隨機功率控制在分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用*

朱 赟,徐友云,潘成康

(1.贛南師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州341000；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京210007；3.中國移動通信研究院,北京100053)

在無線網(wǎng)絡(luò)中采用功率控制技術(shù)可根據(jù)發(fā)送節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離及當(dāng)前的信道狀況，以適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率發(fā)送來減少不必要的能量消耗，而且可降低信號傳輸過程中的相互干擾[1]。參考文獻[2]提出了一種節(jié)點發(fā)射功率隨機分布在某個功率區(qū)間的無線自組織網(wǎng)功率控制方法，使得在獲得與固定功率控制相當(dāng)?shù)某晒鬏敻怕蕰r可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。參考文獻[3]分析了隨機功率控制方法對無線自組織網(wǎng)的性能影響，并驗證了該方法在高節(jié)點密度的網(wǎng)絡(luò)中可提高網(wǎng)絡(luò)的連接性并緩解節(jié)點碰撞問題。在分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密度較大，往往會有多個傳感器節(jié)點感知同一監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而引起同一簇內(nèi)中多個節(jié)點向簇頭節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換情況[4]。采用隨機功率控制可在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成功概率基本不變的情況下節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能量消耗[5]。本文分析了分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機功率控制的節(jié)點間傳輸成功概率，并提出在滿足網(wǎng)絡(luò)對成功傳輸概率需求的條件下來合理設(shè)置簇內(nèi)通信時節(jié)點的最大發(fā)射功率和最小發(fā)射功率。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

設(shè)定傳感器節(jié)點采用半雙工通信方式，且配置全向天線。將N個傳感器節(jié)點獨立且均勻分布于半徑為dc圓形監(jiān)測區(qū)域，并將簇頭節(jié)點j置于區(qū)域中心，則任意發(fā)送節(jié)點與區(qū)域中心的距離r服從下列分布fR(r)=2r/,0＜r≤dc。從概率分布的角度上考慮，在以較小距離dm為半徑的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩個或兩個以上的傳感器節(jié)點的概率較低。 根據(jù)非自由空間模型 Pr(d)=Pr(dγ)·(dγ/d)α，其中Pr(d)為接收功率，dγ為遠場距離，d為收發(fā)節(jié)點之間的距離，α為信道衰落參數(shù)[7]。在本文中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點與簇頭節(jié)點間的鏈路增益g用下式表示:

其中 c1、c2為信道衰落系數(shù)，dc為傳輸距離，d0為門限距離。

由式 (1)可得鏈路增益的概率密度函數(shù)為fG(g)=d0、dc對應(yīng)的鏈路增益。

在每次數(shù)據(jù)包交換期間收發(fā)節(jié)點間的鏈路增益是穩(wěn)定的，視為不變。若簇頭節(jié)點j能正確接收到本簇內(nèi)某節(jié)點i信號時，其信噪比γij須滿足:

其中pk表示節(jié)點k的發(fā)射功率，gkj表示節(jié)點 k到節(jié)點j的鏈路增益，vj表示節(jié)點j的熱噪聲,γ*表示正確接收時的信噪比門限[2]，當(dāng) vj遠遠小表示

2 成功通信概率

在隨機功率控制方式下，節(jié)點的發(fā)射功率在區(qū)間[pmin,pmax]上服從均勻分布，而每個節(jié)點選擇發(fā)射功率的過程是相互獨立的，因此節(jié)點發(fā)射功率的概率密度函數(shù)

由于節(jié)點位置分布相互獨立，且節(jié)點發(fā)射功率選擇也相互獨立，因此tk間是相互獨立的。當(dāng)N足夠大時，sj=tj/N-1的分布呈現(xiàn)出高斯分布的特性[4]，則其分布函數(shù)可表示為:

