電磁干擾環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡的通信性能實驗研究＊

侯 蒙

（清華大學 計算機系，北京100084）

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當今信息領(lǐng)域的研究熱點與前沿，應用在軍事、交通、醫(yī)療、環(huán)境、家居、預警等諸多領(lǐng)域。但是，當前許多WSN系統(tǒng)的實際性能并不理想，存在生存時間短、通信不可靠、網(wǎng)絡覆蓋失敗等問題，直接影響到WSN的實用價值；更多的應用場景、更密集的節(jié)點部署使得網(wǎng)絡節(jié)點間、不同網(wǎng)絡間的干擾問題日益突出；多跳傳輸下的隱藏暴露終端問題、多路徑路由下的路由耦合問題、鄰近節(jié)點同頻干擾問題，嚴重影響了WSN的通信性能。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各種無線通信系統(tǒng)及電磁設(shè)備因安裝便捷、使用靈活、經(jīng)濟節(jié)約、易于擴展的優(yōu)點而得到廣泛應用。而使用IEEE802.15.4協(xié)議的WSN與使用IEEE802.11等系列協(xié)議的無線系統(tǒng)同處于ISM的2.4 GHz頻段，在實際部署環(huán)境中，當二者使用的信道頻段重疊時，WSN容易受到其他異構(gòu)通信系統(tǒng)的交叉干擾。電磁干擾會導致WSN通信吞吐量降低，重傳時延增加，網(wǎng)絡拓撲頻繁變化，通信可靠性下降，部分受干擾節(jié)點因通信不可達而孤立，甚至因通信質(zhì)量下降而消耗大量能量，縮短生存時間。

本文分類描述了WSN面臨的不同種類電磁干擾及其影響，通過設(shè)置不同的干擾實驗場景，實際測量了WSN在不同電磁干擾下的接收延時、包接收率和吞吐量等通信指標，定量分析了WSN在不同干擾環(huán)境下的通信性能。

1 相關(guān)工作與動機

WSN面臨的電磁干擾按照干擾源可以分為同構(gòu)無線干擾和異構(gòu)無線干擾。

同構(gòu)無線干擾發(fā)生在同一環(huán)境中密集部署的WSN距離相近的節(jié)點之間或多個WSN之間，當今高數(shù)據(jù)量和服務質(zhì)量的應用需求使得這類干擾問題變得更加突出。首先一些基于競爭的MAC協(xié)議所采用的CSMA/CA機制增加了信息的傳輸延遲，隱藏終端和暴露終端問題在自組織多跳傳輸?shù)腤SN中始終存在[1]。其次，具有諸多性能優(yōu)勢的多路徑路由協(xié)議，由于允許在一對源節(jié)點和目標節(jié)點間沿著多條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，而節(jié)點在無線鏈路中發(fā)送數(shù)據(jù)時又具有全向傳輸?shù)奶攸c，因此，多路徑路由會發(fā)生路由耦合的現(xiàn)象。即使兩條不相交的傳輸路徑也會因為路徑中的某些節(jié)點距離過近而產(chǎn)生嚴重的干擾，從而降低多路徑路由的傳輸效率。此外，在多個WSN密集部署于同一環(huán)境的應用場景中，每個WSN雖然負責不同的具體應用[2]，但卻使用相同的物理層和 MAC層協(xié)議，一旦隸屬于不同WSN的節(jié)點距離過近，且工作于相同或相鄰信道時，它們之間也會形成嚴重的網(wǎng)間干擾，傳輸效率會因此降低。

異構(gòu)無線干擾發(fā)生在同一環(huán)境中多種無線通信系統(tǒng)及電磁設(shè)備共存的情況下[3]。2.4 GHz為各國共同的ISM頻段，即工業(yè)、科學和醫(yī)用頻段。WLAN、WSN、Bluetooth等無線網(wǎng)絡，均可工作在2.4 GHz頻段上。IEEE 802.15.4的信道帶寬為5 MHz，而IEEE 802.11b的信道帶寬為22 MHz，每個IEEE 802.11b信道與4個IEEE 802.15.4信道重疊。WSN節(jié)點設(shè)備采用電池供電，傳輸功率為-30～0 dBm，而WLAN節(jié)點設(shè)備的傳輸功率一般在15 dBm以上。目前，WLAN的覆蓋范圍已經(jīng)很廣泛，以清華大學為例，室內(nèi)室外均有大量WLAN的AP部署，容易與WSN節(jié)點近距離、同頻段共存，形成異構(gòu)系統(tǒng)間的交叉干擾。已有研究表明[4]，WLAN節(jié)點的發(fā)射功率要比WSN大一到兩個數(shù)量級，一旦這兩個系統(tǒng)的信道重疊，MSN中的節(jié)點會受到嚴重的異構(gòu)無線干擾。

