平均干扰下的无线传感器网络高效能传输研究

传输功率的调整是当前无线传感器网络进行低功耗优化设计的主要手段之一，但较低的传输功率却又很难保证连通性(因外围节点干扰引入的随机性)，较大的传输功率不仅增加能耗而且会对邻近通信节点带来干扰，如果简单地在网络中进行传输功率调整，极易造成相邻通信子网传输功率的相互攀升，从而极大地降低了传输效能。该文从干扰模型分析出发，给出了基于平均干扰下的最优传输功率计算方法，考虑到网络环境的时变性，将该优化传输功率与自适应速率控制机制结合以提高传输效能。仿真结果表明，相比于MCP协议和Basic协议，基于平均干扰下的优化传输功率机制在单比特能耗及平均吞吐率上能够得到更好的性能折中。关  键  词  高效能传输;  干扰;  优化传输功率;  无线传感器网络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无线传感器网络(Wireless  Sensor  Network，WSN)系统的主要特点是较低的平均工作速率和较短的通信距离。由于无线传感网的分布随机性及节点的大数量，使得对节点的电源(通常是电池)进行更换几乎是不可能的。因此，限制无线传感器网络应用的主要问题实际上是电池供电时间较短，无线传感器网络研究的核心问题之一就是降低功耗[2]。降低功耗最直接的方法是降低节点发射功率[3-6]，但是由于信道及网络活跃节点的时变性(通常认为服从泊松分布)，较低的传输功率很难保证连通性，而较大的传输功率不仅增加能耗而且会对邻近子网带来干扰[7]，文献[4]给出了基于busy  tone的双信道传输机制来解决上述问题，但是这对于功耗受限的WSN节点要配备两套收发机是不现实的。文献[5]采用周期性提高发射功率的方法，虽能降低能耗，但对于吞吐量没有提升。文献[6,  8]分别对Ad  hoc网络和WLAN中的功率控制技术进行了分析，由于无线传感器网络自身的特点，它们的方法并不能直接应用于WSN。文献[9]分析了干扰对网络连通性的影响，但未给出干扰下的最优功率。文献[10]对干扰监测进行了分析，但其主要是针对单个干扰。既然可能存在的干扰是影响低功率传输下网络连通性的主要因素，因此本文首先从干扰模型分析出发，基于连通性指标，推导出了平均干扰下的优化传输功率。