基于能量自采集的无线传感器网络网关切换机制研究-杜文振.pdf
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1、 doi:10.3772/ j. issn.1002-0470.2016.07.003基于能量自采集的无线传感器网络网关切换机制研究杜文振 陈海明李栋崔莉(中国科学院计算技术研究所北京100190)摘要针对野外传感网系统中采用太阳能供电的网关因天气变化而产生能量供给失效的问题,研究了基于历史能量采集信息和实时气象信息的多网关切换方法。首先基于气象信息决定需要切换的网关和网关切换的时机;其次提出了一种网关选择算法(Eas-iGS),根据候选网关剩余工作时间让节点先验式选择网关接入,以避免网关失效带来的数据丢失问题,并通过最优网关接入方法降低系统中采集节点的整体能耗;最后根据实际应用关注的数据发送
2、频率、网关恢复时间、节点与候选网关之间的传输距离等信息,通过概率统计的方法对EasiGS的计算开销进行了进一步优化。仿真实验表明,EasiGS能使系统整体能耗达到最优,并且优化后的EasiGS能够有效降低节点上的计算量。关键词环境监测,太阳能供电网关,网关切换方法,网关选择算法,能量恢复时间,概率统计0引言野外环境监测传感网系统1,2在水体监测、森林监测等领域得到广泛的长期使用。该类系统具有如下特点:(1)传感网络本身由许多具有数据采集及传输通信能力的传感节点和接入网关构成;(2)网关使用能量自采集技术(如太阳能)进行供电。此类系统中的网关除了执行自身的能量采集、任务处理等功能之外,还担负着把
3、数据传输到后端服务器的任务。因此,如果网关因供电不足失效,就会造成数据的丢失,从而影响整个系统的数据传输可靠性和数据完整性。目前的传感网系统大多采用多网关备份的方法3-8,并通过网关切换机制来保证系统的数据传输可靠性。但现有方法多采用判断当前工作网关失效之后切换到备用网关的技术思路。这种方法存在以下局限性:首先,切换方法不能完全避免数据丢失,因为无论怎么提高网关扫描速度,路由也只会在网关失效之后进行切换,很难实现网关之间的无缝切换;其次,未重视失效网关能够恢复工作的可能性,切换算法会严重影响传感网系统的整体能量均衡;极端情况下会导致系统网关频繁切换,带来过多的整体能量消耗。目前在网关切换方面的
4、研究大多是针对802. 11网络和Mesh网络提出的,如文献8-15。网关切换解决的问题包括:(1)如何快速扫描需要切换的网关;(2)确定需要切换网关后如何进行快速的切换。在进行网关切换之前,节点需要在候选网关中选择最优的网关。现有的网关选择方法3-9大多综合权衡多种参数进行最优网关选择。然而,与无线Mesh网络和移动网络不同的是,本文考虑的网关设备采用能量自采集技术,网关的切换不仅需要考虑其剩余能量还需要考虑失效网关能量恢复等因素。如何结合网关自供电这一特点,研究合适的网关切换策略与方法,在保证数据传输可靠性的同时,选择136高技术通讯2016年第26卷第6期:631 642 国家自然科学基
5、金(61303246)和863计划(2014AA093402)资助项目。男,1989年生,博士生;研究方向:物联网,无线传感器,传感网系统路由协议等;E-mail: duwenzhen ict. ac. cn通讯作者,E-mail: lcui ict. ac. cn(收稿日期:2016-01-21)万方数据最优网关以保证传感网系统整体能耗最优是一个具有实际意义的问题。本文从保证数据可靠性和降低系统整体能耗出发,研究了采用自供电技术的多网关传感网系统中网关无缝切换机制和最优网关选择算法及其优化,研究结果得到了仿真实验验证。本文主要贡献包括以下几点:(1)针对野外环境太阳能供电传感网系统网关能量供
6、给失效问题,利用历史能量采集信息和实时天气信息,提出了一种无缝切换的网关切换方法,保证了数据传输的连续性和可靠性。(2)基于网关剩余工作时间、恢复工作时间、传感节点距离网关的跳数、数据发送速率等因素,设计了最优网关选择算法EasiGS。(3)考虑到传感网系统中传感节点的大规模性以及切换的频繁性,基于EasiGS,结合具体的实际应用,给出不同参数(数据发送频率、网关恢复时间、节点与候选网关之间的传输距离)下的近似最优算法,减少了计算开销。(4)实验验证了近似最优网关选择方法的正确性,并结合具体的参数给出了近似算法优化性能分析。1相关研究工作1.1网关切换时机选择对于网关切换时机的选择,现有的研究
