无线传感器网络差错控制技术的能效分析.doc

2008 年 11 月Journal on CommunicationsNovember 2008 第 29 卷第 11 期通 信 学 报Vol 29 No 11 无线传感器网络差错控制技术的能效分析 田真 袁东风 梁泉泉 山东大学 信息科学与工程学院 山东 济南 250100 摘 要 对自动请求重传 ARQ 技术和前向纠错 FEC 技术的能效进行了分析 提出在无线传感器网络中使用 Chase 合并混合自动请求重传 HARQ 方案实现自适应差错控制 以满足无线传感器网络的不同链路对差错控制 方案的差异性要求 仿真结果表明 Chase 合并 HARQ 为整体最优的差错控制方案 关键词 无线传感器网络 能效分析 自动请求重传 前向纠错 Chase 合并混合自动请求重传 中图分类号 TN92 TD393 文献标识码 A 文章编号 1000 436X 2008 11 0077 07 Comparison of error control schemes in wireless sensor networks TIAN Zhen YUAN Dong feng LIANG Quan quan School of Information Science and Engineering Shandong University Jinan 250100 China Abstract Energy efficiency analyses of automatic repeat request ARQ and forward error correction FEC techniques were presented Chase combining hybrid ARQ HARQ was proposed to achieve adaptive error control in wireless sensor networks Moreover Chase combining HARQ was compared with ARQ and FEC in terms of energy efficiency based on different communication distances and packet lengths The simulation result shows that Chase combining HARQ is the optimal scheme on the whole Key words wireless sensor networks energy efficiency analyses ARQ FEC Chase combining hybrid ARQ 1 引言 随着微机电技术 无线通信技术和数字电子 技术的进步和相互融合 出现了具有感知 信号 处理和通信能力的传感器节点 1 2 这些节点通过 自组织的方式形成一个检测网络 把过去单一的 传感器探测技术扩展为智能的无线传感器网络 能量受限是无线传感器网络的核心问题 这 使得传感器节点不仅要有低功率的能耗 而且要 有高能效的通信协议 而传感器节点低功耗的限 制 使本已深受无线信道影响的传输可靠性更加 脆弱 因此 对无线传感器网络中的差错控制技 术进行研究非常必要 尽管在无线网络 特别是 蜂窝网络中 对差错控制技术已经有了非常深入 的研究 但是相关的研究结论不能直接用于无线 传感器网络 3 本文基于能效的标准 探求在无线 传感器网络中最优的差错控制方案 根据传感器 节点能耗的限制和低复杂度的要求 无线传感器 网络需要实现简单 复杂度低的差错控制方案 而自动请求重传 ARQ 前向纠错 FEC 和混合自 动请求重传 HARQ 是最基本的差错控制技术 文献 4 最先给出了能效定义 这个定义精确 描述了无线传感器网络数据链路层能耗的特点 成为无线传感器网络差错控制技术的衡量准则 5 7 收稿日期 2008 06 21 修回日期 2008 10 20 基金项目 国家自然科学基金资助项目 60672036 山东省自然科学基金重点项目 Z2006G04 Foundation Items The National Natural Scientific Foundation of China 60672036 The Key Project of Natural Science Foundation of Shandong Province Z2006G04 78 通 信 学 报第 29 卷 文献 4 还研究了 ARQ 协议的能效 并指出 ARQ 的重传策略不能提高其能效 但是 这个结论是 不精确的 在本文中 证明了在概率意义上 ARQ 技术的能效与重传策略无关 