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摘要：雷电监测无线传感器网络广泛应用的面临的主要问题是如何最大限度地降低节点功耗，延长网络生命周期，即能耗问题。针对该问题，分别从网络生命周期分析和帧结构方面设计能量优化策略。首先，提出了一种基于基站波束赋形的定向节能传输架构，理论分析推导了该网络的网络生命周期上限，并以仿真表明：基站定向波束传输可提升网络生命周期。最后，设计实现该网络中的帧结构并用FPGA实现基于流水线的多节点数据帧接收。
关键词：雷电监测；无线传感器网络；网络生命周期；帧结构
Analysis and Implementation of Energy Saving Strategy in Lightning Monitoring Directional WSN
LIU Shiyu1,MA Zhongyu2,KONG Xin3,ZHANG Bingbing1
(1.China Science Skyline Tech Co.,Ltd.,Yinchuan Ningxia 750002;2.Northwest Normal University,Lanzhou Gansu 730070;3.Scientific and Technical Development Information Institute in Ningxia,Yinchuan Ningxia 750002)
【Abstract】：The major problem faced in the application of the lightning monitoring wireless sensor networks is how to minimize node power consumption and extend the network life cycle.Aiming at the energy consumption problem,energy optimization strategies are designed from the aspects of network life cycle analysis and frame structure in the paper.Firstly,a directional energy-saving transmission architecture based on the base station beamforming is proposed,the upper limit of the network life cycle is analyzed and deduced theoretically,the simulation results show that:The directional beam transmission of the base station can improve the network life cycle.Finally,FPGA the design and implement of the multi-node frame reception process in the network is realized based on pipeline.
【Key words】：lightning monitoring;wireless sensor network;network life cycle;frame structure
0引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）因有成本低、易部署等显著优势而在大气及雷电监测等方面广泛应用，解决传统雷电应用系统在海量雷电数据并发采集、高效存储、快速计算等方面存在的技术瓶颈，通过在雷电监测区域内部署一定的传感器节点，实现对大气电场强度、气象数据等相关信息的采集和传输，并以无限通信的方式将采集的信息传送至基站。但是，环境监测中的传感器节点通常采用电池供电，为避免电池的频繁更换，就非常有必要加强对其能量管理的重视(即能耗问题)[1]。
针对WSN中的能耗问题，现有研究主要从节点能量优化策略和网络能量优化策略两方面展开。其中节点能量优化策略主要包括硬件节能和软件节能。硬件能量优化策略主要从传感器节能、微处理器节能和无线收发节能三个方面展开研究；软件能量优化策略主要体现在操作系统的设计和调度协议与算法的研究上[2-3]。除了在节点级进行能量优化外，在整个网络层面也应该实施能量优化。网络层面的能量优化策略主要包括基于网络拓扑的能量优化技术、基于路由选择的能量优化技术和基于数据融合的能量优化技术[4-6]。其中，拓扑控制分为功率控制和分层或分簇（睡眠调度）两类。无线传感器网络的路由协议按网络结构可分为平面型和层次型两类。以上相关工作均是针对网络中的传感器节点进行设计，但并未通过对基站端的设计来实现网络能耗的优化。不同于现有文献，本文从节点的硬件能量优化方面，提出通过基站天线成型技术提高指向传感器部署稠密方向的天线增益、降低传感器部署稀疏区域方向的天线增益（天线增益在空域中的总值是一定的），从而延长网络生命周期。推导出给定系统约束情况下的平均网络生命周期的上界值，设计网络中帧结构并用FPGA实现基于流水线的帧处理。
