基于电池能耗的农田多跳WSN协作通信问题研究

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1、农田无线传感器网络节能协作节点分布研究*摘要：为了降低农田多跳无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)的电池能耗，延长其使用寿命，该文利用协作通信能量消耗模型，对农田多跳WSN中宵•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，利用Matlab软件绘制出当两跳协作通信的电池能耗低于肖•接通信时，协作节点需耍满足的位置条件及最优位置，并对一些影响因素进行了分析。该文可为农m多跳WSN的节点布署提供理论支持，以降低整个WSN的能耗。关键词：农田多跳WSN,直接通信，两跳协作通信，电池能耗中图分类号：T

2、N925.1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⑴。然而，传统的资源调查和环境监测技术存在着诸多局限，达不到及吋、准确、全面的要求。随着无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)技术的发展，将wsn应用于农m环境信息监测领域已成为目前研究的热点［2叨。WSN的节点能量通常由能源不可再生的电池提供，因此电池能量的高效利用就成为了决定WSN生命周期的关键因素［⑼。在提高WSN电池能量利用效率方面，协作通信技术作为一种有效手段被广泛研究［11'17］

3、0然而，由于协作节点额外的接收和发射电路能量消耗，并非所有情况下WSN结合协作通信技术，系统电池能量利用效率都会得到提高因此，要想利用协作通信提高电池能量利用效率，协作通信的时机选择和协作节点的位置选择，就成了必须考虑的问题。W.Zhang等建立了WSN两个节点间直接通信和两跳协作通信的平均电池能量消耗模型，并对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需要满足的位置条件［，9-201o然而，W.Zhang等的研究都是以动态WSN为研究对彖，一些结论和成果无法直接应用

4、于像农出WSN这样的静态WSN场拿项目基金:合。为此，本文利用协作通信能量消耗模型,对农田多跳WSN川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。1系统模型图1两跳协作通信模型Fig」Two-hoprelaymodel系统模型选用两跳协作通信模型，如图1所示。英中，S是数据源节点，F是数据目的节点，R是数据协作节点。在该模型中,有两条通信链路：直接通信链路S-F和两跳协作通信链路StRtF。1.1两种信息传输方式的电池能耗假设S―F距离为d,S―R距离为d1,R->F距离为d?。当使用直接通信链路S->F传输信息时，

5、系统能耗生"与F接收信号能量之间的关系为：上_必运鸭,(1+0)：丿2K弘-%血a~n2-GM+cgM+q(1)其中，Q是电池效率，乙=『（pO⑴）po（f）=讥，©是功率放大器的功率损耗因素，〃是DC/DC转换模块的转换效率，/是电池电压，匕和伫分别是发射电路和接收电路的能量损耗，7；是脉冲周期，7；是脉冲高电平时间，K是信道衰减常数，在农田环境屮通常収K»2。当使用两跳协作通信链路S->R->F传输信息时，系统能耗匕如与R及F接收信号能量舅、鼻吨•之间的关系为：—伽+6（杂£+徐丽苗）+3口（2）1.2通信服务质量通信服务质量采用平均比

6、特谋码率（BitErrorRate,BER）作为衡量标准，平均BER在高信噪比的情形下可表示为：(3)其中，乙是接收的平均比特能量，N。是加性高斯白噪声的单边功率谱密度。假设直接通信链路的平均BER为£。当两跳协作通信链路与直接通信链路通信服务质量相同，即两跳协作通信链路的平均BER也为£时，链路S—R及R—F的最优平均BER£、人分别为：砂一P.（4）乜丿KP严E严（5）1+徉丫根据（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量相同吋，直接通信吋F接收能量g“,协作通信时R及F接收能量厲、徐心,分别为:(7)(8)2

7、两种信息传输方式能耗比较对比（1）（2）式可以看出，由于协作通信需要两跳，月.F需要两次接收信息，因此相比于（1）式，（2）屮的节点自身能量消耗增大了两倍，变为3C。。但相对于（1）中能量消耗由d决定，（2）此时变为由山、d2共同决定，因此，当山、心在一定范围内収值时，在通信服务质量相同的前提下，系统的总能耗有机会满足：©•畑<鼻。根据（1）（2）式，两跳协作通信链路与直接通信链路的电池能耗差异为△g_^relay-^dir虫2匕抻+徐丽d学-爲严）+GM+—船-）+2C。（9）将（6）、（7）、（8）式代入（9）式，得（10）式屮各个参数

8、収值如表1所示。表1参数取值Tabic1Parameterselection参数取值参数取值参数取值0)0.05a0.33Per52.5mWK340dBN(/2・171dBm/H