基于電池能耗的農(nóng)田多跳WSN協(xié)作通信問題研究

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1、農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能協(xié)作節(jié)點(diǎn)分布研究*摘要：為了降低農(nóng)田多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)的電池能耗，延長其使用壽命，該文利用協(xié)作通信能量消耗模型，對農(nóng)田多跳WSN中宵?接通信和兩跳協(xié)作通信兩種信息傳輸方式的電池能耗進(jìn)行比較和研究，利用Matlab軟件繪制出當(dāng)兩跳協(xié)作通信的電池能耗低于肖?接通信時(shí)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)需耍滿足的位置條件及最優(yōu)位置，并對一些影響因素進(jìn)行了分析。該文可為農(nóng)m多跳WSN的節(jié)點(diǎn)布署提供理論支持，以降低整個(gè)WSN的能耗。關(guān)鍵詞：農(nóng)田多跳WSN,直接通信，兩跳協(xié)作通信，電池能耗中圖分類號：T

2、N925.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0引言農(nóng)田環(huán)境信息的獲取是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵部分，它直接反應(yīng)農(nóng)作物生長狀態(tài)和農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量⑴。然而，傳統(tǒng)的資源調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測技術(shù)存在著諸多局限，達(dá)不到及吋、準(zhǔn)確、全面的要求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)技術(shù)的發(fā)展，將wsn應(yīng)用于農(nóng)m環(huán)境信息監(jiān)測領(lǐng)域已成為目前研究的熱點(diǎn)［2叨。WSN的節(jié)點(diǎn)能量通常由能源不可再生的電池提供，因此電池能量的高效利用就成為了決定WSN生命周期的關(guān)鍵因素［⑼。在提高WSN電池能量利用效率方面，協(xié)作通信技術(shù)作為一種有效手段被廣泛研究［11'17］

3、0然而，由于協(xié)作節(jié)點(diǎn)額外的接收和發(fā)射電路能量消耗，并非所有情況下WSN結(jié)合協(xié)作通信技術(shù)，系統(tǒng)電池能量利用效率都會得到提高因此，要想利用協(xié)作通信提高電池能量利用效率，協(xié)作通信的時(shí)機(jī)選擇和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的位置選擇，就成了必須考慮的問題。W.Zhang等建立了WSN兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間直接通信和兩跳協(xié)作通信的平均電池能量消耗模型，并對直接通信和兩跳協(xié)作通信兩種信息傳輸方式的電池能耗進(jìn)行了研究和比較，得出當(dāng)兩跳協(xié)作通信的電池能耗低于直接通信時(shí)協(xié)作節(jié)點(diǎn)需要滿足的位置條件［，9-201o然而，W.Zhang等的研究都是以動態(tài)WSN為研究對彖，一些結(jié)論和成果無法直接應(yīng)用

4、于像農(nóng)出WSN這樣的靜態(tài)WSN場拿項(xiàng)目基金:合。為此，本文利用協(xié)作通信能量消耗模型,對農(nóng)田多跳WSN川的直接通信和兩跳協(xié)作通信兩種信息傳輸方式的電池能耗進(jìn)行比較和研究。1系統(tǒng)模型圖1兩跳協(xié)作通信模型Fig」Two-hoprelaymodel系統(tǒng)模型選用兩跳協(xié)作通信模型，如圖1所示。英中，S是數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)是數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)，R是數(shù)據(jù)協(xié)作節(jié)點(diǎn)。在該模型中,有兩條通信鏈路：直接通信鏈路S-F和兩跳協(xié)作通信鏈路StRtF。1.1兩種信息傳輸方式的電池能耗假設(shè)S―F距離為d,S―R距離為d1,R->F距離為d?。當(dāng)使用直接通信鏈路S->F傳輸信息時(shí)，

5、系統(tǒng)能耗生"與F接收信號能量之間的關(guān)系為：上_必運(yùn)鴨,(1+0)：丿2K弘-%血a~n2-GM+cgM+q(1)其中，Q是電池效率，乙=『（pO⑴）po（f）=譏，?是功率放大器的功率損耗因素，〃是DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率，/是電池電壓，匕和佇分別是發(fā)射電路和接收電路的能量損耗，7；是脈沖周期，7；是脈沖高電平時(shí)間，K是信道衰減常數(shù)，在農(nóng)田環(huán)境屮通常収K?2。當(dāng)使用兩跳協(xié)作通信鏈路S->R->F傳輸信息時(shí)，系統(tǒng)能耗匕如與R及F接收信號能量舅、鼻噸?之間的關(guān)系為：—伽+6（雜￡+徐麗苗）+3口（2）1.2通信服務(wù)質(zhì)量通信服務(wù)質(zhì)量采用平均比

6、特謀碼率（BitErrorRate,BER）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，平均BER在高信噪比的情形下可表示為：(3)其中，乙是接收的平均比特能量，N。是加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度。假設(shè)直接通信鏈路的平均BER為￡。當(dāng)兩跳協(xié)作通信鏈路與直接通信鏈路通信服務(wù)質(zhì)量相同，即兩跳協(xié)作通信鏈路的平均BER也為￡時(shí)，鏈路S—R及R—F的最優(yōu)平均BER￡、人分別為：砂一P.（4）乜丿KP嚴(yán)E嚴(yán)（5）1+徉丫根據(jù)（3）（4）（5）式，當(dāng)兩跳協(xié)作通信鏈路與直接通信鏈路通信服務(wù)質(zhì)量相同吋，直接通信吋F接收能量g“,協(xié)作通信時(shí)R及F接收能量厲、徐心,分別為:(7)(8)2

7、兩種信息傳輸方式能耗比較對比（1）（2）式可以看出，由于協(xié)作通信需要兩跳，月.F需要兩次接收信息，因此相比于（1）式，（2）屮的節(jié)點(diǎn)自身能量消耗增大了兩倍，變?yōu)?C。。但相對于（1）中能量消耗由d決定，（2）此時(shí)變?yōu)橛缮?、d2共同決定，因此，當(dāng)山、心在一定范圍內(nèi)収值時(shí)，在通信服務(wù)質(zhì)量相同的前提下，系統(tǒng)的總能耗有機(jī)會滿足：??畑<鼻。根據(jù)（1）（2）式，兩跳協(xié)作通信鏈路與直接通信鏈路的電池能耗差異為△g_^relay-^dir蟲2匕抻+徐麗d學(xué)-爲(wèi)嚴(yán)）+GM+—船-）+2C。（9）將（6）、（7）、（8）式代入（9）式，得（10）式屮各個(gè)參數(shù)

8、収值如表1所示。表1參數(shù)取值Tabic1Parameterselection參數(shù)取值參數(shù)取值參數(shù)取值0)0.05a0.33Per52.5mWK340dBN(/2?171dBm/H