ADAPTIVE SENSING SCHEDULE MECHANISM CONSIDERING

NEIGHBOR NODE IN WIRELESS SENSOR NETWORK

无线传感器网络中涉及相邻节点的自适应传感机制

在无线传感器网络，有很多提高能源效率的设计。我们着眼于在传感模块中提高能源效率，然而当前大部分工作节能重点是在通信模块 . 当一个传感器网络在一个广大的区域不断运行，能源主要是在消耗传感模块。

我们考虑传感数据和调整传感周期的改变比率，以减少能源消耗，同时尽量减少区域改变和事件检测之间的平均时延。另外，相邻节点之间的协作才能从根本上降低能源消耗和时延 . 我们的动态传感算法降低了区域改变和事件检测之间的能源消耗和延迟时间变化 . 我们计划的控制传感周期基于变化的传感数据和相邻节点信息，如传感周期和协作节点的数目 . 相比静态传感方法，它改善能源效率高达 90 ％。相比前期工作并减少时延的 84 ％

Keywords:Wireless sensor;sensing;cooperation;schedule;power saving.

1.Introduction 传感器节点通过传感模块采集数据，通过处理模块处

理。最后，通过无线通信把数据发送到接收器节点 . 传感器节点具有自组织能力和自己采集数据。传感器网络研究中最流行的一个课题是通过降低节点的能源消耗来延长网络寿命。 MICA2 情况下，传感器节点在通信模块有 20mA ，在传感模块有 5mA 电流。因此，大多数研究者认为降低通信模块的能源消耗比降低传感模块的能源消耗更重要。

但是降低传感模块的能源消耗是延长网络寿命的一个重要因素。这是因为传感的数目比通信的多得多。例如，我们假设传感模块执行 5 个操作，而通信模块执行执行一个操作，能源消耗分别是 25mA 和 20mA 。

图 1 描述了室内环境状态，如湿度 humidity 、温度、 temperature 二氧化碳的浓度 CO2 density 。静态传感的低效率导致了整个传感器网络不必要的能源消耗。

很多研究尝试通过控制传感模块来提高能源效率 . 一些设计尝试控制传感范围。这些设计消除了已经传感到的相邻节点之间交迭的区域。这样可提高能源效率，却降低数据的稳定性和传感器网络的容错控制，且难以找到传感间隔。

文章建议一种新颖的动态传感周期决议设计，每个节点能基于它传送数据和来自相邻节点的信息的变化来控制他的传感周期。我们的设计能通过控制传感模块的传感的时间表来降低能源消耗。决定传感时间的最优数是困难的。故设计了一种一致同意机制，由传感节点相互帮助来决定传感的最优数。

2.Related Works

我们将描述提出的控制传感周期的方案。我们考虑到前期研究的缺点并改进它。由于传感器的计算是基于传感数据和相邻节点传感周期信息的改变来动态的控制传感周期的，传感器节点在处理模块消耗很少的功率。传感器节点具有较高的容错控制来控制传感周期，这是因为传感器节点使用的它自己和相邻节点的当地信息。最后传感器节点降低了区域变化以及检测之间的时延，因为相邻节点分散了它们的传感时间。

3.Adaptive Sensing Schedule 传感器网络由相当数目的传感器节点组成，它们密布在相

邻节点周围。但是区域中自然环境，如温度或空气密度几乎没有改变。因此传感器节点感应相同的环境。在 DCM（ Data Centric Modeling ）中，低效率是指许多节点感应相同数据。 DCM 中那些节点同时对自己的传感模块进行操作，传感时间间隔增加，最终在区域改变和检测之间产生很大的时延。 DCM 中我们指出是因为每个传感器节点同一时间感应自然环境导致了它的低效。故我们提议相邻节点相互协作，以决定它们的感应时间表以降低时延。数据和相邻节点中心环境传感器网络模型 Data And Neighbor Centric modeling of Environmental sensor network(DANCE) 。此方案中，若相邻节点具有相同的传感时间表，每个节点将会改变其传感时间。否则，节点将会执行传感任务。因为 DANCE 分散了传感时间的点和降低区域改变和事件检测间的时延，这就提高能源效率的同时也保证了感应环境的稳定性。

