基于速龍碼的WSNs傳輸功率控制重編程協(xié)議*

黃 嵩， 沈 重

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

基于速龍碼的WSNs傳輸功率控制重編程協(xié)議*

黃 嵩， 沈 重

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

為了降低節(jié)點(diǎn)能耗，提高能量的利用率，提出了一種高效節(jié)能的基于速龍碼(RC)的傳輸功率控制(RC-TPC)重編程協(xié)議。該協(xié)議分兩個(gè)階段完成數(shù)據(jù)傳輸，第一階段各個(gè)節(jié)點(diǎn)更新自己的位置信息，形成最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)入第二階段后，根據(jù)優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和中繼節(jié)點(diǎn)的累計(jì)選擇次數(shù)，Sink節(jié)點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，使中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和RC的開銷達(dá)到最優(yōu)化。此外，RC的編碼方式使傳輸數(shù)據(jù)包發(fā)生的錯(cuò)誤概率更小，減少了重編程過程中的冗余以保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均勻分布，有效地實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與MNP協(xié)議和ATPC協(xié)議相比，RC-TPC協(xié)議用于傳輸?shù)钠骄芰肯慕档?7.2 %。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 重編程協(xié)議； 速龍碼； 傳輸功率控制

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)重編程主要包含兩部分內(nèi)容：第一部分是傳感器節(jié)點(diǎn)上已裝入更新代碼的安裝機(jī)制，屬于操作系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)研究的范疇；第二部分是分布更新軟件數(shù)據(jù)包到傳感器節(jié)點(diǎn)的傳播機(jī)制，屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的范疇[2]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重編程協(xié)議使用固定的傳輸功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]，固定的傳輸功率信號(hào)干擾很嚴(yán)重，同時(shí)會(huì)造成多余能量的浪費(fèi)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)壽命。多跳網(wǎng)絡(luò)重編程[4](multihop network reprogramming，MNP)協(xié)議,引進(jìn)發(fā)送者選擇機(jī)制，選擇鄰域內(nèi)接收到請(qǐng)求最多的節(jié)點(diǎn)為本次的發(fā)送者。支持流水線操作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳播。自動(dòng)傳輸功率控制(automatic transmission power control,ATPC)[5]協(xié)議，為了動(dòng)態(tài)地查找最小發(fā)送功率使連接的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有良好的鏈路質(zhì)量，提供了一個(gè)預(yù)測(cè)模型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同的發(fā)送功率下，廣播幾個(gè)信標(biāo)來衡量接收信號(hào)強(qiáng)度值。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)比較該值和不同的發(fā)送功率之間的關(guān)系。

速龍碼(raptor code，RC)是信道編碼的一種編碼方式，是突破性的刪除信道稀疏圖碼，能在惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和沒有回傳信道的情況下進(jìn)行高速大文件的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿撸瑫r(shí)，RC的應(yīng)用對(duì)內(nèi)存要求很低, 比一般需要進(jìn)行交織的糾錯(cuò)碼低約8～10倍[6]。

本文提出的基于RC的傳輸功率控制(RC-TPC)協(xié)議根據(jù)優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和中繼節(jié)點(diǎn)的累計(jì)選擇次數(shù)，使中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和RC的開銷達(dá)到最優(yōu)化，以保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均勻分布，最大限度地提高能源效率。

1 協(xié)議描述

擬議包括兩個(gè)階段：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段和傳輸功率控制階段。在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)更新自己的位置信息，形成最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)入第二階段后，根據(jù)優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和中繼節(jié)點(diǎn)的累計(jì)選擇次數(shù)，Sink節(jié)點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，使中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和RC的開銷達(dá)到最優(yōu)化。最后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過預(yù)先計(jì)算的傳輸功率傳輸重編程所需的數(shù)據(jù)包。

1.1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段

在本協(xié)議中，WSNs包括具有位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和普通監(jiān)測(cè)環(huán)境的傳感器節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播它們的位置信息給周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和接收信號(hào)強(qiáng)度值來確定自己的位置，如公式(1)

(1)

(2)

(3)

式中 μim為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)m之間的鏈路連接質(zhì)量的指標(biāo)值，σ為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和在計(jì)算位置坐標(biāo)后確定位置信息的傳感器節(jié)點(diǎn)的比例因子。在坐標(biāo)的位置計(jì)算后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以得到自己的位置信息，這些信息將包含在傳輸數(shù)據(jù)中送給Sink節(jié)點(diǎn)。協(xié)議中，假設(shè)在給定時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)部署后執(zhí)行重編程，因此,Sink節(jié)點(diǎn)可以識(shí)別整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

