随机功率控制在分簇结构无线传感器网络中的应用-AET-电子技术应用

随机功率控制在分簇结构无线传感器网络中的应用

来源：电子技术应用2012年第3期

朱赟1,2, 徐友云2, 潘成康3

1. 赣南师范学院物理与电子信息学院，江西赣州341000； 2. 解放军理工大学通信工程学院, 江苏南京210007； 3. 中国移动通信研究院, 北京100053

摘要： 分析了分簇结构无线传感器网络中随机功率控制的成功通信概率，并提出由网络对成功通信概率的要求来决定簇内通信时节点发送功率的最大值和最小值。仿真数据表明，在节点密度较高的分簇结构无线传感器网络中，随机功率控制与固定功率控制相比，有更高的能量效率。

关键词： 无线传感器网络分簇功率控制成功通信概率

中图分类号： TP393
文献标识码： A
文章编号： 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

在无线网络中采用功率控制技术可根据发送节点与目的节点之间的距离及当前的信道状况，以适当的发射功率发送来减少不必要的能量消耗，而且可降低信号传输过程中的相互干扰[1]。参考文献[2]提出了一种节点发射功率随机分布在某个功率区间的无线自组织网功率控制方法，使得在获得与固定功率控制相当的成功传输概率时可节省网络能量消耗以延长网络生存周期。参考文献[3]分析了随机功率控制方法对无线自组织网的性能影响，并验证了该方法在高节点密度的网络中可提高网络的连接性并缓解节点碰撞问题。在分簇结构无线传感器网络中节点密度较大，往往会有多个传感器节点感知同一监测区域的数据，从而引起同一簇内中多个节点向簇头节点同时发送数据的数据交换情况[4]。采用随机功率控制可在保证网络数据传输成功概率基本不变的情况下节省网络的能量消耗[5]。本文分析了分簇结构无线传感器网络中随机功率控制的节点间传输成功概率，并提出在满足网络对成功传输概率需求的条件下来合理设置簇内通信时节点的最大发射功率和最小发射功率。

3 仿真结果与分析
采用网络仿真软件GloMoSim分析随机功率控制和固定功率控制对无线传感器网络传输成功概率的影响。传感器节点均匀分布在以dc=200 m为半径的监测区域内，目标节点置于中心。节点能耗为First Order改进模型[6]，参数dc和d0分别设为0.1 m和87.7 m，且节点的通信距离对应的最大发送功率为-16.7 dBW。图1为不同SNR门限下节点平均成功通信概率情况，其中固定功率采用的通信距离为200 m，随机功率采用的最大通信距离Dmax为200 m，而其采用的最小通信距离Dmin分别为80 m和100 m。在不同SNR门限的要求下固定功率控制和随机功率控制的传输成功概率都随着节点密度的提高而相应降低。当节点的SNR要求越低时，随机功率控制与固定功率控制性能间的差异相对较大，但随着SNR门限的增大,两种功率控制算法在平均成功通信概率上的差异将逐渐缩小。

为了分析两种功率控制策略在传输成功概率上的差异，使用相对差值E[(?祝ij′-?祝ij)/?祝ij′]描述方法来比较随机功率控制策略与固定功率控制策略的网络性能。图2(a)给出了在SNR门限为-30 dB时采用最小通信距离Dmin分别为80 m和100 m时随机功率策略和固定功率控制策略的节点平均能耗曲线，其中采用的最大通信距离为200 m，仿真时间为1 h。由该图可知，上述三种情况随着节点数量的增加导致节点间报文碰撞问题的加剧及引发节点重发次数的增加，从而使节点平均能耗相应提高。两种随机功率控制方式的节点平均能耗明显低于固定功率控制的情况,有利于降低网络的总体能量消耗，以延长节点的使用寿命和网络的生存周期。图2(b)给出了上述条件下随机功率策略与固定功率控制策略在节点传输成功概率平均相对差值的比较,且SNR门限为-30 dB。在固定SNR门限下，随着节点密度的提高，两种随机功率控制方式的节点传输成功概率平均相对差值都相应降低，而且当节点密度达到一定程度时，可视为随机功率控制接近于固定功率控制的成功传输概率。当采用更高的最小发射功率时，随机功率控制与固定功率控制在成功传输概率的差异相对更小。
本文将随机功率控制技术应用于无线传感器网络中，通过合理选择簇头节点的最大发射功率和最小发射功率来满足网络对成功传输概率的需求。仿真表明,随机功率控制在保持与固定功率控制相当的成功传输概率的情况下，可降低发射功率以提高簇头节点能量效率和延长网络生存时间。在以后的研究工作中将把重点放在该方法与数据链路层随机接入技术相结合方面。
参考文献
[1] Shu Tao, KRUNZ M. Coverage-time optimization for clustered 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] 文凯,郭伟,黄广杰.无线Ad Hoc网络中的随机功率控制[J].电子学报,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.

原创声明：此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。

相关内容