ARQ 的重传机制不 会改变系统能效 文献 8 和文献 4 对无线传感器网络中 FEC 技 术进行了研究 文献指出 BCH 码的能效高于其 他信道编码 因此 在本文的研究中 使用 BCH 码作为信道编码的方案 分析 FEC 技术的能效特 征和其在无线传感器网络中的应用 无线传感器网络节点的随机分布特性使得节 点之间的通信距离并不固定 因此需要一种变速 率 自适应的差错控制方案 本文首次提出在无 线传感器网络中使用 Chase 合并 HARQ 技术 9 并通过仿真说明 Chase 合并 HARQ 技术的能效在 整体上优于 ARQ 和 FEC 方案 2 信道模型和能效的定义 2 1 信道模型 本文采用了对数距离路径损耗信道模型 10 在该模型中 距离发射端间距为 d 时 节点的接 收功率为 1 rt0 0 10lg d P dPP d d 其中 为路径损耗指数 在本文中 d0为3 近地参考距离 由此得到接收端的信噪比 dB 2 dBrn P dP 其中 Pn是噪声功率 3 2 2 能效的定义 无线传感器网络传输能效的定义同时考虑了 系统的能耗和通信的可靠性 由式 3 表示 4 er 3 effi PER total 1 E P E 其中 e是能耗吞吐量 它表示数据包中负载的 能耗 Eeffi占总能耗 Etotal的比值 是数 PER 1rP 据包被正确接收的概率 用它来度量通信可靠性 因此 能效 代表了相邻的通信节点之间有效传输 的能耗占系统总能耗的比例 3 差错控制方案能效的数学分析 本文的能效分析是基于使用 ATmega128L 处 理器 11 和 CC1000 射频模块 12 的 Mica2 型节点 13 3 1 ARQ 技术的能效分析 由于传感器网络节点发送的数据包数量少 发送密度小 因而在分析中选择使用等 停 ARQ 协议 首先 在不考虑重传的情况下 推导 ARQ 的 能效表达式 此时 ARQ 协议的能耗可以用式 4 表示 4 ARQARQARQ tranre EEE 其中 是发送数据节点的能耗 是接收数 X tran E X re E 据节点的能耗 它们可以分别表示为 ARQDATAACK trantranretrradio DATAtrreradio ACKtr EEEI VlTI VlT 5 ARQDATAACK reretranreradio DATAtrtrradio ACKtr EEEI VlTI VlT 6 其中 Vradio Itr Ire分别是 CC1000 射频模块的电 压 发射电流和接收电流 是 CC1000 trradio 1 TR 传输 1bit 信息所用的时间 在能耗的计算中 使 用了 DATA ACK 握手协议 Mica2 节点使用非相关 FSK 解调 其误码率 由式 7 给出 3 15 7 b 0 2 b 1 e 2 E N p bN 0radio EB NR 其中 是接收端的信噪比 BN是噪声带宽 Rradio是 CC1000 的数据发射速率 利用误码率 pb 可以得到 ARQ 协议的误包率 PARQ 8 DATAACK ARQb 11 ll Pp 如图 1 所示 是数据帧的包长 DATApayload ll lpayload负载的长度 是包头 MHR 和包校验位 FCS 的长度之和 lACK是 ACK 的包长 ARQ 协 议的能效可以由式 9 表示 ARQ ARQeffi 0ARQ ARQ 1 E P E trreradio payloadtr ARQ trreradioDATAACKtr 1 IIVlT P IIVllT 第 11 期田真等 无线传感器网络差错控制技术的能效分析 79 9 payload ARQ DATAACK 1 l P ll 其中 是数据包中负载部分的能耗 X effi E 图 1 802 15 4 标准的数据包 MAC 帧结构 14 对 ARQ 技术来说 可靠性是通过重传机制来 保障的 如果接收端发现收到的数据包有误 则 会要求发送端重传 直到数据包被正确接收或者 达到最大重传次数为止 16 下面 推导已知最大重传次数是 N 时 ARQ 协议的能效 此时 ARQ 协议的总能耗为 10 ARQARQ2 ARQARQARQ 1 N N EEPPP 数据包的正确接收概率可由式 11 表 ARQ N r 示 ARQ ARQARQARQARQARQ 111 N N rPPPPP 11 由此 可以得到 ARQ 最大重传次数为 N 时的 能效 ARQ ARARQeffi ARQ Q NN N E r E ARQARQARQARQARQ ARQ effi ARQ2 ARQARQARQ 111 1 N N PPPPP E EPPP 12 ARQ effi ARQ ARQ 1 E P