Гибридные энергосберегающие средства для беспроводных сенсорных сетей

1. Введение

Беспроводные датчики, как правило, запитанные от батарей, дают ограниченное количество энергии. Средство для уменьшения потребления энергии необходимо, чтобы продлить срок службы сети в максимально возможной степени, и существует множество механизмов для достижения этой задачи. Большая часть энергии расходуется на беспроводном сетевом интерфейсе, поэтому многие механизмы энергосбережения работают в этой области.

Стандартным средством является режим экономии потребляемой мощности (PSM) [6]. PSM используется в обычных беспроводных сетях, таких как 802.11, 802.16 и 802.15.4. В этих сетях, узлу или датчику разрешено находиться в спящем режиме в течение определенного периода времени, выключив его интерфейс беспроводной сети с целью экономии энергии. Распространенным альтернативным средством является регулятор мощности (РС) схема [9,10,11]. Эта схема изменяет мощность передачи в соответствии с расстоянием между передатчиком и приемником, чтобы уменьшить потребление энергии. Кроме того, регулятор мощности также используется для улучшения пространственного повторного использования беспроводного канала. Эти два средства PSM и РС) наиболее часто используются для экономии энергии в беспроводных временных сетях. В этом исследовании, именно две схемы объединены и реализованы в стандарте IEEE 802.15.4.

Остальная часть статьи организована следующим образом: соответствующая работа в области энергоэффективности и стандарт IEEE 802.15.4 представлен в разделе 2. В разделе 3 дается обзор нашей методологии протокола и моделирования. Результаты и обсуждение представлены в разделе 4. Раздел 5 обсуждает заключение и будущую работу.

2. Связанные работы

Увеличение срока службы беспроводного узла – или увеличение срока службы всей сети – во многом зависит от потребляемой мощности узлов в беспроводной сети. Таким образом, экономия энергии была горячей темой в последние несколько лет для многих исследователей. В [6] представлена технология под названием управление мощностью. Узлы, как правило, находятся в одном из двух режимов: как активный режим, в котором узлы могут передавать и принимать данные, так и спящий режим, в котором узлы могут быть в спящем режиме, чтобы уменьшить свою энергию. Другими словами, узлы отключают свой сетевой интерфейс, и они не могут передавать или принимать данные, но они экономят энергию. В предложенном PSM [10] перед отправкой или получением каких-либо пакетов, протокол обмена подтверждениями происходит между передатчиком и приемником. Эти компьютерные приветственные сообщения включают в себя запрос на передачу данных (RTS) и чтобы четко отправить сигнал (CTS). Цель этих компьютерных приветственных сообщений заключается в предотвращении столкновений и сообщить узлу, что требуемая мощность для передачи данных и подтверждения приема пакетов сообщений достаточна. Направленные антенны также используются для снижения потребления энергии. Kранакис и др. [5] сравнил всенаправленные и направленные антенны. Поскольку всенаправленные антенны передают во всех направлениях, они потребляют ненужную энергию. Тем не менее, направленные антенны фокусируют радиочастоты (РЧ) энергии в определенном направлении, где это необходимо [14]. Уизилфир и др [7] предложил, что использование направленных антенн может сэкономить энергию за счет концентрации передачи энергии в определенном направлении.

Разводка питания (PAR) [12] является протоколом, который увеличивает срок службы сети и снижает потребление энергии путем установления маршрута от источника к месту назначения. Он выбирает минимальный общий путь передачи мощности, чтобы максимально увеличить время службы сети. Чаттерджи и др [16] включили PAR, где были рассмотрены вопросы энергоэффективности и энергетических стратегий маршрутизации данных в пределах временной сети в качестве ключевых критериев при определении маршрута для передачи пакета данных.

Чен и др. предложили SPAN [13], основанный на выборе координатора из всех узлов или датчиков в сети, чтобы действовать в качестве точки доступа (AP). Сноу и др. [1] показывают, как при низкой мощности многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA), может быть реализован через беспроводную сеть. Схема проснуться по требованию также используется для экономии энергии [2]. Стандарт IEEE 802.15.4 [8] определяет PHY и уровень MAC спецификации для низкоскоростной WPAN (LR-WPAN). Основные особенности этого стандарта являются легкость установки и надежная передача данных. Он также работает на короткие расстояния и очень низкий по цене. Гибридный экономный режим питания описанный в данной работе применяется к стандарту IEEE 802.15.4.

3. Гибридный экономный режим питания

Протокол связи, который мы предлагаем включает в себя схемы PSM и РС. Стандарт поддерживает спящий режим IEEE 802.15.4, однако, период сна может повлиять на пропускную способность. Например, если активный период в суперкадре очень коротка по сравнению с неактивным периодом, шанс доступа к каналу будет очень слаб, особенно, если нагрузка сети является перегруженной. С другой стороны, если активный период очень долгий в сравнении со спящем режимом, узел или датчик получит хороший шанс доступа к каналу. Это означает, что пропускная способность будет увеличиваться, но и энергопотребление будет увеличиваться. Таким образом, долгота активного и неактивного периода должны быть совместимы, чтобы быть довольным качеством обслуживания (QoS) и экономией энергии.

