隨機(jī)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(dòng)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(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)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(hào)傳輸過程中的相互干擾[1]。參考文獻(xiàn)[2]提出了一種節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率隨機(jī)分布在某個(gè)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(shí)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(xiàn)[3]分析了隨機(jī)功率控制方法對(duì)無線自組織網(wǎng)的性能影響，并驗(yàn)證了該方法在高節(jié)點(diǎn)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(diǎn)碰撞問題。在分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度較大，往往會(huì)有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)感知同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而引起同一簇內(nèi)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換情況[4]。采用隨機(jī)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(jī)功率控制的節(jié)點(diǎn)間傳輸成功概率，并提出在滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)成功傳輸概率需求的條件下來合理設(shè)置簇內(nèi)通信時(shí)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采用半雙工通信方式，且配置全向天線。將N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立且均勻分布于半徑為dc圓形監(jiān)測(cè)區(qū)域，并將簇頭節(jié)點(diǎn)j置于區(qū)域中心，則任意發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(gè)或兩個(gè)以上的傳感器節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)場(chǎng)距離，d為收發(fā)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)間的鏈路增益是穩(wěn)定的，視為不變。若簇頭節(jié)點(diǎn)j能正確接收到本簇內(nèi)某節(jié)點(diǎn)i信號(hào)時(shí)，其信噪比γij須滿足:

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

2 成功通信概率

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

由于節(jié)點(diǎn)位置分布相互獨(dú)立，且節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率選擇也相互獨(dú)立，因此tk間是相互獨(dú)立的。當(dāng)N足夠大時(shí)，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(diǎn)發(fā)射功率較高時(shí),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(diǎn)的連接度，因此采用隨機(jī)功率控制時(shí)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(jī)功率控制比較，可將固定功率控制視為隨機(jī)功率控制情況下各節(jié)點(diǎn)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(shí)的均值和方差分布節(jié)點(diǎn) i與中心節(jié)點(diǎn)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(jī)功率控制和固定功率控制對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸成功概率的影響。傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布在以dc=200 m為半徑的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)置于中心。節(jié)點(diǎn)能耗為First Order改進(jìn)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(diǎn)的通信距離對(duì)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(diǎn)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(jī)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(jī)功率控制的傳輸成功概率都隨著節(jié)點(diǎn)密度的提高而相應(yīng)降低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的SNR要求越低時(shí)，隨機(jī)功率控制與固定功率控制性能間的差異相對(duì)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(duì)差值E[(Γij′-Γij)/Γij′]描述方法來比較隨機(jī)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(shí)采用最小通信距離Dmin分別為80 m和100 m時(shí)隨機(jī)功率策略和固定功率控制策略的節(jié)點(diǎn)平均能耗曲線，其中采用的最大通信距離為200 m，仿真時(shí)間為1 h。由該圖可知，上述三種情況隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間報(bào)文碰撞問題的加劇及引發(fā)節(jié)點(diǎn)重發(fā)次數(shù)的增加，從而使節(jié)點(diǎn)平均能耗相應(yīng)提高。兩種隨機(jī)功率控制方式的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)功率策略與固定功率控制策略在節(jié)點(diǎn)傳輸成功概率平均相對(duì)差值的比較,且SNR門限為-30 dB。在固定SNR門限下，隨著節(jié)點(diǎn)密度的提高，兩種隨機(jī)功率控制方式的節(jié)點(diǎn)傳輸成功概率平均相對(duì)差值都相應(yīng)降低，而且當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度達(dá)到一定程度時(shí)，可視為隨機(jī)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(shí)，隨機(jī)功率控制與固定功率控制在成功傳輸概率的差異相對(duì)更小。

本文將隨機(jī)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(diǎn)的最大發(fā)射功率和最小發(fā)射功率來滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)成功傳輸概率的需求。仿真表明,隨機(jī)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(diǎn)能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。在以后的研究工作中將把重點(diǎn)放在該方法與數(shù)據(jù)鏈路層隨機(jī)接入技術(shù)相結(jié)合方面。

[1]Shu Tao,KRUNZ M.Coverage-time optimization for clus-tered wireless sensor networks:a power-balancing approach Networking[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2010,18(1):202-215.

[2]TAESUK K,SEONGLYUN K.Random power control in wireless ad hoc networks[J].IEEE Communications Letters,2005,9(12):1046-1048.

[3]文凱,郭偉,黃廣杰.無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)功率控制[J].電子學(xué)報(bào),2008,36(7):1304-1308.

[4]KRUNZ M,MUQATTASH A,LEE S J.Transmission power control in wireless Ad Hoc networks:Challenges,solutions and open issues[J].IEEE Networks,2004,18(9):8-14.

[5]MOHAMMED E,NASER T,RIKU J.Random power control for uncorrelated Rayleigh fading channels[C].2007 IEEE International Conference on Signal Processing and Communications,Dubai,United Arab Emirates,2007:360-363.

[6]GOMEZ J,CAMPBELL A T.Variable-range transmission power control in wireless Ad Hoc networks[J].IEEE Trans.Mobile Computing,Jan.2007,6(1):87-99.