《電子技術(shù)應(yīng)用》
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隨機(jī)功率控制在分簇結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第3期
朱 赟1,2, 徐友云2, 潘成康3
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(guó)移動(dòng)通信研究院, 北京100053
摘要： 分析了分簇結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)功率控制的成功通信概率，并提出由網(wǎng)絡(luò)對(duì)成功通信概率的要求來(lái)決定簇內(nèi)通信時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的最大值和最小值。仿真數(shù)據(jù)表明，在節(jié)點(diǎn)密度較高的分簇結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，隨機(jī)功率控制與固定功率控制相比，有更高的能量效率。
中圖分類(lèi)號(hào)： TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)03-0124-03
Performance analysis of random power control in clustered wireless sensor networks
Zhu Yun1,2, Xu Youyun2, Pan Chengkang3
1. School of Physics and Electronics Information, Gannan Normal University, Ganzhou 341000, China； 2. Institute of Communications Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China； 3. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China
Abstract： Transmission successful probability of the random power control approach for clustered wireless sensor networks is analized in this paper. The minimum and the maximum of transmission power during the intra-cluster communication can be choiced to meet the transmission successful probability requirement of networks. The simulation results show that random power control can improve the energy efficiency compared to the conventional fixed power control in clustered wireless sensor networks where sensor nodes are distributed densely.
Key words : wireless sensor network(WSN); clustering; power control; transmission successful probability

    在無(wú)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(lái)減少不必要的能量消耗，而且可降低信號(hào)傳輸過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(wú)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(wèn)題。在分簇結(jié)構(gòu)無(wú)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(wú)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(lái)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。



 


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(wú)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(mén)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(mén)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(mén)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[(?祝ij′-?祝ij)/?祝ij′]描述方法來(lái)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(mén)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(wèn)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(zhǎng)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(mén)限為-30 dB。在固定SNR門(mén)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)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(lái)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(zhǎng)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。
參考文獻(xiàn)
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