7、主要集中在对网关的快速扫描和提高路由性能两个方面。网关的快速扫描主要是为了及时发现可用的网关。文献9利用快速同步方法来降低扫描延迟。文献10,11在链路层进行快速的可用信道扫描来降低扫描延迟。文献12,13提出了一种新的网络架构来降低切换延迟。文献14通过提高多跳路由协议的性能来降低路由发现延迟。但以上工作的基本思路都要求网关切换请求由节点发起,并由节点主动查询候选网关。在本文的应用场景中,虽然节点也具备主动查询候选网关信息的功能,但是切换时机由主网关确定,并发起切换通知。这也就意味着可以在主网关失效之前通知节点进行切换,并在主网关失效之前选定最优的候选网关。文献12,13虽然提出了新的网络架
8、构,但是这种网络架构不适用于本文的应用场景。1.2网关选择在网关的选择方面,文献16提出的方法由网关发送广播信息,每个节点统计距离网关的跳数,选择跳数最少的网关作为最优切换网关。此方法在最初网络建立的时候可用,但是在网络运行时网关需要频繁切换的情况下,这种由网关发起机制会导致大量广播数据包,影响网络传输的有效载荷和系统整体能耗。文献3考虑延迟、跳数、比特误码率等参数综合计算节点到网关的最小代价,选择代价最小的网关作为候选网关。文献4通过代价函数计算路由之间的数据流量,选择的候选网关使得网络总体的数据流量最小。文献5基于节点与网关之间的欧式距离和候选网关负载量两个参数,并分别赋予它们适合的权重,
9、从而选择最优网关。文献6在选择最优网关时考虑了网络服务质量。以上工作都基于多参数赋权形式设计最优网关选择算法,但其在实际应用场景中存在如下问题:首先,计算参数实时数值需要在节点端发起多次查询,会引起一定的通信和能量开销;其次,网关选择算法计算复杂度相对较高,例如文献6,其在节点上完全实现的难度很大,另一方面,如果采用由网关实现该算法,则需要发送大量查询数据包。另外,文献7将网关剩余工作时间作为网关选择的一个因素,但是未考虑网关可恢复工作的可能。综合以上网关选择算法,结合实际应用场景,现有的工作则存在以下局限性:首先,现有的工作较少考虑网关失效后恢复的场景,而本文根据实际情况将恢复供电时间作为影
10、响网关选择的一个重要因素,根据网关剩余工作时间、恢复工作时间、节点距离网关的跳数、数据发送速率等参数选择最优网关;其次,在资源受限的节点上通过复杂算法选择最优网关会带来很大的计算开销,不适用于频繁切换网关的场景,本文通过优化方法降低计算开销,从而降低网关的切换开销。236高技术通讯 2016年7月第26卷第7期万方数据2采用能量自采集网关的野外环境监测传感网系统概述2.1系统架构系统整体架构和网关结构如图1所示,系统中由传感节点(包含路由节点,以下无特殊说明均用节点代表)、网关和服务器端组成。其中,网关具有能量自采集功能,其主要组成单元如图1中所示,包括:太阳能供电单元、处理单元、气象数据采集
11、单元、任务单元和通信单元。其中处理单元处理网关计算操作;任务单元管理网关需要完成的任务,并且根据供电单元信息得出剩余工作时间;通信单元负责网关与服务器和节点的通信;太阳能供电单元给网关供电,即在光照充足的情况下,太阳能电池板在供给网关工作电源的同时,为蓄电池充电,在光照不足的情况下,网关由蓄电池供电。正常情况下,蓄电池满电量时一般可供应网关工作3到7天。在实际的系统中,由于各个网关所承担的数据采集的转发任务量不同,使得每个网关的剩余工作时间不同。气象和天气信息获取单元负责从服务器获取参考的气象信息。图1基于能量自采集网关的传感网系统架构及网关结构图2.2网络模型在环境监测系统中,每个节点通过分
12、层路由算法建立起以各个网关为顶点的层次网络,如图2所示。在本文中用到的主要参数如表1所示。其中,hop(Nij,k)既可事先通过在网络建立时将该信息存储在节点本地,也可在进行网关切换时向从属其他网关的节点取得;本文采用两者相结合的方法。Lday(i)由网关根据自身剩余电压和工作消耗能量情况计算求得; Rday由网关根据接收到的气象信息计算而得。利用向服务器端获取到的7天内的天气信息,得出网关恢复时间。如果获取到7天的气象信息都不能使太阳能板充电,则把网关恢复时间置为最大值7天。在环境监测系统中,每个节点通过建路方案,建立起以各个网关为顶点的层次网络。每个节点选择距离自己最近的网关,在每个节点中
13、存储自己的距离网关的跳数信息hop(Nij, i)。如图2所示,每个节点记录自身距离网关的跳数信息。图2系统节点层次结构图表1本文用到的参数信息符号 含义G(g1, g2, , gi )传感网网关集合Nij从属于网关gi标号为j的节点hop(Nij,k)从属于网关gi的节点到网关gk的跳数Lday(i)网关gi的剩余工作时间Rday网关能够恢复工作的时间R节点数据发送速率3网关切换方法的设计与实现本节详细介绍网关切换算法的设计和实现。 3.1节介绍根据天气和气象信息网关切换机制。 3. 2节介绍了网关选择算法EasiGS的详细设计实现和优336杜文振等:基于能量自采集的无线传感器网络网关切换机