Схема регулятора мощности является одним из протоколов, которая используются для экономии энергии в узлах или датчиках. Как упоминается в разделе введение, перед тем, как передать или получить каких-либо данные, должно иметь место приветствие между отправителем и получателем [9,10]. Приветствие называется RTS и CTS. Они используются для предотвращения столкновений, и установления соответствующих мощностей для передачи и приема. Процесс выглядит следующим образом:

1. Передатчик посылает пакет RTS на максимальной мощности.
2. Когда получатель принимает пакет RTS, он вычисляет уровень мощности, что следует использовать получателю. Получатель вычисляет эту мощность в зависимости от мощности, полученной им от отправителя, где:

   (1)

   где Р_r – принимаемая мощность, R_{x threshold} является минимально необходимой мощностью (мощность принимаемого сигнала) и С является константой. После вычисления значения мощности, получатель отсылает обратно CTS пакет отправителю. Этот пакет имеет значение мощности, что отправителю следует передать.
3. Если пакет CTS успешно принят отправителем, передатчик начинает передавать данные с требуемой мощностью.
4. После отправки данных, пакет подтверждения отправляется получателем, чтобы сообщить о том, что данные были успешно получены.

Мы объединяем эти два средства (PSM и РС) вместе, чтобы иметь преимущество спящего режима и преимущество управления мощностью. График на рисунке 1 показывает наш протокол.

3.1. Моделирование

В нашей модели мы используем программное обеспечение NS-2 (Ns-2,34). Среда моделирования составляет 100 м на 100 м и была смоделирована только топология звезда. Для канала используется частота 915 МГц . Это означает, что скорость передачи данных каждого узла 40kbps, где каждый узел формирует размер пакета 100 байт каждый 0,032 сек. Кроме того, каждый узел или датчик в сети передает ConstantBitRate (CBR) трафик. Число узлов меняется каждый раз от 2, 6 или 10. Каждый прогон моделирования длится в течение 1000 секунд.

Рисунок 1  – Комбинация PSM и PC

4. Результаты и обсуждение

В этом разделе мы сравниваем скорость передачи данных и потребляемую мощность, которая влияет непосредственно на сигнал (BO) и суперкадр (SO). Мы также исследуем эффект регулятора мощности на потребление электроэнергии. Когда два узла развернуты, можно четко заметить, что, если значимость сигналов BO и SO равны, то скорость передачи данных на самой высокой точке. Это происходит потому, что время спящего режима равно нулю и узел имеет максимальную возможность доступа к каналу. Более того, поскольку загрузка на канале не значительна, столкновение, которое является важным фактором влияющим на пропускную способность происходит очень редко. Однако, когда значение ВО увеличивается, а SO остается зафиксированным на уровне 3, например, рабочий цикл (соотношение длины активного периода SD к длине BI (½) ^ВО-SO) будет уменьшаться. Это приводит к снижению пропускной способности, потому что, как уже упоминалось ранее (см. раздел 3), вероятность предоставления доступа к каналу пропорциональна рабочему циклу.

С другой стороны, потребление мощности обратно пропорционально рабочему циклу. Это происходит потому, что спящий режим увеличивается, когда параметр BO уменьшается, что влияет на рабочий цикл. Таким образом, из рис (2b), мы можем ясно видеть, что когда увеличение BO и SO зафиксировано, увеличивается экономия энергии. Рисунок 2с показывает среднее потребление энергии узлов, когда регулятор мощности используется с PSM. Можно заметить, что потребляемая мощность снижается, а скорость передачи данных остается неизменной.

На рисунках 2 и 3 настоящего сценария реализовано 2 и 10 узлов соответственно. Различие только в скорости передачи данных, где число узлов увеличивается, в результате чего пропускная способность снижается. Это потому, что столкновения увеличиваются, и количество попыток доступа к каналу возрастает.

Из всех рисунков, можно ясно видеть, что, когда рабочий цикл велик, то он влечет за собой долгий активный период, который увеличивает ресурс пропускной способности для узлов, таким образом, пропускная способность возрастает. Потребляемая мощность, однако, увеличивается, так как узлы остаются в активном режиме в течение длительного времени.

