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移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量跨層優(yōu)化

來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第2期

丁凡，周永明

韶關(guān)學院物理與機電工程學院電子系, 廣東韶關(guān)512005

摘要： 采用跨層優(yōu)化方法，分析了移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)點對點鏈路的吞吐量優(yōu)化問題。首先推導出吞吐量的理論表達式；以最大化吞吐量為目標，采用一種基于分層優(yōu)化的數(shù)學框架，分別得到物理層最優(yōu)符號速率、最優(yōu)調(diào)制星座體積和MAC層最優(yōu)數(shù)據(jù)包長；在此基礎(chǔ)上，通過聯(lián)合優(yōu)化物理層參數(shù)和MAC層參數(shù)實現(xiàn)了鏈路吞吐量的最大化；最后提出了一種基于節(jié)點間通信距離的自適應(yīng)跨層優(yōu)化策略。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的分層優(yōu)化相比，跨層優(yōu)化后鏈路的吞吐量性能得到了明顯提高。

關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 移動性吞吐量跨層優(yōu)化

中圖分類號: TP393
文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2013)02-0100-03

Cross-layer throughput optimization for mobile wireless sensor networks

Ding Fan, Zhou Yongming

School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering ,Shaoguan College, Shaoguan 512005, China

Abstract： In this paper ,the throughput of point-to-point link for mobile wireless sensor networks is studied using cross-layer optimization. Firstly,the theoretical throughput expressions is derived. To maximize the throughput, an mathematical optimization framework based on hierarchical optimization is adopted. And then the optimal symbol rate , the optimal constellation size in physical layer and the optimal packet in MAC layer are derived. According to these optimization variables , the cross-layer design can be used for throughput optimization. Finally, a adaptive cross-layer optimization strategy is proposed. Simulation results show that the throughput is significantly improved with the cross-layer design compared with traditional hierarchical optimization.

Key words : wireless sensor networks; mobility；throughput ;cross-layer optimization

吞吐量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項重要性能指標，它直接反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作運行的效率[1]。然而目前多數(shù)的研究局限于所有傳感器節(jié)點都是靜止的情況，不能滿足某些需要移動節(jié)點的應(yīng)用，比如監(jiān)測野生動物的生活時，節(jié)點總是處于不斷的運動中。因此有必要對移動性傳感器網(wǎng)絡(luò)（Mobile WSN）的吞吐量進行研究。

   LAVERY R J[2]首次建立了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)點對點鏈路模型，明確了點對點鏈路模型吞吐量的數(shù)學定義式。隨后YOO T等人[3]提出了一種數(shù)學框架，采用符號速率、數(shù)據(jù)包長度、調(diào)制星座體積三個參數(shù)作為優(yōu)化變量，實現(xiàn)了MQAM調(diào)制方式下點對點鏈路吞吐量的優(yōu)化。參考文獻[4]基于參考文獻[2]提出的模型和假設(shè)，對鏈路的吞吐量也作了類似的研究和優(yōu)化分析。但是參考文獻[2-4]在對吞吐量優(yōu)化分析模型中，接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點是靜止的，沒有考慮移動情景下吞吐量與節(jié)點之間通信距離的關(guān)系。
   針對上述問題，本文將針對MWSN中如何最大化點對點鏈路吞吐量這一問題展開研究。為了最大化吞吐量,本文不僅考慮了物理層的符號速率和調(diào)制星座體積,而且考慮了MAC層的數(shù)據(jù)包長度，通過物理層和MAC層參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，保證了在不同通信距離下鏈路的吞吐量能夠達到最優(yōu)。
1 系統(tǒng)模型和假設(shè)
為了簡化分析，本文只考慮WSN中兩個通信節(jié)點之間的點對點鏈路。假定節(jié)點發(fā)送的單個數(shù)據(jù)包總長為K＋Ｃ＝L(bit)，其中K為有用信息數(shù)據(jù)長度，Ｃ為循環(huán)冗余校驗碼CRC。同時假設(shè)CRC校驗能查出所有錯誤，且忽略應(yīng)答信號(ACK/NACK)對吞吐量的影響。因此對于一個基于上述模型和假設(shè)條件的點對點傳輸鏈路，其吞吐量通式為：

