一種節(jié)能的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制及其網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間研究

余根堅(jiān)

（閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，福建福州 350108）

一種節(jié)能的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制及其網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間研究

余根堅(jiān)

（閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，福建福州 350108）

針對(duì)無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的功率控制重要性特點(diǎn)提出了一個(gè)基于節(jié)能的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸機(jī)制，并在該機(jī)制下，研究了網(wǎng)絡(luò)的最大生存時(shí)間，提出并證明了網(wǎng)絡(luò)的最大生存時(shí)間的一個(gè)上界，最后進(jìn)行了仿真并詳細(xì)分析了仿真結(jié)果。

無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；信息傳輸機(jī)制；傳輸性能；能量損耗函數(shù)

1 引言

無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是由具有感知、處理和無線通信能力的無線節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，它能夠使我們延伸至更廣闊的交互空間，獲得圍繞我們周圍動(dòng)態(tài)的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)于外圍世界更加精確而深邃的認(rèn)識(shí)和控制，因而在軍事、環(huán)境、健康、家庭、交通、制造業(yè)、商業(yè)、設(shè)施管理、運(yùn)輸、安全、空間探索、災(zāi)難拯救以及各種消費(fèi)電子產(chǎn)品和其它嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)人們的生活和工作方式、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革產(chǎn)生革命性的影響。一般來說，通信節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池(<0.5 Ah,1.2V)，[1]在信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)是以r-α形式衰減的，其中r為傳輸距離、α為路徑衰弱指數(shù)，這些特征都限制了此類通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壽命，也就是說，初始的節(jié)點(diǎn)能量和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的節(jié)點(diǎn)能量消耗將直接影響著網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間和壽命。因此，對(duì)節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行控制和控制協(xié)議復(fù)雜性，以及收發(fā)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。在多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)功率控制和管理包括能量感知的拓?fù)淇刂?、策略和路由機(jī)制。

關(guān)于無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域主要有：[2]路由協(xié)議、拓?fù)淇刂?、通信?biāo)準(zhǔn)、定位和時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等，本文針對(duì)通信節(jié)點(diǎn)能量受限的情況，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和通信壽命進(jìn)行研究。

2 通信網(wǎng)絡(luò)模型

本文所涉及的無線通信網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通常包括活動(dòng)節(jié)點(diǎn)、休眠節(jié)點(diǎn)，大量節(jié)點(diǎn)分布于某一區(qū)域，并通過自組織方式構(gòu)成無線系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如圖1中，在一個(gè)觀測(cè)區(qū)域R內(nèi)，聯(lián)線小雙圈代表環(huán)境數(shù)據(jù)，圓圈代表活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，三角代表休眠節(jié)點(diǎn)；箭頭代表傳輸路徑；顯然針對(duì)不同的環(huán)境數(shù)據(jù)，活動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以處于不同的狀態(tài)。

圖1 本文通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

本文所研究的無線通信網(wǎng)絡(luò)主要指的是由通信節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)通信區(qū)域，假設(shè)如圖1所示的通信區(qū)域內(nèi)有N個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，用集合￡＝｛1，2…，N｝表示，且把通信區(qū)域近似看成一個(gè)大的半徑為R的圓，通信節(jié)點(diǎn)獨(dú)立同分布，dij表示節(jié)點(diǎn)i，j之間的距離，節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)射和接收半徑均為r，則當(dāng)dij≤2r時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)i，j可以相互通信。在通信區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度為η＝N/πR2。