E 通过比较式 9 和式 12 两式的结果完全相等 13 ARQARQ 0N 因此 可以得到以下结论 从概率意义上看 ARQ 协议的能效与重传策略无关 无论是否采 取重传策略 以及采用重传策略时最大重传次数 如何选取 对 ARQ 的能效都没有影响 ARQ 协 议的能效仅仅与包长和通信距离有关 3 2 FEC 技术的能效分析 采用 FEC 技术时 传感器节点的总能耗为 14 FECFECFEC tranredec EEEE 其中 Edec表示译码能耗 由于 BCH 码的编码能 耗与译码能耗相比非常小 因此 在能耗计算中 忽略了编码能耗 4 对于 BCH 码 译码能 n k t 耗 Edec可用式 15 进行计算 3 15 2 decprocproccycle 322 8 m EIVnttt 其中 Vproc Iproc和 tcycle分别是 ATmega128L 处理 器的电压 电流和时钟周期 式 15 中 15 因此 FEC 技术的能效可以由式 lb1mn 16 表示 FEC effi FEC FEC 1 E P E 16 trreradiotr FEC trreradiotrdec 1 IIVkT P IIVnTE 其中 FEC 协议的误包率 FECbb 0 11 t ni i i n Ppp i 式 16 是一个有界函数 当固定01 包长和通信距离的时候 式中只有一个变量 纠 错位数 t 且 t 只取正整数 一个有界的且自变量 有限取值的离散函数必存在最大值 因此 在一 定包长 一定通信距离的情况下 FEC 存在一个 最大的能效值 此时的纠错方案即为最优的 FEC 方案 3 3 Chase 合并 HARQ 技术 通过上述对 ARQ 和 FEC 能效的推导和分析 得到 2 个重要的结论 一是在无线传感器网络中 重传机制在概率意义上不会改变系统的能效 二 是在一定包长和通信距离的时候 FEC 技术理论 上可以获取最优的纠错编码方案 但是 在实际 的无线传感器网络系统中 单独的使用 ARQ 或者 FEC 技术具有许多的局限和不足 首先 对于 ARQ 技术 它通过数据包重传机 制实现数据的可靠传输 但在无线传感器网络中 传感器节点通信模块发射功率低 容易受到无线 信道环境的影响 当信道环境较差的时候 可能 多次重传仍然无法接收到正确的数据包 在 ARQ 的重传机制中 对于检测出错的数据包采取了简 单丢弃的方式 但是 被丢弃的数据包中仍含有 大量有用的信息 这造成了信息量的损失 此外 相对其他差错控制技术来说 采用 ARQ 技术的无 线传感器网络可靠传输距离短 使得传感器节点 的通信覆盖范围受到一定的限制 其次 对于 FEC 技术 无线传感器网络节点 80 通 信 学 报第 29 卷 的随机分布特性使得节点之间的通信距离并不固 定 基于不同的链路信道状况 不同的通信距离 上存在着不同的最优 FEC 方案 现实中很难为每 一跳的链路都取得最优的纠错方案 迫切的需要 一种自适应的差错控制机制来实现能效最优化 因此 针对上述 2 种技术的局限性 提出在 无线传感器网络中使用 Chase 合并 HARQ 技术 3 3 1 Chase 合并 HARQ 技术分析 Chase 合并 HARQ 技术通过信道编码和数据 包重传机制共同维护链路的可靠性 在该方案中 当接收端检测到接收数据包有误 首先会利用信 道编码进行纠错 如果数据包的错误超过了信道 编码的纠错能力 则会要求发送端重传该数据包 Chase 合并 HARQ 技术每次重传的是同一编码数 据包 接收端对所有重传数据包进行最大似然译 码 将发送数据包的等效编码速率由初始状态的 R 降低为 R L L 为重传次数 从而有效地提高了 该编码数据包的译码性能 实现了自适应码率的 编码方案 Chase 合并 HARQ 的重传策略不仅利 用了所有重传数据包的信息 而且通过最大似然 译码对每个重传数据包的可信度进行评估 在合 并时作为该包的权重 克服了由于某些数据包的严 重衰落对整体译码性能的影响 因此 该技术可以 对抗严重的信道衰落 17 随着重传次数的增加 参 加合并的数据包逐渐增多 合并后的译码性能也 会不断提高 在实际应用中 Chase 合并译码可以 简化为基于各重传数据包接收信噪比的加权合并 最大比合并译码可以提供接近于最大似然译码的 性能 17 相比 ARQ FEC 和递增冗余 HARQ 方案 在 无线传感器网络中应用 Chase 合并 HARQ 技术具 有以下几点优势 1 Chase 合并 HARQ 技术同时利用了数据包 重传机制和信道编码技术 结合了 ARQ 和 FEC 的技术优势 实现了无线传感器网络的高可靠性 通信 提供了一种满足无线传感器网络自适应编 码速率要求的差错控制机制 2 Chase 合并 