至此我愈加迷惑。且抱持懷疑：儒佛非真理既是如此，耶穌教非真理又是如此；但世人或信儒佛，或信耶穌教，何也？蓋因世人的智力不能發(fā)現(xiàn)其非真理，或因知其非真理且信之？我決不能相信非真理為真理。于是我斷然公開明言：舊有的諸教諸說中無一可信之真理。如欲追求可信的教法，不得不自己發(fā)現(xiàn)一個(gè)真理。

1.2 傳輸功率控制階段

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重編程觸發(fā)時(shí)，基于在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段得到的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，中繼節(jié)點(diǎn)的位置信息和它們的發(fā)送功率在傳輸功率控制階段確定。在本協(xié)議中只有特定的中繼節(jié)點(diǎn)才能用預(yù)先計(jì)算的發(fā)送功率傳輸重編程數(shù)據(jù)包。

首先，Sink節(jié)點(diǎn)計(jì)算正?；膫鬏敼β?NpP)，公式中Pi表示調(diào)整后的發(fā)送功率，是基于節(jié)點(diǎn)i和調(diào)整后的傳輸功率通過Friis傳輸公式計(jì)算可得[7]，k是在發(fā)送功率Pi范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)

(4)

然后，Sink節(jié)點(diǎn)選擇具有最小NpP值的中繼節(jié)點(diǎn)。但是，如果選擇中繼節(jié)點(diǎn)只根據(jù)計(jì)算的NpP值，那么相同的中繼節(jié)點(diǎn)可能會(huì)被Sink節(jié)點(diǎn)連續(xù)的選擇，這就導(dǎo)致其在傳輸重編程數(shù)據(jù)包的過程中快速地消耗自身的能量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均勻不分布，不能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。為了克服這種副作用，累積選擇數(shù)目應(yīng)該考慮當(dāng)被選擇的中繼節(jié)點(diǎn)由以下公式所述

RNID(i,l)=

min(NpP1ml,…,NpPiml,…,NpPnml),

(5)

式中 ml為在第l次重編程時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)累積的選擇次數(shù)，其默認(rèn)值是1。

在圖1中所示的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的調(diào)整，顯示了節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的變化。原始傳輸范圍指示為一個(gè)固定的傳輸范圍傳輸數(shù)據(jù)包，調(diào)整后的傳輸范圍可以涵蓋該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸范圍。

圖1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的調(diào)整

此外，本協(xié)議利用的RC是一種著名的應(yīng)用層前向糾錯(cuò)的編碼方式，通過降低傳輸功率以彌補(bǔ)不可靠的數(shù)據(jù)包傳輸。在運(yùn)用RC后，協(xié)議可獲得可靠性增益為

Pf(n,Pe)=0.85×0.567n-k-Pen,

(6)

式中 Pf為在應(yīng)用層預(yù)期接收碼元的擦除率，n為輸出的RC的碼元長(zhǎng)度，k為輸入源碼的碼元長(zhǎng)度，Pe為MAC層中的輸入碼元的擦除率，n和k之間的關(guān)系可以定義為RC的開銷，具體表示為

(7)

此外，Pe的計(jì)算如下公式所示

式中 Pr為接收功率，W為信道帶寬，N為信道中噪聲干擾的功率，f為傳輸比特率，refc為互補(bǔ)的誤差函數(shù)，指數(shù)l表示碼元長(zhǎng)度[8]。

在確定第一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的位置之后，將它的發(fā)送功率和RC的開銷通過數(shù)據(jù)包傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，緊接著通過第一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所確定的參數(shù)來確定第二個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。通過接力的方式選擇下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，直到最終的目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)由中繼節(jié)點(diǎn)所覆蓋。然后，所確定的參數(shù)將會(huì)通過數(shù)據(jù)包傳輸給所有的中繼節(jié)點(diǎn)。最終，通過選擇適當(dāng)?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，使中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和RC的開銷達(dá)到最優(yōu)化，從而降低了能源消耗，同時(shí)還能保證重編程過程中數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。