图 2 a 描述了在静态传感时间表传感时间点的分布。传感节点很有规则的运行，相邻节点 ABC 具有相同的传感周期，它们同时感应相同的环境而不管环境的情况。如果环境数据不是频繁的改变那么能源利用就会很低效。

B 描述了在没有与相邻节点交换时间表信息的动态传感设计下的传感时间点分布。若环境没有改变，节点将把传感周期加倍。因此他降低了能源的消耗，但是它在区域改变和事件检测间有较大的时延；如果节点没有检测到自然环境的改变，传感时间间隔会瞬间增加。这将导致即使事件发生了，但节点将不能感应，结果降低了稳定性。

C 通过在与相邻节点之间分散传感时间来克服这些缺点。相邻节点交换传感信息，如传感时间和传感周期，通过分散传感点，三个节点并不同时感应。通过避免过长的节点休眠时间，不用增加能源消耗就能降低区域改变和检测之间的时延。

算法是基于两个抽象的节点，主动节点“ active node”and被动节点“ passive node” 。主动节点发送请求包到相邻节点以请求调整传感时间。被动节点从主动节点接收请求，以决定是否同意请求。图 3显示传感节点中传感模块的流程图。

3.1.The action of active node

当一个节点停止休眠，节点感应事件以及用指数后退计划（ exponential back-off scheme ）决定它的休眠时间。休眠时间是基于环境改变的总数（ change of environment ）决定的：

如果两个连续记录值的差异超过允许方程 1所算出的改变程度，传感器节点将会降低一半的休眠时间，否则将会两次加倍它的休眠时间。但是长时间的休眠是低效的，因为这将增加区域改变和事件检测间的时延。所以我们建议通过和相邻节点的通信控制休眠时间以防止休眠时间的过快增加。方案中，节点检查是否发送请求到相邻节点以分散传感时间，如果其休眠时间长于允许的程度，它将发送调整休眠时间的请求到相邻节点。请求数据包将包含它的休眠时间和相邻节点的数目。

3.2.The action of passive node

在节点调整完它的休眠时间后，作为被动节点的传感器节点检查它是否需要调节它的传感时间表以激活相邻节点

3.2.1.Acceptance of request to adjusting sensing time （调整传感时间请求的接收）

一个接收请求数据包的被动节点评估它和主动节点之间的传感时间状态。

图 4 描述了接受来自主动节点的请求和被动节点传感时间表的调整。如果被动节点的传感时间接近主动节点的，节点接受请求并决定传感时间的合适状态以分散被动和主动节点间的传感时间。

BC 是 A 的相邻节点，平均协作节点数是 3和 4 个。因为 BC 的传感时间接近于 A 的，它们通过移位传感时间调整它们的传感时间表。在这个时候，这是很重要的决定标准判断，被动节点决定其传感的时间是否接近主动节点和适当的间隔，以调整其传感时间。因为，如果一个节点决定了它的新传感时间，而不考虑其他相邻节点，新的传感时间可能分散不均或重叠。

因此，当它调整传感的时间，我们使得被动节点在跳数为 2 之内考虑相邻节点的数目以得到适当的阶段。这就意味着如果一个节点有两个相邻节点（第一个有 7 个，第二个有两个），它将基于第二个相邻节点来调节他的传感时间。这是因为第一个相邻节点已经有了许多协作节点，它的区域已经密布感应了。协作节点的平均数目可以用方程 2 计算，决定传感时间阶段的合适间隔可以用方程 3 计算。图 5 是一个例子，节点 K 的平均协作节点数计算所得是 3.3 。就是说大约 3 个节点参与被动节点 K 的调节。该被动节点将主动节点的休眠时间分给被动节点的协作节点。