С другой стороны, когда ВО велико по сравнению с SO, неактивный период продлевается, что приводит к возрастанию латентности передачи данных. Более того, с длительным спящим режимом, наиболее интенсивная конкуренция на канале с помощью буферизованных пакетов будет происходить в начале следующего активного периода. В результате, уровень потерь пакетов данных будет увеличиваться, что приводит к снижению пропускной способности. При включении регулятора мощности в PSM, потребляемая энергия уменьшается, потому что используется только требуемая мощность , как показано на рисунках 2с и 3с.

5. Заключение и будущая работа

В этой статье мы представили включение PSM с PC, чтобы уменьшить энергопотребление в стандарте IEEE 802.15.4. Параметр ВО и SO существенно влияет на пропускную способность и энергосбережение. В стандарте IEEE 802.15.4, если ВО очень велико, а SO малo, пропускная способность снижается. И если рабочий цикл велик, пропускная способность возрастает, но энергия, потребленная во время спящего режима, становится маленькой, поскольку узел остается в работе на протяжении длительного времени. Добавление регулятора мощности к PSM обеспечивает повышенную производительность с точки зрения экономии энергии. Будущая работа включает в себя мобильность и другую модель распространения, а также добавляет другое средство, такое как TDMA к этому, чтобы сохранить больше энергии.

Список источников

1. Jim Snow, Wu-vhi Feng, Wu-chang Feng, Imple menting a Low Power TDMA Protocol Over 802.11, pp: 75-80, IEEE Communications Society/ WCNC 2005.
2. R. Zheng and R. Kravets, On-demand power management for ad hoc networks, in Proc. of IEEE INFOCOM 2003, April 2003.
3. Herrera, M.M.; Bonastre, A.; Capella, J.V.; , Performance Study of Non-beaconed and Beacon-Enabled Modes in IEEE 802.15.4 under Bluetooth Interference, Mobile Ubiquitous Computing, Systems, Services and Technologies, 2008. UBICOMM '08. The Second International Conference on , vol., no., pp.144-149, Sept. 29 2008-Oct.
4. Cuomo, F.; Della Luna, S.; Cipollone, E.; Todorova, P.; Suihko, T.; , Topology Formation in IEEE 802.15.4: Cluster-Tree Characterization, Pervasive Computing and Communications, 2008. PerCom 2008. Sixth Annual IEEE International Conference on , vol., no., pp.276-281, 17-21 March 2008.
5. E. Kranakis, D. Krizanc, and E. Williams, Directional versus omnidirectional antennas for energy consumption and k-connectivity of networks of sensors, Proceedings of OPODIS, 2004.
6. IEEE, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification. New York: IEEE Press, November 1997.
7. Wieselthier, J.E.; Nguyen, G.D.; Ephremides, A.; , Energy-limited wireless networking with directional antennas: the case of session-based multicasting, INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE , vol.1, no., pp. 190- 199 vol.1, 2002.
8. IEEE 802.15.4 Standard-2003, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE-SA Standards Board, 2003.
9. Eun-Sun Jung, energy efficiency in wireless networks, doctor of philosophy dissertation, Texas A&M University, August 2005.
10. Jung, E. Vaidya, N H. A Power Control MAC Protocol for Ad Hoc Networks Wireless Networks, vol.11, no.1, pp.55-66, January 2005.
11. Dongkyun, K. Toh ,C, K. F-PCM: A fragmentation-based power control MAC protocol for IEEE 802.11 mobile ad hoc networks Wireless Communications & Mobile Computing, vol.6, no.5, pp.727-739, August 2006.
12. Rishiwal, V. Yadav, M. Verma, S. Bajapai, K, S. Power aware routing in ad hoc wireless network JCS&T, vol.9, no.2, pp.101-109, October 2009.
13. Chen,B. Jamieson, K. Balakrishnan, H and Morris, R.; Span: An Energy-Efficient Coordination Algorithm for Topology Maintenance in Ad Hoc Wireless Networks. Springer Netherlands, vol.8, no.5, pp.481-494, September 2002.
14. Baoli Zhang; Fengqi Yu; Zusheng Zhang; , A High Energy Efficient Localization Algorithm for Wireless Sensor Networks Using Directional Antenna, High Performance Computing and Communications, 2009. HPCC '09. 11th IEEE International Conference on , vol., no., pp.230-236, 25-27 June 2009.
15. Jurcik, P.; Koubaa, A.; Alves, M.; Tovar, E.; Hanzalek, Z.; , A Simulation Model for the IEEE 802.15.4 protocol: Delay/Throughput Evaluation of the GTS Mechanism, Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems, 2007. MASCOTS '07. 15th International Symposium on , vol., no., pp.109-116, 24-26 Oct. 2007.
16. Sanjay Chatterjee, Siuli Roy, Somprakash Bandyopadhyay, Tetsuro Ueda, Hisato Iwai, Sadao Obana: A Power Aware Routing Strategy for Ad Hoc Networks with Directional Antenna Optimizing Control Traffic and Power Consumption. IWDC 2005: 275-280