張華南,金 紅,王 峰

(1.廣東培正學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東 廣州 510830;2.湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430062;3.湖北文理學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,湖北 襄陽(yáng) 441053)

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs(Wireless Sensor Networks)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健和工業(yè)控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。WSNs由多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)監(jiān)視一個(gè)環(huán)境，信息數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)名為sink的遠(yuǎn)程主機(jī)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由處理單元、存儲(chǔ)器、傳感器和收發(fā)器等多個(gè)組件組成[2]。通常，這些設(shè)備由電池供電，因此使用壽命有限，這使得能源成為最寶貴的資源之一，尤其是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年的情況下。

Figure 1 Energy management(EM)structure

為了解決傳感器能源消耗問(wèn)題，一個(gè)可取的方法是能量收集EH(Energy Harvesting)與能量管理EM(Energy Management)，節(jié)點(diǎn)由環(huán)境能源(如陽(yáng)光、風(fēng)、振動(dòng)和水流等)提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)的電池供電方式相比，使用EH可以將WSNs的壽命提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)能量中性操作ENO(Energy Neutral Operation)狀態(tài)，即收獲的能量大于或等于長(zhǎng)期消耗的能量[3]。

對(duì)于能量管理Kansal等人[4]有相關(guān)研究，利用能量預(yù)測(cè)采收能量，并根據(jù)預(yù)測(cè)能量與觀測(cè)能量差值計(jì)算占空比。Castagnetti等人[5]引入了閉環(huán)電源管理器CL-PM(Closed-Loop Power Manager)，使用2種不同的能源管理策略，一種是使用環(huán)境能源；另一種用于收集能源低于固定閾值情況，也稱零能源時(shí)隙。Renner等人[6]提出了一種基于預(yù)測(cè)能源的算法，以超級(jí)電容為儲(chǔ)能裝置的能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)消耗和收獲的超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)備進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 能量收集與管理

針對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集EH-WSNs引入一種新的能量管理EM，其任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前剩余能量，通過(guò)吞吐量來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的性能，EM可與多種MAC協(xié)議協(xié)同使用。假設(shè)把時(shí)間分成相等的時(shí)間間隔T,當(dāng)前剩余能量用eR表示，喚醒時(shí)隙用TWI表示。

2個(gè)子模塊組成EM，如圖1所示。圖1中，τi表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，NS是狀態(tài)數(shù)，Pi表示節(jié)點(diǎn)功耗,eR[k-1]表示EBC在時(shí)隙k-1的剩余能量，eb[k]表示節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙k的能量預(yù)算,Tw[k]表示喚醒時(shí)隙，MACX和MACY表示不同的MAC協(xié)議。第1個(gè)模塊是能量預(yù)算EBC(Energy Budget Computation)模塊，評(píng)估節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙k中可以消耗的能量，以確保持續(xù)性，這部分能量稱為能量預(yù)算，用eB[k]表示。相應(yīng)地，時(shí)隙k-1的剩余能量和能量的變化量分別用eR[k-1]和ΔeR[k-1]表示，定義為：

ΔeR[k-1]=eR[k-1]-eR[k-2]

(1)

第2個(gè)模塊是吞吐量計(jì)算TC(Throughput Computation)模塊，根據(jù)能量預(yù)算eB[k]計(jì)算喚醒時(shí)隙TWI[k]。當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的唯一任務(wù)是將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還必須中繼其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。TC是特殊的星型網(wǎng)絡(luò)，因此EM可以通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊來(lái)代替TC，從而使其更容易適應(yīng)多跳場(chǎng)景。TC負(fù)責(zé)分配多跳網(wǎng)絡(luò)所需的感知和中繼任務(wù)之間的能量預(yù)算。

Figure 2 Energy storage levels and rule

2.1 能量預(yù)算EBC設(shè)計(jì)

(2)