1基于定向波束赋形的网络生命周期上限分析
假定用于环境监测中的WSN中有1个基站，多个传感器节点，整个网络是基于CDMA的多址技术运行。根据通信相关理论，可假设传感器节点存活时间是其发射机功率的反函数。为简化推导，通常以发射功率作为优化参数。位于(x,y)的节点信干噪比γ(x,y)可表示为：
其中，分母中的第一项表示热噪声，第二项表示其他节点信号造成的干扰。N为基站覆盖区域中的传感器数量，N0是基站接收机的热噪声功率谱密度，PT(x,y)为传感器发射功率，gR(x,y)为基站天线增益，A为小区覆盖面积。K1和K2为常数。f(x,y)是环境中传感器节点密度分布函数（DF），DF依赖于环境（如风、地形、雨等）和节点部署机制。K1定义为：
K1=gR GT Lfs Ll（2）
GT为发射机天线增益，GR为基站平均天线增益， Lfs为自由空间损耗，Ll是衰减和大气吸收的损耗。K2定义如下：
其中R为信息比特率，W为码片速率。通信系统中的误码率（BER）都取决于SNR。在CDMA通信系统中，为了以系统所需的BER使系统容量最大化，SNR必须始终独立于传感器位置，即要求接收节点以相同的功率接收来自处于不同地理位置的传感器节点的信号。因此式（1）分母中的第二项可化简为：
定义平均发送功率为：
假设F(x,y,g(x,y))及其导数在A上是连续的。根据式（5）和所需的SNR值，发射功率是关于gR(x,y)的函数，其表示为：
定义最小平均发射功率为：
此外定义两个约束条件：①假设天线满足以下标准化约束，即能量守恒约束：
SA是监测区域。如果假设多个波束（天线）接收来自现场覆盖区域的信息，我们将(10)的右侧替换为波束（天线）的数量。②假定使用以下非负条件：
gR(x,y) 包括常数和可变项，如 ：
其中gmin是gR(x,y)的最小值。gmin的值可避免传感器发射功率不受限制地增加。该值可由发射功率放大器的规格型号和式（5）确定。根据优化理论，使用变分法和欧-拉方程，找到使平均发射功率最小的函数gR(x,y)。欧-拉方程由文献[7]给出：
将式（8）带入式（13）可得 ：
通过对式（14）进行求解，可得 g(x,y) 的解为 ：
可见，式（15）关联起了基站接收天线增益、传感器密度分布函数和通信系统参数。由于多传感器干扰和约束条件（10）、（11），天线增益和传感器密度分布函数之间的关系是非线性的。使用（15）同时对式（10）、（11）求解，进而计算λ1和κ1(x,y)。由于式（9）是一个严格凸函数且式（11）是线性的，因此式（15）是一个全局最优解。
2算例分析
为延时上述结果的应用，假设基站圆形覆盖区域内分布若干传感器节点。传感器节点的密度分布函数为：
仿真中所涉及的参数如表 1 所示 ：
对本文提出的模型和增益均匀的天线模型通过仿真加以比较。图1表明传感器最小平均发送功率与均匀发送功率之比是最大功率与均匀发送功率之比的函数。很容易看出，随着单传感器最大功率与均匀发送功率之比的不断增加，最小平均发射功率与均匀发送功率之比降低。图2显示了在设置3个传感器最大功率与均匀发送功率比值情况下（62.5,1.66,1）的归一化的网络运行时间是发送传感器节点数百分比的函数。从图中可以看出，当发送传感器比例为50%时，Pmax/Puniform=62.5情况下的归一化发送时间是Pmax/Puniform=1.66情况下归一化发送时间的3倍，Pmax/Puniform=1.66情况下的归一化发送时间是Pmax/Puniform=1情况下归一化发送时间的1.88倍。这些结果表明：通过调整天线增益可以显著提高网络生命周期。
3数据帧结构设计与接收处理
3.1帧结构
定向传输的优势在于空间复用和并行传输，不能将传统全向网络的帧结构直接应用于上述分析的网络场景。因此在上述分析的基础上，设计一种针对定向传输的简化帧结构，以充分适应定向传输的需求，帧结构的具体字段划分及各字段占字节数如图3所示。帧结构各部分中最小的MAC帧可由Frame Control域、Duration/ID域、Address1域及FCS域组成最小的帧，其他域根据传输需求进行自由组织。自由组织带来的问题是各个域的所占位宽不同，使得用流水线工作原理对帧处理时各个功能块中所要操作数据的大小不能明确划分，这样反而使得工序变得复杂，另外如果从接收数据帧后就开展校验运算工作，在接收位宽不同的情况下CRC32校验就是要解决的又一难题。另外，为了降低网络信令交互开销，根据计算机网络中帧聚合的概念，WSN网络中可将多个具有相同下一跳地址和相同数据类型的MPDU帧也可组成一个聚合帧，即AMPDU，在聚合后只需要增加一个帧头和帧校验域就可以发送数据了。AMPDU的聚合过程如图4所示：