的增大而增大。另外，當L>>C時,T≈bRs,即T的上限值為bRs。以上兩點結(jié)論均可從圖1中得到很好的驗證。
求解式(13)可得到不同通信距離下相應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)包長L(d)*，進而得到吞吐量的最優(yōu)曲線如圖1所示。從最優(yōu)曲線可以看到,當d>110 m時,T≈0,此時即使采用最優(yōu)數(shù)據(jù)包長也提高不了吞吐量。因此,遠距離通信時,僅靠MAC優(yōu)化并不能使吞吐量最大化。
3.2 物理層參數(shù)優(yōu)化仿真
    圖2給出了不同符號速率下吞吐量與d的關(guān)系曲線?？梢钥闯?當d發(fā)生變化時, 必須進行速率調(diào)整才可能得到最優(yōu)吞吐量。為此,根據(jù)式(8)可求解得到當L=100、b=2時,rs*=9.07 dB。當d發(fā)生變化時，應(yīng)根據(jù)式(10)來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率Rs,確保rs=rs*,以保證得到最優(yōu)吞吐量。據(jù)此得到的最優(yōu)吞吐量曲線亦顯示在圖2中。

3.3 跨層優(yōu)化仿真及自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略
　為了使鏈路在不同的通信范圍內(nèi)都能有較高的吞吐量，必須進行跨層優(yōu)化。跨層優(yōu)化后的最優(yōu)吞吐量曲線如圖4所示,同時給出了兩種次優(yōu)吞吐量曲線，以便進行對比分析。從圖中可以看到,兩條次優(yōu)吞吐量曲線分別在短距離通信(d<110 m)和遠距離通信(d>110 m)范圍內(nèi)與最優(yōu)吞吐量曲線取得一致?？梢愿鶕?jù)終端節(jié)點離發(fā)射節(jié)點的不同位置，近似認為終端節(jié)點處于近距離區(qū)或遠距離區(qū)。在此劃分下,為了保證鏈路的最優(yōu)吞吐量，可采取如下自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略：

    (1)近距離區(qū)(d<110 m)：在此區(qū)域內(nèi)信道條件相對較好，可以采用高階調(diào)制方式并聯(lián)合最優(yōu)數(shù)據(jù)包長，可使吞吐量達到最優(yōu)。最優(yōu)參數(shù)對(b*、L*)可以通過聯(lián)立求解式(11)、式(13)得到。
   (2)遠距離區(qū)(d>110 m)：在此區(qū)域內(nèi)信道條件急劇惡化,此時應(yīng)以盡量降低Pe為主。由式(9)知，為了盡可能降低Pe,應(yīng)該采用BPSK,即b=1；同時調(diào)節(jié)符號速率Rs以使rs=rs*。由式(13)可求解得到在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)采用的最優(yōu)數(shù)據(jù)包長L(d)*=L(b=1,rs*)。
　通過上述自適應(yīng)策略配置相應(yīng)的參數(shù)組(b、L、Rs),可以保證接收機節(jié)點在移動過程中其鏈路吞吐量達到最優(yōu)值。
   本文采用跨層優(yōu)化分析的方法，針對移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)點對點鏈路的吞吐量問題作了優(yōu)化分析。通過選擇優(yōu)化后的物理層參數(shù)符號速率Rs并調(diào)制星座體積b和MAC層參數(shù)數(shù)據(jù)包長度L,可以優(yōu)化鏈路吞吐量。最后提出了一種自適應(yīng)跨層調(diào)節(jié)的優(yōu)化策略，根據(jù)該策略自適應(yīng)調(diào)節(jié)物理層和MAC層參數(shù),保證了在不同通信距離下鏈路的吞吐量始終保持最大化。
參考文獻
[1] 孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學出版社，2005.
[2] LAVERY R J. Throughput optimization for wireless data transmission. M.S. thesis,Polytechnic University,June 2001.
[3] YOO T, LAVERY R, GOLDSMITH A,et al. Throughput optimization using adaptive techniques.[2012-01-02].http://systems.stanford.edu/Publications/Taesang/Commletters_2005_draft.pdf.
[4] Liu Jian, Sun Jian, Lv Shoutao. A novel throughput optimization approach in wireless systems[C]. IEEE ICCT2010, Nanjing, China, 2010:1374-1378.
[5] 柯欣,孫利民.多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析[J].通信學報，2009,28(9):78-84.
[6] CUI S, GOLDSMITH A, BAHAI A. Energy-constrained modulation optimization[J].IEEE Trans.on Wireless Communications,2005，4(5):2349-2360.

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