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射频供能无线传感器网络高能效数据收集方案
资料介绍
在射频供能无线传感器网络中,提高网络能效和吞吐率是一个重要的研究问题.该文统筹考虑信道分配、节点的能量阈值以及MAC(Medium Access Control)帧分块重传机制,提出高能效和高吞吐率的数据收集方案;推导了节点的充电时间、节点传输一个MAC帧的平均能耗和平均时延、网络能效和吞吐率,定义了网络效用函数,形成了最大化网络效用的优化问题.通过调整效用系数并求解优化问题,可以获得使网络能效和吞吐率最大化的最优能量阈值和MAC帧最优分块个数.仿真结果表明,所提方案的能效和吞吐率高于已有方案.
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Vol． 46 No． 9
Sep． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
9
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
射频供能无线传感器
网络高能效数据收集方案
1
2
1
1
1
，
，
，
，
邱树伟 石海燕 池凯凯 程 珍 朱艺华
( 1.
，
310023; 2.
，
312000)
浙江工业大学计算机科学与技术学院 浙江杭州
绍兴文理学院机械与电气工程学院 浙江绍兴
:
，
．
摘
要
在射频供能无线传感器网络中 提高网络能效和吞吐率是一个重要的研究问题 该文统筹考虑信道分
、
配 节点的能量阈值以及
MAC( Medium Access Control)
， ;
帧分块重传机制 提出高能效和高吞吐率的数据收集方案 推
、
导了节点的充电时间 节点传输一个
MAC
、 ， ，
帧的平均能耗和平均时延 网络能效和吞吐率 定义了网络效用函数 形成
． ，
了最大化网络效用的优化问题 通过调整效用系数并求解优化问题 可以获得使网络能效和吞吐率最大化的最优能量
MAC
． ，
帧最优分块个数 仿真结果表明 所提方案的能效和吞吐率高于已有方案
．
阈值和
:
;
;
;
;
关键词
射频供能通信网络 无线传感器网络 数据收集 吞吐率 能效
TP 393
0372-2112 ( 2018) 09-2238-07
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 09． 027
:
:
A
:
文章编号
中图分类号
文献标识码
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
电子学报
Energy-Efficient Data Collection Scheme for Radio
Frequency Powered Wireless Sensor Network
1
2
1
1
1
QIU Shu-wei ，SHI Hai-yan ，CHI Kai-kai ，CHENG Zhen ，ZHU Yi-hua
( 1. School of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang 312000，China)
Abstract: In radio frequency powered wireless sensor network( RFP-WSN) ，improving network energy efficiency and
throughput is an important topic． A data collection scheme with high energy-efficiency and high throughput is proposed in
this paper，which integrates channel allocation，energy threshold and MAC( Medium Access Control) frame block-level re-
transmission mechanism． In addition，the charging time of nodes，the average energy consumption and the average delay for
transmitting a MAC frame，and the energy efficiency and throughput of the network are derived． The network utility function
is defined，and the optimization problem( OP) of maximizing network utility is formed． By adjusting the utility coefficient
and solving the OP，the optimal energy threshold and the optimal number of blocks per MAC frame can be obtained to maxi-
mize the energy efficiency and throughput． The simulation results show that the energy efficiency and throughput of the pro-
posed scheme are higher than that of the existing schemes．
Key words: radio-frequency powered communications network; wireless sensor network; data collection; throughput;
energy efficiency
“
-
”
配备了 射频 电能 转换电路 能够从射频信号中捕获
，
1
引言
．
能量
( Wireless Sensor Network，WSN)
在无线传感器网络
，RFP-WSN
在传输数据之前
节点通过捕获射频能
，
，
，
中 节点由电池供电 更换电池不便 能量捕获技术能克
，
，
量为电容器充电 当其剩余能量达到能量阈值之后 开
．
( Radio Frequen-
服这一不足 射频供能无线传感器网络
cy Powered Wireless Sensor Network，RFP-WSN)
(
) ;
，
始传输数据 放电 当其剩余能量低于能量下限时 又
中的节点
．
，
，
开始充电 于是 当能量阈值较高时 节点充电时间较
: 2017-08-28;
: 2017-09-25;
:
收稿日期
修回日期
责任编辑 梅志强
:
( No． 61432015) ;
( No． 61772470，No． 61472367) ;
