农田无线传感器网络节能协作节点分布研究

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1、农田无线传感器网络节能协作节点分布研究王凤杰1,张承明2",侯加林1,方阳阳1（1.山东农业大学机械勻电子工程学院，泰安271018:2.山东农业大学信息科学与工程学院，泰安271018）摘要：为了降低农田尤线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）的屯池能耗，延长其工作寿命，木文利川WSN电池能耗模型，对农山WSN中直接通信和协作通信的电池能耗进行了比较和研究，针对农田WSN的静态特点，得出了当为节能而引入协作机制时，源节点和目的节点需要满足的距离条件，协作节点需要满足的位背条件及相应的最佳位

2、背，并对S的卞点位背和通倍服务质量产少的影响进行了分析。本文可为农m多跳WSN的节点布署提供理论支持，以延长整个农田WSN的丄作寿命。关键词：农田WSN;直接通倌；协作通倌；电池能耗中图分类号：TN925.1文献标识码：A0引言农田环境信息的获取是现代化农业生产中的关键部分，它直接反应农作物生长状态和农作物产品质量m。然而，传统的资源调查和环境监测技术存迕着诸多局限，达不到及时、准确、全而的要求。随着无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）技术的发展，将WSN应用于农田环境信息监测领域已成为

3、目前研究的热点［2“4］。WSN的节点能暈通常巾能源不可再生的电池提供，W此电池能fi的高效利用就成为了决定WSN生命周期的关键因素［15］。在提高WSN电池能呈利用效率方而，协作通信技水作为一种有效手段被广泛研究然而，由于协作节点额外的接收和发射电路能量消耗，并非所侖情况下WSN结合协作通信技水，系统电池能呈利用效率都会得到提高［26］。因此，要想利用协作通信提高电池能量利川效率，协作通信的吋机选择和协作节点的位置选择，就成了必须考虑的问题。ZhangWenshu等建立丫WSN两个节点问直接通信和两跳协作通信的肀均电

4、池能景消基金项目:国家863计划（2013AA122003）:山东省现代蔬菜产业技术体系创新凼队建设专项资金（魯农科技字［2013］29号）作者简介：王风杰（1989—），男，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化歧符。Email：erbovvang54@gmail.com※通信作者：张承明（1971—），男，溥士，副教授，研究方向为数据处理。Email：chming@sdau.edu.cn耗模型，丼对立接通信和两跳协作通信两种信息传输方式的电池能耗进行了研究和比较，得出当两跳协作通信的电池能耗低于直接通信时协作节点

5、需要满足的位置条件07-281O然而，W.Zhang等的研究都是以动态WSN为研究对象，一些结论和成果无法直接应川丁•像农IIIWSN这样的静态WSN场合。为此，本文利川协作通信能景消耗模型,对农田多跳WSN中的直接通信和两跳协作通信两种信息传输方式的电池能耗进行比较和研究，得出了可利川协作通信节能的最、距离、节能协作通信区域和最节能协作点，并分析了目的节点位置和通信服务质鲎产生的影响，为在农III中合理介署WSN节点提供理论支持。1系统模型阁1两跳协作通信模型Fig.1Two-hoprelaymodel为简化系统分析

6、，本文中系统模型选用两跳协作通信模型，如图1所示，这一模型得到的结论可直接应川于农IHWSN多跳模型。在图1中，S是数据源节点，F是数据目的节点，R是数据协作节点。该模型有两条通信链路供信息传输选择：：f［接通信链路S->F和两跳协作通信链路S->R->F01.1电池能耗模型假设S—F距离为d,S->R距离为dPR->F距离为d2。当使用直接通信链路S->F传输信息时，系统能耗么、与F接收信号能量么之闽的关系为：假设直接通信链路的平均BER为尺。当两跳协作通信链路与直接通信链路通信服务质M相同，即两跳协作通倍链路的平均

7、BER也为€吋，链路S->R及R->F的最优平均BERf、巧分别为：—⑷^dir~tz_2^F,dira2人'v)r(i)根据(3)(4)(5)式，当两跳协作通信链路与直接通信链路通信服务质虽相同吋，直接通信吋F接收能景‘协作通信吋K及F接收能暈厶、么，〜、，分别为：其屮，仍足电池效率，,pO(r)=p(r)/£r/，

8、p(z)

9、Jr,汉是功率放大器的功率损耗因素，7足DC/DC转挽模块的转换效率，r是电池电fR,仏和&分别是发射电路和接收电路的能M损耗，7；是脉冲周期，7；是脉冲高电平时叫，/C是信道哀减常数，在农田

10、环境中通常取尤22。当使用两跳协作通信链路S—R->F传输倍息吋，系统能粍之~与R及F接收倌号能量么、么之间的关系为：1+K2两种信息传输方式能耗比较’relay=c2⑹卜☆咖#)+Cj^+^X)+3Co(2)1.2通信服务质量通倌服务质M采用平均比特误码率(BitErrorRate,BER)作为衡S标准，平均BER在髙信噪比的情