14、制研究万方数据化。3.1网关无缝切换机制基于2. 1节的介绍,网关可从服务器获得当前天气信息,并可以从端获取未来的气象情况。根据这两种信息,提前做出是否需要进行网关切换的判断。定义1:太阳能的充电速度为Rcharge,网关的电量消耗速度为Egate,在T天中网关能够恢复充电的时间为Rday。网关切换需同时满足以下两个条件:Rcharge j,1 i n,1 j n;则di dj,且hi hj。下面针对情况(2)和情况(3)分别进行分析,提出近似最优的候选网关选择方案。在候选网关剩余工作时间低于网关恢复时间的情况下,则对于筛选后的候选网关除了满足性质1还满足性质2。性质2:对于1 i n;则di
15、 2的情况下, hopi(1 i tr,且di 3,di 15且候选网关个数不超过5个的情况下, hopi(1 i D的次数如下表5所示。在Thop1 - Thop2 D的情况下,方案一和方案二的差别不大,所以根据图5和表5可得出结论:在R为0.5且N为5的情况下,方案一不落后于方案二的概率超过80%,在此种情况下,直接选择方案一。836高技术通讯 2016年7月第26卷第7期万方数据表5方案一比方案二产生的总跳数相差大于D统计(在进行10000次实验,方案一优于方案二的情况下)HN 4 5 6 7 8 95 1948 1435 935 523 254 79如图6可得,在R为1的情况下,进行的
16、10000次实验中,方案一和方案二两种方案产生最少跳数的次数不相上下,所以在此种情况下需要分别进行计算来选择最优的方案。图6方案一最优的次数与H和N的关系(R = 1)如图7所示,在R为2的情况下,进行的10000次实验中,方案一优于方案二的次数不超过3000次,即R为2的情况下,有超过70%的概率方案二优于方案一;即使在方案一优于方案二的情况下,根据结果统计, Thop2-Thop1 D的次数分别如表6所示:图7方案一最优的次数与H和N的关系(R =2)表6方案二比方案一产生的总跳数相差大于D统计(在进行10000次实验,方案二优于方案一的情况下)NH 2 3 4 54 0 17 20 37
17、5 0 18 35 696 0 15 51 1407 0 33 89 2758 0 51 168 5609 0 80 286 1336根据图7和表6可得出结论:在R为2的情况下,方案一不落后于方案二的概率超过85%,在此种参数情况下,可以无需计算直接选择方案一。除了上述实验,还进行了实验验证在候选网关个数一定的情况下,随着数据发送速率的提高,两种方案产出的最少跳数次数的变化趋势,如图8所示。图8方案一和方案二的优的次数随着R的变化趋势( Rday =120)图9的实验是在候选网关个数一定的情况下,随着候选网关Rday的增加,两种方案产出的最少跳数次数的变化趋势。从图8和图9可得,随着R和Rda
18、y的增大,方案二优于方案一的次数会增加。如果不采用此方法,首先要对所有候选方案分别进行计算,然后对计算结果进行排序,选择跳数最少的方案。如果从单个节点进行一次计算考虑,不采用优化方法的计算量非常小,但是实际应用场景中存在着大量的节点,936杜文振等:基于能量自采集的无线传感器网络网关切换机制研究万方数据并且需要比较频繁的切换,这种情况下产生的计算代价就变成一个值得考虑的因素。再者,在R大于2,且在一定的恢复时间内的情况下,即可采用优化方案进行选择。大多数应用场景中,R不会低于2次,所以在多数情况下,优化方案都适用。图9方案一和方案二的优的次数随着Rday的变化趋势(R =2)4.2候选网关剩余
19、工作时间同时存在低于恢复时间和高于恢复时间在本节中把候选网关按照跳数从小到大排序,假设有N个网关,则候选网关的编号依次为1到N;方案M代表节点先选择网关M(1 M N)再选择网关N;方案N就是节点直接选择网关N。结合实际,部署的网关数目有限。对于N为2的情况,参照4.1节的结论。本实验针对筛选后N为3和4的情况分别进行实验分析,实验结果分别如图10和图11所示。图10方案二或方案三的最优的概率与R和Rday的关系(N = 3)图11方案二或方案三的最优的概率与R和Rday的关系(N = 4)如图10所示,在N为3且R大于2的时候,方案二或者方案三基本上都能以100%的比率产生最小跳数,所以在此
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