其中,δeB[k]為能量預(yù)算修正，根據(jù)剩余能量eR和能量的變化量△eR的當(dāng)前值計(jì)算。環(huán)境影響評(píng)估有2個(gè)目標(biāo)：一是在可獲得的環(huán)境能源很少的情況下，找出一項(xiàng)能源預(yù)算，在釋放速度和服務(wù)質(zhì)量之間達(dá)成適當(dāng)?shù)恼壑?；二是?dāng)環(huán)境能源可用時(shí)，避免飽和或在充電率和服務(wù)質(zhì)量之間找到一個(gè)好的折衷，可以通過(guò)調(diào)整能源預(yù)算值實(shí)現(xiàn)，該值取決于剩余能源及其變化。圖2b所示為能量預(yù)算EBC策略。在表中，ΔeB是EM的一個(gè)正參數(shù)，當(dāng)儲(chǔ)能量處于ENI區(qū)間或處于飽和區(qū)間時(shí)，ΔeB對(duì)應(yīng)于能量預(yù)算修正。選擇ΔeB需要在EBC的反應(yīng)和分配的能源預(yù)算的可變性之間進(jìn)行折衷。選擇的ΔeB值越高，導(dǎo)致EM的反應(yīng)活性越高，但代價(jià)是能量預(yù)算的劇烈變化，這可能不適用于許多應(yīng)用。另一方面，ΔeB值越低，EM的反應(yīng)活性越低，能量平衡變化越平穩(wěn)。因此，ΔeB的選擇取決于能源來(lái)源和應(yīng)用要求。從圖2中可以考慮4種場(chǎng)景，后面將詳細(xì)介紹。

(1)飽和風(fēng)險(xiǎn)。

(2)能量中性區(qū)間。

如果剩余能量屬于ENI，則EBC的目標(biāo)是保持節(jié)點(diǎn)處于ENO-MAX狀態(tài)。當(dāng)剩余能量相對(duì)保持恒定時(shí)，達(dá)到ENO-MAX狀態(tài)，EBC修正ΔeR的能量預(yù)算，使節(jié)點(diǎn)保持在ENO-MAX狀態(tài)。能量中性區(qū)間如圖2b中R4,R5,R6所示。

(3)充電狀態(tài)。

(3)

其中,MC和KC為充電策略調(diào)整參數(shù)。μC隨著eR的增加而增加。當(dāng)KC=1時(shí)，ΔeB隨eR線性增加；當(dāng)KC≤1時(shí)，隨著剩余能量的增加，增長(zhǎng)速率增大；而KC>1時(shí)，隨著eR的增加，增長(zhǎng)速率減小。充電狀態(tài)如圖2b中R3所示。

(4)放電狀態(tài)。

(4)

其中,MD和KD為放電策略調(diào)整參數(shù)。μD隨著eR的增加而減小，能量?jī)?chǔ)存越少。KD和μD對(duì)放電策略的影響與KC和MC對(duì)充電策略的影響相似。放電狀態(tài)如圖2b中R2,R3所示。

2.2 吞吐量計(jì)算TC的設(shè)計(jì)

吞吐量計(jì)算TC的目標(biāo)是計(jì)算節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的吞吐量，以消耗EBC指定的能量。由于無(wú)線通信最消耗能源，因此給定能量預(yù)算的節(jié)點(diǎn)吞吐量與MAC協(xié)議緊密相關(guān)[8]。

MAC協(xié)議傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包，通常需要很多步驟，比如接收/發(fā)送信標(biāo)幀、發(fā)送數(shù)據(jù)幀、接收確認(rèn)(ACK)幀等等。使用給定協(xié)議通信時(shí)節(jié)點(diǎn)可能處于的狀態(tài)數(shù)用NS表示。每個(gè)狀態(tài)由不同組件狀態(tài)(MCU、無(wú)線電芯片和傳感器)的組合定義。狀態(tài)i∈{1,…,NS},單包傳輸過(guò)程用τi表示，節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的功耗用Pi表示。因此，執(zhí)行測(cè)量和發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包的整個(gè)過(guò)程的能量是：

(5)

節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙k上消耗的能量為：

(6)

(7)

將式(6)中的eC[k]替換為eB[k]，得到相應(yīng)的吞吐量(以每分鐘包數(shù)計(jì)算)為：

(8)

通常MAC協(xié)議是基于偽異步方法，這使得τi值的估計(jì)具有挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，對(duì)于不同包的傳輸，空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間差異很大。由于這些值的估計(jì)不準(zhǔn)確，節(jié)點(diǎn)所消耗的能量可能與EBC計(jì)算的能量預(yù)算相差很大，這可能導(dǎo)致電力故障或能源浪費(fèi)[9]。

2.3 能源利用系數(shù)

為了評(píng)估不同MAC協(xié)議的能源效率，將能源利用系數(shù)EUC(Energy Utilization Coefficient)定義為吞吐量與能源預(yù)算的比值：

(9)

EUC根據(jù)可用的能源預(yù)算對(duì)MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)的吞吐量進(jìn)行量化，結(jié)合式(7)～式(9)，得到：

(10)

其中H定義為：

H=eT-τTPS

(11)