3 基于節(jié)能的信息傳輸機(jī)制

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)攜帶的初始能量設(shè)為e0，不同功能的節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的需求不同，如臨近匯聚節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)就主要將能量用于中繼數(shù)據(jù)包，而位于通信區(qū)域邊緣的節(jié)點(diǎn)將能量用于數(shù)據(jù)收集，因此有些節(jié)點(diǎn)能量的消耗就比較快。通常在實(shí)際應(yīng)用中，如果能事先預(yù)測(cè)消耗能量快的節(jié)點(diǎn)，并采取措施來保證數(shù)據(jù)傳輸，而不會(huì)因?yàn)樯贁?shù)節(jié)點(diǎn)的能源失效而中斷。節(jié)能的主要方式就是節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制，也就是說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有任務(wù)且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，該機(jī)制就關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的通信模塊功能、采集模塊功能和計(jì)算模塊功能。當(dāng)通信任務(wù)發(fā)生時(shí)，只需要有相鄰區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)被激活，這樣原先活躍節(jié)點(diǎn)在沒有任務(wù)時(shí)就轉(zhuǎn)為休眠模式，從而大大地節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量。

圖2 基于節(jié)能的信息傳輸機(jī)制示意圖

在這種情況下，我們給出下面定義：

定義1：在上述信息接收機(jī)制下，每比特?cái)?shù)據(jù)信息的傳輸距離為時(shí)的能量代價(jià)函數(shù)定義為：

對(duì)于ef(x)和ej(y)，采用文獻(xiàn)[5]的定義形式，即

其中C1、C2、C3、C4均為常數(shù)，α為路徑衰落指數(shù)，α≥2。

4 能量約束下的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

從而其概率密度函數(shù)為

處理增益，MAC協(xié)議等因素，有：

其中ρο為常數(shù)。

5 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和討論

仿真參數(shù)η0＝4.25×10-4，即在半徑為750 m的通信區(qū)域內(nèi)大概分布有750個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，不妨設(shè)P0=1。另外基于實(shí)際背景，將R、r的取值范圍分別設(shè)定為500≤R≤1000、1≤r≤4。假設(shè)節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)干電池供電，這樣的電力在3V情況下大約是2200mAH，［5-6］即仿真中的節(jié)點(diǎn)初始能量e0＝2200mAH。如下頁圖3中顯示了在一定的能量代價(jià)函數(shù)參數(shù)c1、c2、c3、c4條件下，節(jié)點(diǎn)信息傳輸平均為3跳，路徑衰落指數(shù)為2.0時(shí)，對(duì)于不同的通信區(qū)域半徑，網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸總信息量隨節(jié)點(diǎn)信息發(fā)射半徑的變化而變化。從下頁圖3可以看出，通信節(jié)點(diǎn)信息發(fā)射半徑對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能影響明顯，而通信區(qū)域的大小對(duì)傳輸性能影響不大，這是因?yàn)楫?dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域增大時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)數(shù)也將相應(yīng)增多。

接下來考察節(jié)點(diǎn)信息傳輸跳數(shù)對(duì)傳輸性能的影響，從下頁圖4可以看出，在同樣的信息傳輸距離到匯聚節(jié)點(diǎn)的情況下，節(jié)點(diǎn)的信息傳輸跳數(shù)越多，即信息包經(jīng)過越多的中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接，則網(wǎng)絡(luò)所能傳輸?shù)目傂畔⒘吭酱?，因?yàn)楸疚牡男畔鬏斒腔诠?jié)能的信息傳輸機(jī)制，在相同的信息傳輸距離下，傳輸跳數(shù)k越大，由x＝l+kr，有

即ef(l)是指數(shù)量級(jí)減少，雖然kej(r)為線性增加，但比起ef(l)的指數(shù)級(jí)減少，就顯得不重要了。

圖3 在不同通信區(qū)域半徑下，通信節(jié)點(diǎn)信息發(fā)射半徑對(duì)最大傳輸總信息量(Bit)的影響

從而當(dāng)x＞r時(shí)，傳輸跳數(shù)k越大，其能量代價(jià)函數(shù)值e(x)就越小，即可以用更少的節(jié)點(diǎn)能量來完成相同的信息傳輸任務(wù)。所以總的來說，本文的信息傳輸機(jī)制可以有效地節(jié)省節(jié)點(diǎn)功率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，從而在總體上提高通信系統(tǒng)的傳輸性能和吞吐量。