綜上所述，量化分析WSN在不同干擾環(huán)境下的通信性能，對于提高WSN的抗干擾能力和實用價值具有重要意義。目前，對于WSN在不同電磁干擾環(huán)境下的相關(guān)特征已有一些相關(guān)研究，主要分為理論分析和實驗驗證兩大類。理論分析類研究集中于從干擾源的頻段重疊、占空比、發(fā)送功率和傳輸距離等特征因素出發(fā)，建立WSN的網(wǎng)絡丟包干擾概率模型[5]。實驗驗證類研究則集中于在實驗測量的基礎(chǔ)上統(tǒng)計分析不同信道的信標接收率、鏈路質(zhì)量評估值和環(huán)境RSSI等特征因素與不同電磁干擾的相關(guān)性[6]。以上研究大多通過 WSN與電磁干擾具有相關(guān)性的特征因素來描述不同電磁干擾特征，而對于WSN在不同電磁干擾環(huán)境中的通信性能則研究較少。本文借鑒了實驗驗證類的研究方法，通過對接收延時、包接收率和吞吐量的實驗測量，量化分析了WSN在不同電磁干擾環(huán)境下的通信性能。

2 實驗設(shè)計與測量

2.1 測量指標

本實驗以接收延時、包接收率和吞吐量為通信性能的衡量指標，研究不同電磁干擾環(huán)境下的WSN通信情況。

接收延時是指通信發(fā)送方發(fā)出信息，到該信息被通信接收方（處于正常接收狀態(tài)下）成功接收的時間間隔。如果通信發(fā)送方按照固定時間間隔發(fā)送信息，正常情況下通信接收方也應該按照相同的時間間隔接收信息。本實驗中接收延時按照下式計算：

接收延時＝當前接收時間-標準接收時間

包接收率是指在一個統(tǒng)計周期內(nèi)，通信接收方成功接收的信息包數(shù)量占通信發(fā)送方發(fā)送信息包數(shù)量的比率。正常情況下，如果包接收率在90%以上，認為通信是可靠的。本實驗中包接收率按照下式計算：

包接收率＝成功接收的信息包數(shù)/發(fā)送信息包總數(shù)

吞吐量是指在單位時間內(nèi)通信接收方成功接收通信發(fā)送方傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量（單位為bps），一般情況下，吞吐量越大說明通信的質(zhì)量越好。本實驗中吞吐量按照下式計算：

吞吐量＝成功接收的信息包數(shù)×包長度/測量時間

信息在網(wǎng)絡中傳輸時可能遇到目的地址不對、目的節(jié)點關(guān)機、無法路由、網(wǎng)絡擁塞、信道干擾等特殊情況，造成接收延時增大、包接收率和吞吐量顯著降低。

2.2 實驗設(shè)計

本文設(shè)計了3種實驗場景，分別是：無明顯電磁干擾實驗環(huán)境、WSN同構(gòu)無線干擾實驗環(huán)境和WSN異構(gòu)無線干擾實驗環(huán)境。

根據(jù)測量指標，在這3個場景中分別測量了接收延時、包接收率和通信吞吐量3組實驗數(shù)據(jù)。

實驗的無線路由器采用深圳普聯(lián)公司的TPLINK150M無線寬帶路由器，支持IEEE802.11b/n/g協(xié)議，提供13個工作信道及最高達150 Mbps的穩(wěn)定傳輸。WSN節(jié)點采用Chipcon公司的CC2420芯片，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4協(xié)議，用來開發(fā)工業(yè)無線傳感網(wǎng)及家庭組網(wǎng)。芯片集成了RF收發(fā)器，以0.18μm CMOS工藝制成，數(shù)據(jù)速率達250 kbps，碼片速率達2 MChip/s，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。運行在WSN節(jié)點上的干擾測試程序采用TinyOS系統(tǒng)nesC語言編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的收發(fā)、發(fā)送功率與工作信道的設(shè)置、接收延時、包接收率和吞吐量的測量，并將相關(guān)測量數(shù)據(jù)通過串口傳送至PC。

