)構(gòu)建分為兩個(gè)階段，分別是建立階段與穩(wěn)定階段[7]。簇的建立階段主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生大量的簇頭，方便節(jié)點(diǎn)快速進(jìn)行分簇管理；簇的穩(wěn)定階段主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，利用多媒體控制層協(xié)議限制數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生的信道沖突情況，并對(duì)所有節(jié)點(diǎn)以同樣速率發(fā)送數(shù)據(jù)包。使用共享傳輸介質(zhì)（TDMA）的復(fù)用方式分配通信時(shí)隙[8]。

2.1 編譯器優(yōu)化

在對(duì)編譯器進(jìn)行優(yōu)化的過程中，需選擇正確編譯順序來節(jié)約軟件部分的能源，采用休眠機(jī)制節(jié)約網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)整體能量的有效性。休眠狀態(tài)指節(jié)點(diǎn)基本處于關(guān)閉狀態(tài)，可直接接收網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)發(fā)送的喚醒信息，編譯器中節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)關(guān)系為：節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)經(jīng)過一定周期轉(zhuǎn)換為傾聽狀態(tài)，傾聽狀態(tài)受到喚醒變?yōu)榛钴S狀態(tài)；活躍狀態(tài)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)冗余和網(wǎng)絡(luò)覆蓋度降低轉(zhuǎn)換為傾聽狀態(tài)，傾聽狀態(tài)經(jīng)過周期沒有接收到任何喚醒信息變?yōu)樾菝郀顟B(tài)[9]。

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)部署后，大部分節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，一旦出現(xiàn)喚醒消息，節(jié)點(diǎn)立刻轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)，此過程接收的鄰居節(jié)點(diǎn)信息都被覆蓋。休眠調(diào)度機(jī)制的主要目的是在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下減少節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的時(shí)間，進(jìn)而提高編譯器代碼生成效率，降低系統(tǒng)能源消耗。

2.2 動(dòng)態(tài)能量控制

動(dòng)態(tài)能量控制指的是將未工作的器件關(guān)閉，并將正在使用的器件轉(zhuǎn)換為低功能消耗狀態(tài)。進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸控制設(shè)計(jì)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)能量控制可對(duì)微處理器和無線通信不同狀態(tài)進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)均衡網(wǎng)絡(luò)能源消耗的目的。利用中斷技術(shù)將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置為多個(gè)事件進(jìn)行處理，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生了中斷信號(hào)，那么數(shù)據(jù)處理器將處于省電模式，因此，該技術(shù)可將動(dòng)態(tài)能量進(jìn)行有效地轉(zhuǎn)換，且不影響能量產(chǎn)生結(jié)果，但是能源消耗情況差別較大。利用中斷技術(shù)可將系統(tǒng)工作狀態(tài)設(shè)置為等待模式，此時(shí)的數(shù)據(jù)處理器基本不消耗任何能量，為此，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，融合中斷技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)能量進(jìn)行控制可有效降低數(shù)據(jù)處理器的能源消耗。

2.3 動(dòng)態(tài)電壓控制

動(dòng)態(tài)電壓控制指的是系統(tǒng)在負(fù)載較低的情況下，通過降低數(shù)據(jù)處理器電壓方式，促使工作電壓與頻率達(dá)到有效節(jié)約能源的目的。利用中斷技術(shù)可將電壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)閯?dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)模式，促使大部分通信節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載相對(duì)較低，方便任務(wù)執(zhí)行時(shí)控制微處理器的能量負(fù)載均衡變化，進(jìn)而降低能源消耗。

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，根據(jù)任務(wù)需求完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，按照采集順序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給簇群，經(jīng)過簇群內(nèi)部的數(shù)據(jù)融合可將所有數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)處。由于該系統(tǒng)需采用隨機(jī)選舉簇頭機(jī)制，因此，每經(jīng)過一段時(shí)間就需要對(duì)簇頭進(jìn)行重新選擇，此方法可有效避免因簇頭能源消耗過高而造成系統(tǒng)大量能源消耗問題，進(jìn)而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)使用壽命。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。利用網(wǎng)絡(luò)仿真器作為離散事件模擬器，以C++和OTCL語言為多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可用于通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)處理器、分布式系統(tǒng)的建模與實(shí)驗(yàn)，也可作為平臺(tái)分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)性能，研究網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

基于無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

根據(jù)圖4中節(jié)點(diǎn)的分布情況，利用多種網(wǎng)絡(luò)能耗均衡協(xié)議，設(shè)置如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：采用嵌入式系統(tǒng)作為研究平臺(tái)；

無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量：120個(gè)節(jié)點(diǎn)，并隨機(jī)布置；

實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)范圍：120 m×120 m；

節(jié)點(diǎn)初始功率：0.55 J；

節(jié)點(diǎn)接收功率：0.39 J；

多媒體控制層協(xié)議：MAC?SENSOR；

節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：（40，140）。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比結(jié)果與分析

將傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)死亡的時(shí)間為380 s，到750 s時(shí)節(jié)點(diǎn)存活率為0，全部死亡；而本文系統(tǒng)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)死亡的時(shí)間為740 s，到900 s時(shí)節(jié)點(diǎn)存活率為0，全部死亡。由此可知，本文設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)的問題，促使能耗控制更加均衡。

3.2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)量對(duì)比結(jié)果與分析

將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在同一狀態(tài)下，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)明顯多于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)最終的數(shù)據(jù)接收量為6.58×104 bit，而本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)接收量為1.095×105 bit。由此可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，促使較多能量被用來傳送數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比結(jié)果分析可知，本文設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)的問題，促使能耗控制更加均衡，節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間較長(zhǎng)；通過對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)量對(duì)比結(jié)果與分析可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，促使較多能量被用來傳送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸控制能力較強(qiáng)。

4 結(jié) 語

目前無線通信網(wǎng)絡(luò)常常需要根據(jù)周圍環(huán)境采取不同節(jié)能路由協(xié)議，在該協(xié)議研究過程中，能耗問題往往比較復(fù)雜，因此，研究節(jié)能、能耗均衡的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成為首要條件。分別對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間長(zhǎng)、匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量多的特點(diǎn)，可有效控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳輸，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命的目的。

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