HARQ 技术的重传合并策略利 用了历次接收到的重传数据包信息 信息使用效 率高 并通过最大似然译码实现了最优的合并译 码 3 Chase 合并 HARQ 技术重传使用同一编码 数据包 与递增冗余的 HARQ 技术相比 发射 端和接收端设计复杂度较低 系统运算量少 适 合传感器节点低复杂度的要求 此外 Chase 合 并 HARQ 技术可以使用任意信道编码 而递增 第 11 期田真等 无线传感器网络差错控制技术的能效分析 81 冗余的 HARQ 方案由于需要使用删除矩阵 选 择纠错码受到限制 无法使用 BCH 码等高能效 的信道编码方案 3 3 2 Chase 合并 HARQ 技术的能效分析 首先推导在不考虑重传的情况下 Chase 合并 HARQ 方案的总能耗 HARQ 0 E HARQHARQHARQ 0tranredec EEEE 17 trreradioACKtrdec IIVnlTE 令 Chase 合并 HARQ 方案第 k 次重传时的能 耗为 可以用式 18 表示 HARQ k E1k HARQ k E HARQHARQHARQMRC tranredeckk EEEEE MRC trreradioACKtrdeck IIVnlTEE 18 1k 其中 为第 k 次重传后进行最大比合并的能 MRC k E 耗 有 MRC procprocACKaddmult 1 k EIVnlkTkT 19 1k Tadd Tmult分别是 ATmega128L 处理器计算一 次加 乘的时间 addcycle 1 8 Tt multcycle 1 4 Tt 假设 Chase 合并 HARQ 方案最大重传次数为 N 此时 N 次重传的总能耗可以写为 1 HARQHARQHARQHARQHARQHARQ total 010 0 N NNk k EEEPEP 20 其中 是数据包第一次传输的误包率 HARQ 0 P 是 Chase 合并 HARQ 方案第 k 次重 HARQ k P1k 传的误包率 此时 数据包的正确接收概率为 HARQ N r 21 HARQHARQHARQHARQ 010 1 HARQHARQ 0 11 1 N N Nk k rPPP PP 因此 Chase 合并 HARQ 的能效可以由式 22 表示 22 HARQ HARQHARQeffi HARQ total NN N E r E 1 HARQHARQHARQHARQHARQ 010 HARQ0 effi 1 HARQHARQHARQHARQHARQ 010 0 111 N Nk k N Nk k PPPPP E EEPEP 其中 HARQ effitrreradiotr EIIVkT 在第 4 节中 将 Chase 合并 HARQ 技术的能 效与 ARQ 和 FEC 方案的能效进行了比较 4 仿真分析 本文在不同的数据包 长度和节点通信距离的情 况下 对ARQ FEC 和 Chase 合并HARQ 的能效 进行仿真 验证了前文证明的结论 同时对不同差 错控制方案的能效进行了比较 仿真参数是基于 Crossbow 公司的Mica 2 系列无线传感器网络平台 3 11 14 18 如表1 所示 表 1仿真参数设置 符号名称数值 0 P d 参考点的功率损耗55dB t P 发射功率0dBm n P 噪声功率 105dBm MHR 和 FCS 长度之和 11byte ACK l ACK 包长 7 byte 符号名称数值 radio V CC1000 电压 3V proc V ATmega128L 处理器电压 5V proc I ATmega128L 处理器电流 8mA cycle t 处理器的运算周期 250ns tr I CC1000 发射端电流 8 5mA re I CC1000 接收端电流 7mA N B 噪声带宽 30kHz radio R 发射数据速率 38 4kbaud 图 2 a 图 2 d 给出了在不同包长情况下 ARQ 最大重传次数分别是 0 1 2 3 时的能效 图中代表不同最大重传次数的曲线在任意的通信 距离上都重合在一起 因此可以得到结论 ARQ 技术的能效不随着最大重传次数的增减而变化 它的能效与重传策略无关 仿真结果与理论分析 相符合 图 3 比较了 ARQ 技术选择不同包长时的能 效 如图所示 当节点间通信距离较近时 包长 82 通 信 学 报第 29 卷 越长 能效越大 这是因为较近的通信距离使得 信道条件比较好 传输误包率非常小 数据包正 确接收的概率接近于 1 此时能效的大小主要由 能耗吞吐量 e决定 对于数据包长度大的数据帧 负载所占的比重较大 传输负载的能耗在总能耗 中所占的比例较高 有较大的能耗吞吐量 e 因 而能效相对比较大 a ARQ 