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。