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VVL· LiiiiiiNiNPVV (13) 当节点以（13）中概率发送数据时，网络的吞吐量达到比例公平限制下的最大值。但分析至此尚未加入能量考虑的因素。 135 2.3 生命周期优化分析 在无线传感器网络中，所有的普通节点被认为具有同等的重要性，某一节点的失效可能导致网络的分割，或者一些监测区域得不到覆盖。因此无线传感器网络的生命周期被定义为第一个失效的传感器节点的生命周期。网络生命周期的优化是无线传感网的多速率问题区别于IEEE 802.11无线网络多速率问题的一个突出特征。网络生命周期的优化需要降低节点的140 占空比，而在多速率无线传感器网络的饱和通信的情况下，应该尽量减少最高耗能节点的信道占用时间。本文将采用公平性对以上情景进行建模，得到优化函数，然后对网络生命周期 的优化进行分析。 假设MAC层协议有基本能量管理功能，节点仅在监测、处理原始数据、发送和接收数据时有能量消耗。鉴于数据传输是主要消耗因素，本文忽略其他部分能耗，仅关注数据145 传输模块。此处采用经典能量模型建模，假设节点能量控制机制完好，对于传输节点i 能量消耗为： tsijijijpeR (14) smijijed (15) 其中tijp 是节点i向j 传输的能量消耗，ijR 是数据传输的速率。sije 是链路(i, j)传输150 能量消耗，其表示如（15）. μ 为节点传输电子能量消耗，η 是对应传输放大器能量消耗参数，dij 为两节点i和j之间距离， m为路径损耗因子，一般2 ≤ m ≤ 4. 因此节点进行一次传输能量消耗为： ssonceijijijijLpeReLR (16) 注意到若忽略距离因素，因 和均为常数，则传输一次能耗独立于MAC传输速155 率。若根据节点初始能量划分1-n个能量级别，iE表示节点i当前所在能量级，因此节点的能量级可看做某一时刻节点标准化剩余能量。 为了使节点的能耗符合比例公平性，则节点每次接入信道的概率为： 12...iinEpEEE (17) 2.4 联合优化设计 160 由以上分析得出，吞吐量和生命周期的优化都与节点的信道接入概率相联系。所以，两个目标的联合优化可以转化为信道接入概率的优化。本文引入权衡参数λ∈ [0, 1]，将这两个优化目标进行线性组合，变量λ指征了吞吐量和生命周期的权衡关系。联合又和的信道接入概率可表示为： 1212(1)......iinnEViPVVVEEE (18) 165 参数λ是MAC层优化的结果，是MAC层向路由层、传输层等高层协议提供的性能调节接口。 3 协议修改和仿真验证 本文在NS-2仿真环境中使用S-MAC协议对上述理论分析做了仿真验证。改进的S-MAC170 协议使用RTS/CTS帧在节点之间交换节点剩余能量和即时速率的等信息；当节点发送数据包时，首先通过公式（18）计算得到相应的信道接入概率，并以此概率进行发送。通过配置场景，得到仿真数据，可以观察权衡参数取0到1不同值时网络的吞吐量和生命周期的变化情况。 本文使用MAC层的实际有效的数据传输作为吞吐量的计算标准。对应此假设，本文忽175 略非有效吞吐量所产生的能量消耗。同时，假设以节点累积数据传输时间作为节点生命周期 的计算标准，则最小生命周期节点累计数据传输时间即为网络生命周期。 设定仿真中传输半径为100m，能量模型采用常用参数值，取值分别为μ= 50n J/b, η = 0.00013pJ/b/m4, m = 4。在200m*200m区域中，建立简单的单跳WSN结构，Sink与其余7个节点进行通信获取数据，为消除距离因素对其他参数的影响，本文设定各个普通节点到180 Sink的距离相等。如图4-3所示，0-6号节点分别采用4种不同速率：20kpbs，40kbps，100kbps和250kbps。由于NS-2的LR-WPAN没有速率自适应的物理模型，为了便于观察吞吐量和生命周期变化，本文利用给不同节点配置不同的固定速率的方式来模拟多速率情景。 图1 网络拓扑 185 Fig. 1 Network topology 根据上述仿真环境设定，可得到如下网络吞吐量和生命周期关系图2。可见，在权衡参数从0到1变化过程中，吞吐量和生命周期有明显升高和降低趋势，在两个端点取得最大、最小值。吞吐量随权衡参数增大而逐渐增大，周期则随之减少。特别地，当λ取值为1时，190 能量的权重为0，吞吐量的权重为1，吞吐量达到比例公平的最大值；当λ为0时，吞吐量的权重为0，能量权重为1，网络生命周期达到比例公平性下的最大值。 图2 权衡参数与网络吞吐量和生命周期的关系（双曲线形式） 195 Fig. 2 Relationship between throughput, lifetime and trade-off parameter in double curve format 图3 权衡参数与网络吞吐量和生命周期的关系（单曲线形式） Fig. 3 Relationship between throughput, lifetime and trade-off parameter in single curve format 200 图3从另一角度看两者关系，吞吐量和生命周期权衡关系更为直观，此消彼长。