具體的實驗參數(shù)設(shè)置如表1所列。

實驗場景設(shè)置示意圖如圖1所示。圖1（a）是隨機部署的多跳無線傳感器網(wǎng)絡，遍布于10 m×5 m的區(qū)域內(nèi)，共20個節(jié)點，包括一對信源節(jié)點和sink節(jié)點，無線電波范圍為1 m，采用CTP協(xié)議進行路由。

圖1（b）是兩個隨機部署的多跳無線傳感器網(wǎng)絡，混合遍布于10 m×5 m的區(qū)域內(nèi)，共30個節(jié)點，包括兩對信源節(jié)點和sink節(jié)點，但部分節(jié)點密集部署，無線電波范圍為1 m。其中，測試網(wǎng)絡采用多路徑協(xié)議進行路由，干擾網(wǎng)絡采用CTP協(xié)議進行路由。

圖1（c）是隨機部署的多跳無線傳感器網(wǎng)絡，遍布于10 m×5 m的區(qū)域內(nèi)，共20個節(jié)點，包括一對信源節(jié)點和sink節(jié)點，無線電波范圍為1 m，采用CTP協(xié)議進行路由。在場景的中心區(qū)域通過一臺無線路由器和兩臺筆記本電腦搭建無線局域網(wǎng)，兩臺筆記本電腦之間以200 kbps左右的穩(wěn)定速率進行大文件傳輸，形成穩(wěn)定的WLAN干擾源。實驗中，兩臺筆記本電腦之間的距離最遠達到10 m。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

圖1 實驗場景設(shè)置示意圖

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 接收延時

WSN發(fā)送節(jié)點以固定1 s的時間間隔發(fā)送信息，接收節(jié)點記錄30個到達信息包的接收時間。實驗結(jié)果如圖2所示，在沒有電磁干擾的環(huán)境中，信息包基本按照1 s的時間間隔順序到達，而當各種電磁干擾存在時，到達信息包開始出現(xiàn)延時。其中，最后一個到達信息包的接收時間在異構(gòu)無線干擾環(huán)境下的延時大于30 s，而在同構(gòu)無線干擾環(huán)境下的延時大約在20 s。

圖2 接收延時結(jié)果比較圖

2.3.2 包接收率

WSN發(fā)送節(jié)點以固定100 ms的時間間隔發(fā)送信息，接收節(jié)點在1 s的統(tǒng)計周期內(nèi)計算包接收率。實驗結(jié)果如圖3所示，在沒有電磁干擾的環(huán)境中，包接收率基本保持在90%以上，而當不同電磁干擾存在時，包接收率開始下降。在同構(gòu)無線干擾環(huán)境下，包接收率基本保持在60%～80%，最低下降到50%。在異構(gòu)無線干擾環(huán)境下，包接收率基本下降到了60%以下，最低甚至只有10%。

2.3.3 通信吞吐量

WSN發(fā)送節(jié)點以固定5 ms的時間間隔發(fā)送信息，接收節(jié)點在1 s的統(tǒng)計周期內(nèi)計算吞吐量。實驗結(jié)果如圖4所示，在沒有電磁干擾的環(huán)境中，吞吐量基本保持在2 500～3 000 bps，而當不同電磁干擾存在時，吞吐量開始下降。在同構(gòu)無線干擾環(huán)境下，吞吐量的平均下降幅度大約為30 0 bps。在異構(gòu)無線干擾環(huán)境下，吞吐量基本降到了1 500～2 000 bps，平均下降幅度達到1 000 bps。

2.3.4 實驗分析

通過以上實驗可以得出結(jié)論，不同的電磁干擾會對通信頻段上與之重疊的WSN節(jié)點產(chǎn)生不同程度的影響，包括接收延時增大、包接收率降低，甚至發(fā)生信道阻塞、通信性能顯著下降，其中，異構(gòu)無線干擾的影響較大。

圖3 包接收率結(jié)果比較圖

圖4 吞吐量結(jié)果比較圖

結(jié) 語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡在電磁干擾環(huán)境下出現(xiàn)通信性能下降問題進行了實驗研究。通過設(shè)置穩(wěn)定的干擾實驗場景，選擇具有代表性的性能指標，測量并獲得了大量實驗數(shù)據(jù)，定量分析了WSN在不同電磁干擾環(huán)境下的真實通信性能。結(jié)果表明，電磁干擾會增加包接收延時，且包接收率與通信吞吐量也會顯著降低。

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