包长为 255byte 时的能效 b ARQ 包长为 511byte 时的能效 c ARQ 包长为 1023byte 时的能效 d ARQ 包长为 2047byte 时的能效 图 2 ARQ 选择不同最大重传次数时的能效 图 3 ARQ 选择不同包长时能效的比较 随着通信距离的增大 特别是当节点间距离 超过 40m 时 ARQ 技术的能效迅速下降到零 这 是由于当通信距离远时 接收端比特错误概率增 大 使得数据包正确接收概率 r 迅速的减小 观察 此时的仿真曲线 发现包长越长的 ARQ 方案能效 越小 由式 8 可以分析得到 误包率 PARQ随着 包长的增加呈指数级增大 包长越长的方案 PARQ增大越快 能效减小也就越快 因此 当节 点间通信距离远时 包长越长 能效越小 通信 的可靠传输距离也越短 第 11 期田真等 无线传感器网络差错控制技术的能效分析 83 a 包长为 511byte 时的能效 b 包长为 1023byte 时的能效 图 4 各种差错控制方案的能效比较 图 4 a 图 4 b 在不同包长的情况下 对 ARQ FEC 和 Chase 合并 HARQ 技术的能效进行 了比较 在仿真中 ARQ 和 Chase 合并 HARQ 的 最大重传次数设置为 3 FEC 选择了纠错比特数为 2 和 5 的 BCH 码编码方案 Chase 合并 HARQ 选 择了纠错比特数为 1 的 BCH 码编码方案 如图 4 所示 当节点间通信距离较近的时候 每种方案的能效都接近一条直线 几乎不随着通 信距离的增加而变化 这是因为较近的通信距离 使得链路的可靠性非常高 数据传输的误包率趋 近于零 根据式 12 式 16 和式 22 对于特定 的差错控制方案来说 在不同的通信距离上 能 效的改变仅与误包率的变化相关 而此时误包率 没有变化 所以能效曲线接近一条直线 当节点之间的通信距离小于 35m 时 ARQ 为 最优的差错控制方案 因为此时信道条件比较好 数据传输的差错概率非常小 显现不出 FEC 和 Chase 合并 HARQ 中使用了纠错编码的优势 由 于编码方案 BCH 码的译码能耗超过了 ARQ 进行 ACK 重传的能耗 因此 ARQ 能效最高 此时 Chase 合并 HARQ 方案的能效略小于 ARQ 方案 随着通信距离的增加 各种差错控制方案的 能效逐步地降低 从图 4 可以看出 当节点的通 信距离在 40m 附近时 3 种差错控制方案的能效 都急剧下降 其中 ARQ 和 FEC 方案的能效随着 通信距离的增加快速下降到零 从式 1 式 2 和式 7 可以看出 通信距离的增长导致信噪比下降 接收端 BER 迅速增加 FEC 因为有纠错码保护 下降速度稍慢 但是当BER 增大到使用纠错码也 不足以保障数据包的可靠传输时 FEC 的能效也迅 速下降到零 而对于 Chase 合并 HARQ 方案 其拥有信道 编码和重传数据包分集合并技术提供的多重冗余 保护 虽然随着通信距离的增长 能效虽也有所 下降 但在通信距离较远时仍然保持了比较好的 性能 通过在不同包长 不同通信距离上对 3 种差 错控制方案进行比较 可以看到 Chase 合并 HARQ 方案性能相对稳定 在所有的通信距离上 都具有比较好的性能 因此 Chase 合并 HARQ 为整体最优的差错控制方案 5 结束语 本文从能效的角度 全面分析了无线传感器 网络的差错控制技术 文章首先证明了 ARQ 技术 的能效与重传策略无关 其次对 FEC 技术的能效 进行了分析 并针对无线传感器网络需要自适应 差错控制方案的特点 提出了在无线传感器网络 中使用 Chase 合并 HARQ 技术 该技术提供了一 种满足无线传感器网络自适应编码要求的差错控 制机制 本文最后通过仿真比较了上述 3 种方案 并指出 Chase 合并 HARQ 为整体最优的差错控制 方案 参考文献 1 AKYILDIZ I F SU W SANKARASUBRAMANIAM Y et al A survey on sensor networks J IEEE Communications Magazine 2002 40 8 102 114 2 任丰原 黄海宁 林闯 无线传感器网络 J 软件学报 2003 14 7 1282 1291 REN F Y HUANG H N LIN C Wireless sensor networks J Journal of Software 2003 14 7 1282 1291 3 VURAN M C AKYILDIZ I F Cross layer analysis of error 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