由上图可知，每个数据帧中包含6个字节的接收地址，6个字节的发送地址，2个字节的帧长度信息，不定长度的帧数据信息，及最后三个字节的填充信息。填充信息用来保证帧长度是32bit的整数倍，便于数据的接收和解析，此外还有数据帧的Dilimeter部分，主要包括1bit的EOF，1bit保留位，14bit的帧头长度信息，8bit的CRC校验以及8bit的帧间隔符签名信息。其中EOF为帧结束标志位，当设置为1时表示接收的是高吞吐量的wifi信息数据，否则为WSN数据信息。
3.2基于流水线的帧处理
根据帧结构的设计和流水线处理重复任务省时的优点，将收发模块划分为若干个独立的子模块，让多个节点的数据以流水的形式经过这些子模块进行处理，这样可以大大节省用一套收发模块处理多个节点数据流的使用时间。
因此，将数据接收模块划分为以下几个功能模块，FC（Frame Control）、Duration/ID域处理功能块，A1-A3（Adress1-Adress3）、SC域处理功能块、A4（Address4）、QoSC域处理功能块，HTC域处理功能块，FB（Frame-Body）域处理功能块和CRC实时校验处理功能块，另外还有处理帧间隔的Delimiter域处理功能块，其中FB域处理功能块处理的可能是数据帧帧体，也可能是控制帧或者管理帧帧体，而该功能块处理的数据可能会很长，根据流水线的速率可能会受到速度最慢的操作步骤的限制的特点，这里将FB域处理功能块设置为多个并行块，这样会提高数处理数据的效率；另外，每个用户CRC实时校验处理功能块必须是私有的，这是因为在处理每个用户数据的同时也在进行CRC校验工作。
综上所述，将接收模块分为两大功能块，流水线功能块和并行处理功能块，本文重点设计流水线功能块，该块包括Delimiter域处理功能块、FC、Duration/ID域处理功能块、A1-A3（Adress1-Adress3）、SC域处理功能块、A4、QoSC域处理功能块、HTC域处理功能块和FCS域处理功能块。
4基于FPGA的帧处理实现
FPGA（现场可编程门列阵）具有强大的并行计算能力，可以在一个时钟周期内完成更多的操作任务，且不使用任何操作系统，稳定性能得以提高，能够满足定向传感器网络MAC帧传输实时性和可靠性高的要求。GTX/GTH是Xilinx公司对7系列FPGA中收发器的称FPGAs Transceivers Wizard IP核实现。为简化分析，
在基于FPGA的功能仿真中设定基站同时接收来自4个不
同的传感器数据帧，基站处基于流水线的帧处理过程中对
数据帧中各个模块的功能测试图如图5-图14所示：
在Delimeter提取与校验功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为2个周期，接收信号使能为1个周期。
在FC、NAV功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为2个周期，接收信号使能为1个周期。
在地址解析（A1~A3、SC）功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为6个周期，接收信号使能为5个周期。
在A4、QoSC功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为3个周期，接收信号使能为2个周期。
在HTC功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为2个周期，接收信号使能为1个周期。
在控制帧处理功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为4个周期，接收信号使能为3个周期。
在管理帧功能块的测试过程中，4 用户竞争，单位周期长度为 20ns，用户有效使能信号为 4 个周期，接收信号使能为 3 个周期。
在帧数据接收功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为2个周期，接收信号使能为1个周期。
在FCS功能块的测试过程中，4用户竞争，单位周期长度为20ns，用户有效使能信号为2个周期，接收信号使能为1个周期。
CRC32模块实现对帧数据的CRC校验，图中对接收的4个用户数据依次进行校验。
5结语
针对雷电监测WSN中的能耗问题，提出了基于邮箱传输的能耗能耗优化策略。首先提出了一种基于基站波束赋形的定向节能传输架构，从理论上分析推导了网络生命周期上限值，仿真和分析结果表明：Popt/Puniform是Pmax/Puniform递减函数；归一化的网络运行时间为传感器传输百分比的函数。最后，设计实现该网络中的帧结构并用FPGA实现基于流水线的多节点数据帧接收。
参考文献
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