平均干擾下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效能傳輸研究

傳輸功率的調(diào)整是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計的主要手段之一，但較低的傳輸功率卻又很難保證連通性(因外圍節(jié)點(diǎn)干擾引入的隨機(jī)性)，較大的傳輸功率不僅增加能耗而且會對鄰近通信節(jié)點(diǎn)帶來干擾，如果簡單地在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸功率調(diào)整，極易造成相鄰?fù)ㄐ抛泳W(wǎng)傳輸功率的相互攀升，從而極大地降低了傳輸效能。該文從干擾模型分析出發(fā)，給出了基于平均干擾下的最優(yōu)傳輸功率計算方法，考慮到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時變性，將該優(yōu)化傳輸功率與自適應(yīng)速率控制機(jī)制結(jié)合以提高傳輸效能。仿真結(jié)果表明，相比于MCP協(xié)議和Basic協(xié)議，基于平均干擾下的優(yōu)化傳輸功率機(jī)制在單比特能耗及平均吞吐率上能夠得到更好的性能折中。
關(guān) 鍵 詞 高效能傳輸; 干擾; 優(yōu)化傳輸功率; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

Low-power design is one of the most important issues in Wireless Sensor Networks (WSNs), where nodes are likely to be largely scattered with constrained battery energy .Transmitting power control is a simple method to make the power consumption down, while network connectivity and excessive interferences should be considered . In this paper ,an optimal Transmitting power is derived by considering average interferences and network connectivity. To make the network energy efficient, we present a novel protocol via Adaptive Rate Control with Optimal Power (ARCOP). Compared with MCP(Maximum Common Power ,e.g. 802.11DCF with fixed maximum power) and Basic protocol, Simulation results show that the new protocol can achieve high average throughput while minimizing Energy Consumption Per Useful Bit (ECPUB).
Key words energy efficient transmission; interference; optimal transmit power; wireless sensor network

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是較低的平均工作速率和較短的通信距離。由于無線傳感網(wǎng)的分布隨機(jī)性及節(jié)點(diǎn)的大數(shù)量，使得對節(jié)點(diǎn)的電源(通常是電池)進(jìn)行更換幾乎是不可能的。因此，限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要問題實(shí)際上是電池供電時間較短，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一就是降低功耗[2]。
降低功耗最直接的方法是降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射功
率[3-6]，但是由于信道及網(wǎng)絡(luò)活躍節(jié)點(diǎn)的時變性(通常認(rèn)為服從泊松分布)，較低的傳輸功率很難保證連通性，而較大的傳輸功率不僅增加能耗而且會對鄰近子網(wǎng)帶來干擾[7]，文獻(xiàn)[4]給出了基于busy tone的雙信道傳輸機(jī)制來解決上述問題，但是這對于功耗受限的WSN節(jié)點(diǎn)要配備兩套收發(fā)機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。文獻(xiàn)[5]采用周期性提高發(fā)射功率的方法，雖能降低能耗，但對于吞吐量沒有提升。文獻(xiàn)[6, 8]分別對Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和WLAN中的功率控制技術(shù)進(jìn)行了分析，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，它們的方法并不能直接應(yīng)用于WSN。文獻(xiàn)[9]分析了干擾對網(wǎng)絡(luò)連通性的影響，但未給出干擾下的最優(yōu)功率。文獻(xiàn)[10]對干擾監(jiān)測進(jìn)行了分析，但其主要是針對單個干擾。既然可能存在的干擾是影響低功率傳輸下網(wǎng)絡(luò)連通性的主要因素，因此本文首先從干擾模型分析出發(fā)，基于連通性指標(biāo)，推導(dǎo)出了平均干擾下的優(yōu)化傳輸功率。