网络可以根据实际的应用需求，通过调节权衡参数达到权衡吞吐量和生命周期的目的，以提高网络的预期性能。 图4 节点吞吐量和权衡参数的关系 205 Fig. 4 Relationship between throughput of each node and trade-off parameter 图4显示了节点在不同的权衡参数下吞吐量变化情况。速率相同的节点的吞吐量曲线重叠为同一条曲线。可以看出，随着权衡参数的增大，高速率节点的吞吐量有较大的增长，而低速率节点吞吐量降低地较少。可以进一步计算得出：网络的吞吐量得益于高速率节点吞吐210 量的较大增长而有明显增大。当权衡参数为1的时候，可以看出，节点的吞吐量与节点的速率成正比，达到了比例公平性。 图5 节点生命周期和权衡参数的关系 Fig. 5 Relationship between lifetime of each node and trade-off parameter 215 图5显示了在不同的权衡参数下生命周期的变化情况。当权衡参数为0的时候，节点根据完全自身能量进行信道的接入，实现了能量的比例公平性，从而使得每个节点的生命周期趋于一致；但权衡参数的逐渐增大，高速率节点由于发送了交多的数据而导致能量迅速消耗殆尽，生命周期缩短，整个网络的生命周期也随之缩短；相反，低速率节点的生命周期则较 长，造成了节点生命周期的不公平。 图6 S-MAC协议修改前后的吞吐量对比 Fig. 6 Throughput comparison between modified S-MAC and original S-MAC 225 图6为对S-MAC协议改进前后节点吞吐量的对比。场景中权衡参数设置为1。可以看出，节点的吞吐量在改进之前基本相同，而通过比例公平性，低速率节点的速率有了小幅降低，但是高速率节点吞吐量有了较大幅度的增长。在比例公平性的约束下，协议的改进对吞吐量的提高产生了比较明显的效果。 4 结论 230 本文首先提出了多速率无线传感器网络的吞吐量异常问题，然后通过引入公平性，将优化问题进行了公平性约束。与其他论文在应用层、传输层研究这一问题不同，本文在更接近多速率问题的MAC层分析了高负载的多速率无线传感器网络中网络吞吐量和生命周期优化问题，发现吞吐量和生命周期的优化有一个共同的参数，就是节点的信道占用时间。基于此，本文提出了引入权衡参数实现的吞吐量和生命周期的权衡方法。而这个权衡参数，正是MAC235 层子问题与上层子问题的关联。也就是说，它提供了一个接口，供上层调用以实现更高层次的协议优化。由于科研水平的限制，本文只对MAC层子问题进行了初步研究，后续还要根据已有的研究成果，将问题研究的范围扩展到路由层和传输层，并解决更加复杂的多跳情景中的相同问题，最终实现多速率无线传感器网络资源分配协同优化技术体系。 240 致谢（可选） 应向对论文有帮助的有关人士或单位表示谢意。 [参考文献] (References) [1] Martin Heusse, Frank Rousseau, Gilles Berger-Sabbatel, Andrzej Duda. Performance Anomaly of 802.11b[J]. 245 IEEE INFOCOM, 2003, 2, 836 - 843. [2] Xiao-Hui Lin, Yu-Kwong Kwok,Hui Wang. Cross-Layer Design for Energy Efficient Communication in Wireless Sensor Network[J]. Wireless Communications and Mobile Computing (John Wiley), 2009, 9, 251-268 [3] H.Zhu, G.Cao. rDCF:A relay-enabled medium access control protocol for wireless ad hoc networks[J]. Proc.of IEEE INFOCOM, 2005, 1, 12-22 250 [4] Junhua Zhu, Shan Chen, Brahim Bensaou, Ka-Lok Hung. Tradeoff between lifetime and rate allocation in wireless sensor networks: a cross layer approach[J]. Proc.of the INFOCOM, 2006, , 3511-3516 [5] Li Bin Jiang.Proportional fairness in wireless LANs and ad hoc networks[J]. Wireless Communications and Networking Conference, 2005 IEEE, 2005, 3, 1551-1556 255 原创学术论文网Tag：代写论文 代发论文 代写代发论文 代写硕士论文 |
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