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)節(jié)點發(fā)射功率較高時,信道內(nèi)碰撞概率加大,加劇了重傳過程引起的能量消耗，反之降低節(jié)點的連接度，因此采用隨機功率控制時可通過式(6)合理設(shè)置最小發(fā)射功率和最大發(fā)射功率，使得其成功傳輸概率滿足網(wǎng)絡(luò)需求。

為方便與隨機功率控制比較，可將固定功率控制視為隨機功率控制情況下各節(jié)點的發(fā)射功率皆設(shè)定為某一固定值的特殊情況[4]，因此同理可定式(3)和式(4)中pmin=pmax，可固定功率控制 pmax時的均值和方差分布節(jié)點 i與中心節(jié)點j成功通信的概率為:

3 仿真結(jié)果與分析

采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件GloMoSim分析隨機功率控制和固定功率控制對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸成功概率的影響。傳感器節(jié)點均勻分布在以dc=200 m為半徑的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，目標節(jié)點置于中心。節(jié)點能耗為First Order改進模型[6]，參數(shù)dc和d0分別設(shè)為 0.1 m和 87.7 m，且節(jié)點的通信距離對應(yīng)的最大發(fā)送功率為-16.7 dBW。圖1為不同SNR門限下節(jié)點平均成功通信概率情況，其中固定功率采用的通信距離為200 m，隨機功率采用的最大通信距離Dmax為200 m，而其采用的最小通信距離Dmin分別為80 m和100 m。在不同SNR門限的要求下固定功率控制和隨機功率控制的傳輸成功概率都隨著節(jié)點密度的提高而相應(yīng)降低。當(dāng)節(jié)點的SNR要求越低時，隨機功率控制與固定功率控制性能間的差異相對較大，但隨著SNR門限的增大,兩種功率控制算法在平均成功通信概率上的差異將逐漸縮小。

為了分析兩種功率控制策略在傳輸成功概率上的差異 ，使用相對差值E[(Γij′-Γij)/Γij′]描述方法來比較隨機功率控制策略與固定功率控制策略的網(wǎng)絡(luò)性能。圖2(a)給出了在SNR門限為-30 dB時采用最小通信距離Dmin分別為80 m和100 m時隨機功率策略和固定功率控制策略的節(jié)點平均能耗曲線，其中采用的最大通信距離為200 m，仿真時間為1 h。由該圖可知，上述三種情況隨著節(jié)點數(shù)量的增加導(dǎo)致節(jié)點間報文碰撞問題的加劇及引發(fā)節(jié)點重發(fā)次數(shù)的增加，從而使節(jié)點平均能耗相應(yīng)提高。兩種隨機功率控制方式的節(jié)點平均能耗明顯低于固定功率控制的情況,有利于降低網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗，以延長節(jié)點的使用壽命和網(wǎng)絡(luò)的生存周期。圖2(b)給出了上述條件下隨機功率策略與固定功率控制策略在節(jié)點傳輸成功概率平均相對差值的比較,且SNR門限為-30 dB。在固定SNR門限下，隨著節(jié)點密度的提高，兩種隨機功率控制方式的節(jié)點傳輸成功概率平均相對差值都相應(yīng)降低，而且當(dāng)節(jié)點密度達到一定程度時，可視為隨機功率控制接近于固定功率控制的成功傳輸概率。當(dāng)采用更高的最小發(fā)射功率時，隨機功率控制與固定功率控制在成功傳輸概率的差異相對更小。

本文將隨機功率控制技術(shù)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過合理選擇簇頭節(jié)點的最大發(fā)射功率和最小發(fā)射功率來滿足網(wǎng)絡(luò)對成功傳輸概率的需求。仿真表明,隨機功率控制在保持與固定功率控制相當(dāng)?shù)某晒鬏敻怕实那闆r下，可降低發(fā)射功率以提高簇頭節(jié)點能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。在以后的研究工作中將把重點放在該方法與數(shù)據(jù)鏈路層隨機接入技術(shù)相結(jié)合方面。

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