浙江省自然科学基金项目
基金项目 国家自然科学基金重点项目
国家自然科学基金面上项目
( No． LY15F020029)
2239
9
:
第
期
邱树伟 射频供能无线传感器网络高能效数据收集方案
，
，
;
，
quence Spread Spectrum，DSSS)
长 捕获到的能量较多 持续工作时间也较长 相反 当
和偏移正交相移键控调
，
，
能量阈值较低时 节点充电时间较短 捕获到的能量较
( Offset Quadrature Phase Shift Keying，O-QPSK)
制方式
［8］
，
．
，
，
〈A ，sink〉
:
少 持续工作时间也随之变短 总之 能量阈值的设定影
的信道中 链路
的误码率为
i
，
响到充电时间和节点持续工作时间 从而对网络吞吐
b = Q( 2 ( d ) B /R)
( 1)
ψ
i
i
N
槡
∞
．
率产生很大的影响
2
－ t /2
－ 1
，Q( x) = ( 2 )
π
槡
e
dt，x 0，B
≥ 是噪声带
其中
N
∫
x
，
，
再者 由于节点捕获到的射频能量比较微弱 节点
，R
， ( d )
是数据速率 Ψ
，
( d ) = P
宽
是接收信噪比 有 Ψ
，
传输数据时使用的发射功率也相应较小 这会导致通
i
i
t
－ P ( d ) － 10 log ( d / d ) － P ，
，P
是节点的
η
其中
，
，
信链路误码率较高 在数据包出现误码时 节点需要采
lost
0
10
i
0
th
t
，P ( d )
，d = 1m，
是单位距离下的功率损耗
发送功率
，
( Automatic
用可靠数据传输机制 如采用自动请求重传
lost
0
0
，P
．
η 是功率衰减系数
是接收功率阈值
Repeat-Request，ARQ) ．
，
可是 重传会带来额外的能耗和
th
时延［1］ 降低了网络能效和吞吐率
2. 3
，
．
能耗模型
［9］
，
d
，
可见 要提高能效和吞吐率 需整合节点能量阈值
，
本文采用文献
的能耗模型 即相距为 的收发
i
l
，
双方传输一个长度为 比特的数据包时 发送方和接收
γ
，
的设定和数据传输机制 此乃本文的主要动机
．
在射频 能 量 捕 获 方 面
等 人［2］ 设 计 了 一 个
l(
+
d ) ， ，
l
，Kim
方的能耗分别为
ε
ε
和 ε 其中 ε 是编码和
0
1
i
0
0
1
，
1
98 W 457. 5MHz
μ
，
的射频供能收发器 该收发器支持输
调制 比特时电路的能耗 ε 是发送 比特时放大器的
1
［3］
，
能耗 γ 是路径衰减系数
．
-22dBm． Parks
4. 2km
出功率为
等人 从相距
的电视塔
，
所发射的信号中捕获能量 其捕获功率为
62. 5 W．
μ
2. 4
文
能量捕获模型
献
中采用全向天线以
的功率向低功耗设备发射
mW
利用
方程可得 的能量捕获功率为［10］
2
G G
s
［4］ 1W
Friss
A
:
i
，
．
射频信号 这些设备的能量捕获功率为
级
λ
r
( h)
P
=
P
( 2)
μ
i
s
在数据传输方面 朱等人［5］ 提出了累积无误码数
(
)
4 d
π
L
，
i
p
，G
G
，
其中
和
分别表示发送方和接收方的天线增益 λ
( Gathering Error-free Block，GEB)
，
据块
传输方案 在该方
案中 接收方能够在一些出错的数据包中累积无误码
． Park
s
r
，P
，L
是路径功率
是电磁波波长
是发送方的发送功率
，
s
p
等人［6］提出基于块确认
，
损耗 μ 是充电效率系数
．
的数据块以重组数据包
( Data Fragmentation Scheme with Block
的数据分片方案
ACK，DFSBA) ， DFSBA
3
RF-DCS
方案
，
中 节点将数据包分割成小数
在
3. 1
充电阶段
sink
，
，
据包并传输给接收方 在传输完成之后 发送方仅重传
那些出错的小数据包
MAC
( Receiver-Centric MAC，RC-MAC) ，
在
等人［7］提出了以接收方为
，
为网络中所有节点充电的过程中 节点达
在
． Huang
．
到能量阈值的时间不同步 先达到能量阈值的节点不
sink， sink
正在为尚未达到能
中心的
协议
能立刻将数据传输给
因为
量阈值的节点充电 只有当充电阶段结束 即所有节点
，sink
，
该协议中 接收方在
ACK( Acknowledgment)
中指定下一
．
(
，
个发送数据的节点 减少了节点之间因竞争信道所产
)
．
的能量均已达到能量阈值 之后
才开始收集数据
．
生的开销
，
(
因此 需要为节点选择一个合适的能量阈值 见
4. 3
RFP-WSN
本文提出了适用于单跳
的射频供能数
) ．
sink
( 4) ，
计算而得 因
节
由于充电时间由
根据后述式
( Radio Frequency powered Data Collection
据收 集 方 案
，
此 节点无需通知
sink
．
何时完成充电
Scheme，RF-DCS) ， 、
该方案整合了信道分配 节点能量阈
3. 2
传输数据阶段
信道分配
，
值设定和数据传输机制 提高了网络能效和吞吐率
．
3. 2. 1
2
系统模型
，sink
充电结束之后
立即向节点广播信道分配帧
CAF
2. 1 RFP-WSN
( Channel Assigning Frame，CAF) ．
模型
节点在接收到
之
RFP-WSN
1
sink
n
， A
个节点 以
，
后 按其中的指示信息传输数据
． CAF
IEEE
单跳
包含
个
和
表
的结构与
i
i
示第 个节点
( i = 1，2，…，n ) ，
sink
802. 15. 4
， 1 ， MHR( MAC
标准兼容 如图 所示 它由帧头
它与
之间直接通
． sink
，
有外接电源 节点从
sink
Header) 、
帧身
( MAC Payload) MFR( MAC Foot-
以及帧尾
信
发射的射频信号中捕
． ，
获能量 每个节点配备一根天线 捕获能量和收发数据
er)
． ［11］，MAC Payload
组成 帧头和帧尾的含义见文献
．
“Command Frame Identifier ( CFI) ”、“Number of
由域
不能同时进行
Nodes( NoN) ” ( NodeID，T ，N ) ，i = 1，
和 三元数组组成
2. 2
信道模型
i
i
2，3，…，n，
其中
，CFI
，NoN
d
A
sink
， 〈A ，sink〉
之间的距离 以 表示
表示命令帧识别符
表示参与
以
表示
与
i
i
i
，NodeID
，T
表示允
A
sink
．
之间的通信链路 在采用直序扩频
( Direct Se-
分配信道的节点总数
表示节点标识
与
i
i
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