圖4 在信息數(shù)據(jù)包傳輸距離相同的情況下，節(jié)點(diǎn)信息傳輸跳數(shù)對(duì)最大總傳輸信息量(Bit)的影響

另外，從下頁圖5中容易看出，信息傳輸?shù)哪芰啃枨蠛瘮?shù)參數(shù)對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸總信息量影響極為顯著，可見對(duì)于功率控制不僅最大化通信網(wǎng)絡(luò)生命周期關(guān)系重大，而且對(duì)于提高通信系統(tǒng)的傳輸性能和吞吐量也有重要意義。

圖5 對(duì)于不同的能量代價(jià)函數(shù)，最大傳輸總信息量(Bit)和通信節(jié)點(diǎn)信息傳輸跳數(shù)的關(guān)系

近年來，無線通信網(wǎng)絡(luò)在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、家庭智能化等方面的光明前景使其研究受到越來越多人的關(guān)注。在很多應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求非常高。但由于無線通信網(wǎng)絡(luò)必須具有節(jié)能的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效和通信鏈路不可用的情況，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和鏈路的失效，這些因素都將嚴(yán)重影響無線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為無線通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于篇幅所限，關(guān)于節(jié)能的無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性問題將另外撰文進(jìn)行深入研究。

6 結(jié)論

本文所研究的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)特別適合于部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，這種通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)十分困難，所以通信節(jié)點(diǎn)一旦能量失效就變成無效節(jié)點(diǎn)。如何延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命、提高信息傳輸性能和系統(tǒng)吞吐量是通信系統(tǒng)面臨的首要挑戰(zhàn)，隨著現(xiàn)代電子電路技術(shù)的進(jìn)步，消耗在節(jié)點(diǎn)處理器模塊和感應(yīng)模塊上的功率變得越來越小，而大部分節(jié)點(diǎn)能量都是消耗在通信模塊上。本文針對(duì)上述問題，提出了一個(gè)基于節(jié)能的無線通信信息接收機(jī)制，并在該機(jī)制下，研究了系統(tǒng)的最大傳輸性能和吞吐量，提出并證明了通信系統(tǒng)的傳輸總信息量的一個(gè)上界。最后進(jìn)行了仿真并詳細(xì)分析了仿真結(jié)果，得出幾個(gè)結(jié)論。

本文所提出的基于節(jié)能的無線通信信息接收機(jī)制不僅滿足所要求的功率控制任務(wù)，而且對(duì)于通信系統(tǒng)的傳輸性能的提高也有重要意義和應(yīng)用前景。

[1]余根堅(jiān)，鄭寶玉.基于節(jié)點(diǎn)間信息事件分析的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào).2007（4）：524-531.

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The 2nd Int.Workshop Information Processing in Sensor Networks(IPSN03),Palo Alto,CA,2003:536-542.

An Information Transmitting Mechanism for Wireless Mobile Communication Networks with Economical Energy Consumption and Its Transmitting Capacity

Yu Genjian
(Computer Science Department of Minjiang University,Fuzhou 350108,Fujian,China)

For the significance of the power control of wireless mobile networks,an information transmitting mechanism for wireless mobile networks with economical energy consumption is proposed.In such a mechanism,the maximum transmitting capacity is analyzed and the upper limit of general transmitting information volume of WSN is put forward and attested.Finally,some simulation experiments are conducted and the results are analyzed in details.

wireless mobile networks;information transmitting mechanism;transmission capacity;energy consumption function

TN915

A

1673-8535（2010）06-0008-06

余根堅(jiān)（1969-），男，福建古田人，閩江學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：無線通信與網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理、無線通信安全、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

（責(zé)任編輯：高堅(jiān)）

2010-10-18

高校專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目（JK2010045）；閩江學(xué)院基金項(xiàng)目（YKY09005）