H是與給定硬件和MAC協(xié)議相關(guān)的常數(shù)。實(shí)際上，τT值依賴于MAC協(xié)議，而Pi值依賴于硬件。對(duì)于給定的硬件和MAC,EUC不是常數(shù)，而是隨著能源預(yù)算eB的增加而增加。其次，EUC是有界的，其表達(dá)式為：

(12)

由式(12)可知，H值越小，ξ∞的值越大，因此H值越小越好。假設(shè)Pi值是固定的，睡眠狀態(tài)PS的功耗應(yīng)該比其他狀態(tài)Pi的功耗小得多。這個(gè)假設(shè)適用于所有的WSNs。因此，通過(guò)最小化τi值來(lái)最小化H。為了使H最小，在每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)只發(fā)送數(shù)據(jù)幀。然而，大多數(shù)MAC協(xié)議都引入了開(kāi)銷來(lái)同步節(jié)點(diǎn)或錯(cuò)誤控制[10]。

3 喚醒接收器的MAC協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有了大量的研究。MAC可以分為3種模式：同步、偽異步和異步。在第1種模式中，同步相鄰節(jié)點(diǎn)被同時(shí)喚醒。然而，在EH-WSNs環(huán)境下，環(huán)境電源提供的能量隨時(shí)間和空間不斷變化，使得同步模式不適用于此類應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)際上，由能量收集提供動(dòng)力的節(jié)點(diǎn)必須能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整其占空比，偽異步和異步方案允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立于其他節(jié)點(diǎn)選擇其活動(dòng)調(diào)度。傳統(tǒng)偽異步方案依賴于占空比循環(huán)，其中節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己特定時(shí)間表周期性地開(kāi)關(guān)電源。

偽異步模式分為發(fā)送方發(fā)起和接收方發(fā)起，在發(fā)送方發(fā)起的方案中，接收節(jié)點(diǎn)被定期喚醒來(lái)監(jiān)視信道，如果發(fā)現(xiàn)信道是空的，則在被短時(shí)間喚醒后返回睡眠狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，它將發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)監(jiān)聽(tīng)周期。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)醒來(lái)時(shí)獲取傳輸請(qǐng)求，并通過(guò)一條消息回答傳輸節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包被發(fā)送出去。在接收方發(fā)起的方案中，接收節(jié)點(diǎn)定期醒來(lái)并發(fā)送一個(gè)信號(hào)，并對(duì)信道進(jìn)行短時(shí)間監(jiān)控,如果沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，就會(huì)返回睡眠狀態(tài)。如果節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù),它將偵聽(tīng)來(lái)自接收器的清除發(fā)送信號(hào)通道，并在接收后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包[11]。

使用ULP WuRx(Ultra Low Power Wake-up Receiver)可以實(shí)現(xiàn)全異步通信。由于ULP WuRx技術(shù)尚處于發(fā)展階段，且相對(duì)較新，目前對(duì)利用ULP WuRx設(shè)計(jì)通信協(xié)議研究較少。

使用ULP WuRx的星型網(wǎng)絡(luò)SNW-MAC(Star Network WuRx-MAC)協(xié)議，是一種用于數(shù)據(jù)收集的星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳統(tǒng)協(xié)議使用占空比循環(huán)方法來(lái)降低能源消耗，但是，該方案并不能消除由于空閑監(jiān)聽(tīng)而產(chǎn)生的能量浪費(fèi)，此外，傳統(tǒng)協(xié)議容易發(fā)生沖突，這會(huì)降低它們的可伸縮性并增加能源消耗。SNW-MAC利用ULP WuRx實(shí)現(xiàn)異步通信，將傳輸數(shù)據(jù)包所需的能量降至最低，同一SNW-MAC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包之間不發(fā)生沖突。