4.Evaluation 我们设计了两种类型的无线传感器网络，传感器节点感应河的自然状态。并将其性能与之前的设计和静态传感设计相比较。

表 1显示了无线传感器的组织。我们在 20m*20m 的栅格环境里设计了一个简单的拓扑。节点最大数目是 100 ，节点间距离相似仿真程序参数设置如表 2 。相邻节点的请求允许度 The "degree of request tolerance to neighbor for adjustment (sDTr) 是一个休眠时间，在这个时间之后由于一个节点的休眠时间过长而请求相邻节点的协作。仿真中，允许度是静态传感设计中静态传感周期的 32倍， Degree of change tolerance(sDTc)增加了 0 ％到 7 ％，这意味着如果 sDTc 很大，传感器的传感程度（ sensing degree ）是很少的

在之前的设定中，我们比较 DCM and DANCE的节约能源，误差率和平均间隔。误差率如方程 4 ，所有时间里传感模块中的能源消耗如方程 5. 相比具有静态传感周期 静态传感设计的功率消耗，能源节约（ energy saving ）是动态传感设计的传感模块的功耗比率 the rate of energy consumption

4.1.Error rate and energy saving of sensing the river

根据数据稳定性和能源效率测量能源的节约和节点误差率。此外据观察所得，查看分散相邻节点间的平均传感间隔作为性能指标。为评价，使用温度数据， pH值和具体的电导性质及其参数。数据来自一个地方，故我们根据下一条规则原始数据处理传自其他节点的数据。数据在预定义范围内自由改变，称为‘ Difference of data value per regular distance(DTd)’ ，如表 3示。单元距离数据值的变化称为 DTd 和单元规则时间称为 DTt 。

两种情况仿真：高 DTd 和低 DTd 。节点间相同的是高和低（ DTd ） , 当 DTd 是 0.1% ，最大 DTd 是 1%； DTd 是 4.5% ，最大 DTd-max 是 35%. 我们仿真了 DCM 和 DANCE 。相比采集数据（传感模块中）减少的能源消耗，调整传感时间（通讯模块中）的发送和接。接收消息的增加的能源消耗是很小的（ 4 ％之内）。如图 6a所示。因为相比总的数据采集，请求的消息和调整是很小的。因此，在传感模块中，通讯的能源消耗是可以忽略的。结果，温度， PH值和具体的电导率显示了能源消耗的不同。图 b 是 DANCE 和 DCM 相比静态设计节约的能源。图 C 是误差率。当温度和 PH值通过 DANCE 发送出去，其节点的能源消和 DCM 相同，但是它的误差率低于 DCM 。还有相邻节点间的传感时间是均匀分布的，区域改变和环境检测之间的时延较小。此外，随着节点数目变大， DANCE 的误差率更小。这是因为同意区域是由多个节点交错的方式感应的。但是， DCM 中，所有节点感应相同的数据，因为所有的节点有相同的传感时间计划。因此，在 dcm ，节约能源，误码率和传感时间平均间隔是不易受到的节点数目的影响。当具体电导率被感应到， DANCE 中的误码率比 DCM 更低。由于相比 DCM ， DANCE 的节点更多的感应现象的变化，因为相邻节点间分散感应。这就令传感间隔更低误码率也降低了。