2 仿真環(huán)境與模擬設(shè)定

OMNeT++是一種WSNs環(huán)境中廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)模擬器,并允許各種性能評(píng)價(jià)的軟件[9]，在仿真中，假設(shè)更新的代碼大小為30byte，并搭載開源的TinyOS系統(tǒng)[10]。這個(gè)代碼被劃分為32個(gè)程序段，每個(gè)程序段由30個(gè)數(shù)據(jù)包組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含32byte。將30個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在500m×500m的區(qū)域內(nèi)。協(xié)議設(shè)定放置在左下角最邊緣的節(jié)點(diǎn)為程序更新的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外，在模擬環(huán)境中使用的無線模塊CC2240是基于IEEE802.15.4的MAC協(xié)議。本文提出的RC-TPC協(xié)議將和MNP協(xié)議和ATPC協(xié)議進(jìn)行比較。

3 性能分析

如圖2所示，顯示了MNP,ATPC和RC-TPC協(xié)議三者之間的負(fù)載分布和能量消耗比較。通過對(duì)比可以觀察到:RC-TPC協(xié)議相比較MNP和ATPC協(xié)議有著較低的能源消耗，三種協(xié)議在完成重編程過程中的平均能耗分別為 70.3,82.7,80.6J。此外，MNP和ATPC協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)包的過程中，一些需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)大都位于網(wǎng)絡(luò)的中間，它的鄰居節(jié)點(diǎn)中就會(huì)有很多接收節(jié)點(diǎn)，因此，該節(jié)點(diǎn)就有很高的概率來傳送接收到的更新信息。如圖2所示，負(fù)載轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的中心節(jié)點(diǎn)能量消耗很大。其中，特別是所選的特定節(jié)點(diǎn)由于轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù)包能量消耗殆盡。另一方面，在中心節(jié)點(diǎn)附近鄰居節(jié)點(diǎn)一般消耗較少的能量，所以,它們遠(yuǎn)比在網(wǎng)絡(luò)中心附近的節(jié)點(diǎn)的生命期要長(zhǎng)。中心節(jié)點(diǎn)的能量消耗最大可達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)能量消耗的26倍。這種不均衡的能量消耗會(huì)迅速耗盡中心節(jié)點(diǎn)的電池，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布的不均衡，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。然而，RC-TPC協(xié)議用于傳輸?shù)钠骄芰肯慕档?7.2 %，這是因?yàn)橥ㄟ^調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和中繼節(jié)點(diǎn)的累計(jì)選擇次數(shù)，并且使用RC的編碼方式，合理地優(yōu)化了傳輸范圍和中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，可以有效抑制在傳輸重編程過程中的傳輸錯(cuò)誤，同時(shí)防止了不必要的重傳，這樣降低了總的能量消耗并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載分布。

圖2 負(fù)載分布和能量消耗比較

4 結(jié) 論

本文提出了WSNs中基于RC編碼方式下的一種新型的滿足高效節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)重編程協(xié)議。為了達(dá)到理想的結(jié)果，通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和中繼節(jié)點(diǎn)的累計(jì)選擇次數(shù)，Sink節(jié)點(diǎn)可以適當(dāng)?shù)剡x擇其周圍的中繼節(jié)點(diǎn)，使中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和RC的開銷達(dá)到最優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：RC-TPC協(xié)議與MNP和ATPC協(xié)議比較，基于RC下的傳輸數(shù)據(jù)包發(fā)生的錯(cuò)誤傳輸更少，減少了重編程過程中的冗余，降低了總的能量消耗并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載分布。

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黃 嵩(1990- ) ，男，江西九江人，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)。

Reprogramming protocol of WSNs with transmission power

control based on raptor code*HUANG Song， SHEN Chong

(College of Information Science and Technology,Hainan University,Haikou，Hainan 570228，China)

In order to reduce node energy consumption and enhance energy utilization, propose a reprogramming protocol which is based on raptor code(RC) transmitting power control(RC-TPC).It completes data transmission via two stages.The first stage is that each node self-updates its positioning information and the forms the most optimized topology structure.Then it comes to the second stage,by adjusting the transmission power of the starting node and the selecting number of relay node,Sink node selects proper relay nodes so that the transmission power of relay nodes and consumption of RC can be most optimized.Besides,the way of RC transmission reduces the data transmission errors,it also reduces the redundancy of reprogramming so as to ensure the uniform distribution of network load and effectively realizes the energy-saving,which further enhances the life cycle of the whole network.It is elaborated by both theoretical analysis and experimental result that compared with MNP and ATPC protocols,RC-TPC protocols reduces average energy consumption of transmission to 17.2 %.

wireless sensor networks(WSNs); reprogrammed protocol; raptor code(RC); transmission power control(TPC)

2014—08—28

國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2013DFR11020)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0137—03

TP 393

A

1000—9787(2015)04—0137—03