SNW-MAC是一種異步模式。使用SNW-MAC進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牧鞒倘鐖D3所示，其中,Tx表示星型網(wǎng)絡(luò)傳輸，Rx表示星型網(wǎng)絡(luò)接收，節(jié)點(diǎn)n在時(shí)隙k進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。接收器通過(guò)發(fā)送包含特定傳感器節(jié)點(diǎn)地址的喚醒信號(hào)WuB(Wake-up Beacon)來(lái)初始化通信，然后偵聽(tīng)信道接收數(shù)據(jù)包。目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)被其ULP WuRx喚醒，并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包中攜帶其喚醒時(shí)隙[12]。sink保存一個(gè)更新后的表，該表關(guān)聯(lián)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)隙，并在正確的時(shí)間輪詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)。接收器為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)用于承載數(shù)據(jù)包中喚醒時(shí)隙的計(jì)時(shí)器，并在計(jì)時(shí)器每次過(guò)期時(shí)輪詢?cè)摴?jié)點(diǎn)。感知操作由每個(gè)節(jié)點(diǎn)在2個(gè)接收器輪詢之間的任何時(shí)間執(zhí)行，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好在接收器發(fā)送喚醒信標(biāo)時(shí)發(fā)送。與傳統(tǒng)的接收端發(fā)起協(xié)議相比，由于不需要匯聚過(guò)程，該方法降低了匯聚和節(jié)點(diǎn)的能量消耗，避免了不必要的周期性WuB發(fā)送，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的能量消耗。由于喚醒時(shí)隙通常是16位整數(shù)，因此承載此信息所產(chǎn)生的開(kāi)銷很小。此外，接收器可以使用WuB來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)[13]。

Figure 3 SNW-MAC:packet transmission and Wake-up Beacon(WuB)

與傳統(tǒng)的偽異步模式相比，SNW-MAC通過(guò)協(xié)調(diào)接收器上的數(shù)據(jù)包傳輸，消除了沖突風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是輪詢的。然而，無(wú)線信道的干擾可能會(huì)導(dǎo)致幀的損壞，因此節(jié)能的錯(cuò)誤控制和數(shù)據(jù)包重傳是一個(gè)重要的問(wèn)題。由于接收端完全負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)包的傳輸，因此它負(fù)責(zé)檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤并調(diào)度另一次嘗試。每個(gè)WuB嵌入一個(gè)預(yù)期8位序列號(hào)的數(shù)據(jù)包。接收器保存一個(gè)更新后的表，該表為每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)輪詢的下一個(gè)數(shù)據(jù)包序列號(hào)。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)ULP WuRx獲得一個(gè)WuB時(shí)，同時(shí)讀取地址和序列號(hào)。由于ULP WuRx能夠直接識(shí)別地址，它只有在地址有效時(shí)才喚醒節(jié)點(diǎn)微處理器MCU(MicroController Unit)，然后使用串口將序列號(hào)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)MCU。所有序列號(hào)低于接收序列號(hào)的數(shù)據(jù)包都被認(rèn)為是成功接收或由于傳輸嘗試次數(shù)過(guò)多而被丟棄了，因此將其從傳輸緩沖區(qū)中刪除。然后節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有接收請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包攜帶了它的序列號(hào)。當(dāng)接收器從給定的傳感器節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，接收器將檢查數(shù)據(jù)包序列號(hào)。如果數(shù)據(jù)包的序列號(hào)是接收器期望的序列號(hào)，則接收器將遞增與此節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的序列號(hào)。當(dāng)接收器檢測(cè)到傳輸失敗時(shí)，例如接收到的數(shù)據(jù)包已損壞，不會(huì)增加序列號(hào)并設(shè)置隨機(jī)回退。使用SNW-MAC，節(jié)點(diǎn)只發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從而最小化每個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗。此外，如果數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不變，每個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗變化也會(huì)最小化。事實(shí)上，造成能源消耗變化的唯一可能原因是重新傳輸[14]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

利用多能源轉(zhuǎn)換MESC(Multiple Energy Source Converter)架構(gòu)的單路徑體系結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)儲(chǔ)能裝置，所有采集到的能量都用于給儲(chǔ)能裝置充電，儲(chǔ)能裝置通過(guò)DC-DC變換器直接為節(jié)點(diǎn)供電。圖4所示為MESC的塊結(jié)構(gòu)，它可以與各種能源收割機(jī)(例如光伏電池、熱電發(fā)電機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī))一起使用，使用適當(dāng)?shù)哪芰窟m配器來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化輸出能量[15]。選擇超級(jí)電容器作為存儲(chǔ)設(shè)備是因?yàn)樗鼈儽入姵馗陀?，能提供更高的功率密度。本文?shí)驗(yàn)基于MESC架構(gòu)的PowWow平臺(tái)，采用CC1120無(wú)線電芯片。儲(chǔ)能裝置為0.9 F超級(jí)電容，最大電壓5.0 V，節(jié)點(diǎn)供電所需的最小電壓為2.8 V。剩余能量eR計(jì)算如下：

(13)