图 7显示了当每个节点的相邻节点数目是 4 传感的数据相似的结果（ DTd0.1 ％）。 DANCE 和 DCM 有相似的能源节约。当 sDTc 大于 1 ％，能源节约指数般的增长了 80-90 ％。如图 7a所示。随 sDTc 变大 ,误差率更大了 . 高 sDTc 意味着该节点很少感应环境的变化。因此，由于节点忽略了环境的小变化而休眠时间加倍了。这将导致节点的休眠时间尖锐的增加。但是 DANCE 的误码率低于 DCM ，并且随着更高的 sDTC ， DCM 和 DANCE 间的误码率差距更大了。如图 7b所示。在 DANCE 中，相邻节点是分散感应的，这使得节点很容易也很紧密的感应事件。 DCM 和 DANCE 能源节约是相似的，因为传感器节点并没有太大的改变休眠时间量，只是在 DANCE 中改变了传感时间的阶段。因为被动节点的传感周期并未改变为两倍或一半，当被动节点调整她到主动节点时的传感时间，它只是移位了他的传感时间。尤其是当 sDTc 为 6 ％， DANCE 的误码率相比 DCM降低了 17 ％。 DCM 中，如果现象频繁的改变，节点的休眠时间长，节点将不能感应这些事件，且有很高的误码率。但是 DANCE 中，相比 DCM ，当一个传感器不能通过分散的传感时间 catch现象的改变时，相邻节点将更早的感应现象的改变。这代表传感现象的间隔。如图 7c所示。

当 DTd 高的时候（ 4.2 ％）如图 8a所示，位置之间的测量值的梯度是高的， DCM 和 DANCE 的能源节约是相似的，如图 8a所示，其原因跟图 6 一样。直到 sdtc 是约 4 ％， DANCE 的误码率比 DCM 高。如图 8b 因为相邻节点间传感的数据差异大， DTd 为 4.2 ％，没有从相邻节点得到足够的支持。在 DANCE 中，相比 DCM ，被动相邻节点传感的数据是当作主动节点的传感数据的。但此情况下，同一时间主被动节点之间的环境差异是巨大的。这些差异导致了 DANCE 的误码率大于 DCM 的情况，尽管传感现象的间隔很低。如图 8c 。这意味着 DANCE 的性能受相邻节点间传感数据的不同所影响。

因此，相邻节点间的传感数据差异更低， DANCE 更有利。但是，当 sDTc 高于 4 ％， DANCE的误码率低于 DCM 。原因是密布感应而引起相邻节点的帮助所带来的好处大于相邻节点间传感数据的差异所带来的损害。由于传感器节点很少感应， DCM 的误码率增加的很尖锐。显示随着sDTc 的增加，误码率的斜坡 DCM 的是大于 DANCE 的。这意味，如果突发事件频繁发生，或者用户不是很了解 sDTc 设置为了多少， DANCE比 DCM 更有利。

4.2.Event detection of sensing the river quantity

河流量的测量数据如图 9所示。参数如表 4.

评测中，我们的设计是相比前期的设计如 DCM 和静态传感设计的，静态传感周期有 10 ， 30 ， 60 分钟。图 10显示能源节约和事件检测中的稳定性。 DANCE 检测事件的发生与静态传感设计 ( 有十分钟的传感周期 ) 相似。而且，当允许改变程度为 0 ％时 degree of change tolerance ，他具有更高的能源节约 39 ％。另外，相比很紧密的静态传感，随着 sDTc增加，，DANCE 和 DCM 的能源节约高达84 ％。另一方面，静态传感的能源节约是不变的。结果， DANCE的事件检测总数总比 DCM 和静态传感设计（传感器节点有 30 或 60 个传感周期）高。

5.Conclusion

本文提出了新颖的设计，通过与相邻节点交换信息，最大限度地减少错误率，并提高能源效率。提议的 DANCE 降低了与相邻节点交迭的传感时间，以获得能源效率和数据稳定性。 DANCE ，相邻节点互相协作，通过相邻节点间交错传感时间，在没有增加传感时间的情况下，更紧密的感应环境。因此，相比 DCM ， DANCE 把能源效率提高到了 90 ％，误码率降低了 84 ％。通过第二阶段的评估，对于事件的检测和降低功率消耗， DANCE 有很好的效果。还有，他对于通信模块具有良好的效果，因为跟 DCM 一样，降低了数据包的大小。它延长了传感器网络的寿命和保证了传感网络的稳定性。