其中,C為超級(jí)電容,VC為電容器的電壓。由于超級(jí)電容通過(guò)DC-DC變換器向節(jié)點(diǎn)供電，如圖4所示，DC-DC變換器的效率隨著輸入電壓的變化而變化，因此節(jié)點(diǎn)所消耗的功率取決于超級(jí)電容的充電情況。因此，可以測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓(2.8 V～5.0 V)下各τi的功耗Pi。實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)如表1所示，表1中提供了MAC協(xié)議、物理層PHY和能量預(yù)算EBC的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

Figure 4 Hardware architecture of a WSNs node using the multiple energy source converter(MESC)

4.2 超低功率喚醒接收器

ULP WuRx采用開(kāi)關(guān)鍵控OOK(On-Off

Table 1 Parameters of experiment

Keying)調(diào)制，是最簡(jiǎn)單的幅移鍵控ASK(Amplitude-Shift Keying)調(diào)制形式。當(dāng)ULP WuRx檢測(cè)到載波時(shí)，喚醒微控制器，微控制器讀取嵌入到WuB中的地址并進(jìn)行地址匹配。如果接收到的地址無(wú)效，微控制器將返回休眠狀態(tài),如果地址是有效的，將使用中斷喚醒節(jié)點(diǎn)MCU。

4.3 比較MAC協(xié)議

圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電電源管理架構(gòu)UPMA(Unified Radio Power Management Architec-ture)-X-MAC和PW-MAC協(xié)議的比較。節(jié)點(diǎn)通過(guò)不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包來(lái)啟動(dòng)通信，直到接收到來(lái)自接收器的ACK幀為止。如果接收器檢測(cè)到數(shù)據(jù)包并完全接收，則由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK幀，如圖5a所示。

Figure 5 UPMA-X-MAC and PW-MAC protocols

PW-MAC是一種接收端發(fā)起的協(xié)議，主要關(guān)注接收端和發(fā)送端的能源效率。使用PW-MAC的數(shù)據(jù)包傳輸如圖5b所示。在接收端，接收器周期性地醒來(lái)并發(fā)送信標(biāo)(BCN)幀。在發(fā)射端，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都精確地預(yù)測(cè)接收器將在何時(shí)醒來(lái)。如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)將在接收發(fā)送下一個(gè)信標(biāo)之前醒來(lái)。一旦獲得信標(biāo)，節(jié)點(diǎn)將發(fā)送數(shù)據(jù)包并等待ACK幀。在每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，計(jì)算一個(gè)預(yù)測(cè)誤差，節(jié)點(diǎn)根據(jù)該誤差更新節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)時(shí)間[16]。為了評(píng)估MAC協(xié)議的能量效率，測(cè)量單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸和接收的能量消耗是很重要的。在10.2 Ω電阻和3.5 V電源串聯(lián)的情況下，測(cè)量這3種評(píng)估協(xié)議的能量軌跡。除了允許對(duì)能耗進(jìn)行詳細(xì)分析外，這些微基準(zhǔn)還用于設(shè)置式(5)中的τi值，并計(jì)算與EUC度量相關(guān)的H和ξ∞值。

Figure 6 Microbenchmarks of the MAC protocols

測(cè)量結(jié)果如圖6所示，其中Pc為節(jié)點(diǎn)的功耗。圖6a顯示了與其他協(xié)議相比使用SNW-MAC協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包的功耗達(dá)到最低,它只需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀(B)。如果數(shù)據(jù)有效載荷長(zhǎng)度固定，則發(fā)送數(shù)據(jù)包的能量消耗是恒定的。對(duì)于圖6b中的sink，可以看到數(shù)據(jù)包接收的2個(gè)階段，發(fā)送WuB(A)然后接收數(shù)據(jù)幀(B)。由于與非WuB幀相比，發(fā)送WuB的比特率更低，傳輸功率更高，因此輪詢節(jié)點(diǎn)對(duì)接收器的能量開(kāi)銷更大。這個(gè)結(jié)果會(huì)激發(fā)數(shù)據(jù)包中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)隙，允許接收器只在正確的時(shí)間輪詢節(jié)點(diǎn)[17]。

在圖6所示的MAC協(xié)議的測(cè)試中，顯示了數(shù)據(jù)包的傳輸情況，圖6c和圖6d分別顯示了使用PW-MAC進(jìn)行分組傳輸和接收的能量消耗。使用此協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包需要接收信標(biāo)(A)和幀ACK(C)，這使得發(fā)送數(shù)據(jù)包的能量消耗高于使用SNW-MAC協(xié)議的。此外，發(fā)送方會(huì)在接收器發(fā)送信標(biāo)之前短時(shí)間內(nèi)醒來(lái)，以防止預(yù)測(cè)錯(cuò)誤。這個(gè)時(shí)隙在每次傳輸時(shí)都是不同的，導(dǎo)致每個(gè)包傳輸?shù)哪芰肯氖遣缓愣ǖ?。由于時(shí)鐘漂移，預(yù)測(cè)誤差變得非常大，當(dāng)超過(guò)一個(gè)固定的閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)預(yù)測(cè)狀態(tài)的更新，導(dǎo)致更高的能耗。使用SNW-MAC協(xié)議不需要傳輸ACK幀，與使用PW-MAC協(xié)議相比部分抵消了WuB傳輸所帶來(lái)的能量開(kāi)銷[18]。

圖6e顯示了使用UPMA-X-MAC為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的能量消耗，在這種情況下，接收器在第6次嘗試時(shí)成功接收到了數(shù)據(jù)包。對(duì)于每次嘗試，都可以看到發(fā)送數(shù)據(jù)包(B)和偵聽(tīng)ACK(C)這2個(gè)階段。如圖6f所示，sink在第5次嘗試(B)時(shí)醒來(lái)，因此沒(méi)有接收到完整的數(shù)據(jù)包，它保持蘇醒，以便在下一次嘗試時(shí)接收數(shù)據(jù)包(B)并發(fā)送ACK(C)。使用UPMA-X-MAC發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的消耗在不同的傳輸中有很大的差異，這是由接收喚醒時(shí)間相對(duì)于節(jié)點(diǎn)傳輸開(kāi)始時(shí)間的隨機(jī)性導(dǎo)致的。在成功接收數(shù)據(jù)包之前，節(jié)點(diǎn)必須等待接收器喚醒平均時(shí)隙的一半時(shí)間。在接收端，數(shù)據(jù)包接收的能量消耗也是可變的，除了傳輸ACK幀外，還需要監(jiān)聽(tīng)平均一個(gè)半數(shù)據(jù)包[19]。使用這些微基準(zhǔn)，測(cè)量式(5)的值，并使用Pi的最低測(cè)量值計(jì)算了不同MAC協(xié)議的H和ξ∞，從而得到H和ξ∞的最佳可實(shí)現(xiàn)值。表2給出了得到的結(jié)果，可以看出，使用SNW-MAC可以更好地利用能源預(yù)算。

ULP WuRx的功耗是非常低的，因?yàn)樗偸翘幱诨顒?dòng)狀態(tài)，即使所有其他組件都處于睡眠狀態(tài)也同樣如此。ULP WuRx 測(cè)量功耗是1.83 μW。

Table 2 Best values of H and ξ∞ for the different MAC protocols

當(dāng)可編程中斷控制器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，ULP WuRx的功耗變得非常明顯。EM和MAC協(xié)議是在一個(gè)由6個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括一個(gè)sink)組成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)被布置在一個(gè)沒(méi)有窗戶的房間里，完全由室內(nèi)熒光燈供電。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備了一塊太陽(yáng)能電池板，且節(jié)點(diǎn)部署在不同光照條件下。每組實(shí)驗(yàn)均持續(xù)3 h，白天進(jìn)行，只有在評(píng)估SNW-MAC協(xié)議時(shí)，節(jié)點(diǎn)才配備ULP WuRx。在可變光照條件下，將單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)暴露在室內(nèi)環(huán)境的熒光燈下，觀察節(jié)點(diǎn)剩余能量，然后在沒(méi)有任何可用環(huán)境能量的情況下(關(guān)燈)放置2 h，觀察能量變化，最后再次暴露節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)光線下，觀察節(jié)點(diǎn)剩余能量的變化。

從星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7)中可以看出，使用SNW-MAC協(xié)議的吞吐量都高于使用PW-MAC協(xié)議的，說(shuō)明SNW-MAC協(xié)議具有更好的能效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了EM在不同MAC協(xié)議下實(shí)現(xiàn)能量中性的能力，以及它與高效的SNW-MAC協(xié)議結(jié)合的好處，該協(xié)議利用ULP WuRx來(lái)支持異步通信[20]。

Figure 7 Results of the experiments on a star network

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量收集與管理是解決能耗問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)能量收集與管理方案的研究，將異步MAC協(xié)議和超低功耗喚醒接收器配合使用。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)驗(yàn)表明，與PW-MAC協(xié)議相比，SNW-MAC協(xié)議可獲得更高的吞吐增益，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源效率。