基于GG—FSPM的WSN網(wǎng)絡在海洋生態(tài)監(jiān)測中的功率控制技術研究

黃文東 黃東 戚兆坤

摘 要：為了優(yōu)化傳統(tǒng)WSN在海洋生態(tài)監(jiān)測中拓撲結構的復雜度高以及全功率通訊方式所帶來的信號干擾和高能耗問題，提出一種基于GG圖和自由空間廣播模型（FSPM）的拓撲功率控制，通過GG圖優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲，降低拓撲復雜度;通過自由空間廣播模型進行功率控制，減少信號通訊距離，降低信號干擾和能耗，進一步去提高WSN網(wǎng)絡整體性能，仿真結果驗證了GG-FSPM相結合的有效性。

關鍵詞：無線WSN網(wǎng)絡;拓撲控制;GG圖;FSPM

0 引言

21世紀是一個科技時代，伴隨著信息時代的進步，多種無線網(wǎng)絡應運而生，成為了工作和學習生活中的必需品，其中主要以無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）、無線Mesh網(wǎng)絡（Wireless Mesh Network，WMN）和Ad-hoc網(wǎng)絡為基礎，進而衍生出多種無線網(wǎng)絡技術，在諸多學者的努力工作下，也取得了一定的研究成果。

1 WSN簡述

WSN是以傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡為基礎的新型無線傳感器網(wǎng)絡。WSN中每個傳感器節(jié)點都可以對周圍環(huán)境進行各種數(shù)據(jù)的收集、監(jiān)測、計算和轉發(fā)。目前，WSN已被廣泛應用于城市交通監(jiān)測管理，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和收集，國家醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)管理，抗震救災等領域，并在諸多領域中已取得了良好的應用成果，具有十分廣闊的市場應用前景。

目前主要針對節(jié)點設計，MAC層及路由層等技術研究，MAC層實現(xiàn)節(jié)點間鏈路建立，保證節(jié)點公平有效地利用帶寬。路由層主要負責節(jié)點間建立路由，可靠性傳輸?shù)?。在傳統(tǒng)WSN中，每個節(jié)點維護信號覆蓋范圍內(nèi)的所有節(jié)點鏈路，因此導致節(jié)點擁有的通信鏈路多，網(wǎng)絡拓撲復雜度高，進而增加了路由建立時間，影響了網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸效率，同時以恒定的信號發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)，導致信號干擾嚴重，能源利用率低等問題。因此針對于WSN的拓撲控制以及能耗控制問題處于一個熱點研究領域。

2 優(yōu)化方案

針對于傳統(tǒng)WSN拓撲控制的復雜度高，節(jié)點維護通信鏈路信息量大，恒定發(fā)送功率多帶來的干擾和高能耗的問題，依據(jù)GG圖模型以及無線電空間自由廣播模型（Free Space Propagation Model，F(xiàn)SPF）的特點，本文提出結合GG-FSPF模型對WSN進行拓撲控制和功率控制，以提高網(wǎng)絡整體性能。

2.1 自由空間廣播模型

自由空間廣播模型（Free Space Propagation Model，F(xiàn)SPF）用于表示發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點無障礙的直接通訊模型，該模型的接收功率和發(fā)送功率關系如下：

P■（d）=■（1）

推導可得數(shù)據(jù)信號的干擾距離和通訊距離的關系表達式為：

dn=d■（2）

3 實驗結果分析

本文進行了通訊模擬實驗并對實驗結果進行對比，實驗在500×500的范圍內(nèi)，節(jié)點的廣播半徑為100米。本實驗以節(jié)點平均一次通訊時對周圍鄰居節(jié)點影響的數(shù)量作為衡量干擾程度的指標。

通過圖1的影響節(jié)點個數(shù)對比圖可以看出，在基于GG圖的拓撲控制的基礎上，在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時依據(jù)FSPF進行功率控制，進而降低了網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)送功率，達到了節(jié)能的目的，在保證數(shù)據(jù)被正確的接收的基礎上，減小了信號傳輸距離和信號干擾范圍，進而降低了每一次通訊時，數(shù)據(jù)信號對其他節(jié)點的影響數(shù)量。進而在一定程度上降低了網(wǎng)絡整體的信號干擾，提高了在海洋監(jiān)測過程中網(wǎng)絡性能，由此可見基于GG- FSPF模型的功率控制技術具有一定的可行性。

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作者簡介：

黃文東，1985-03，碩士研究生，研究方向：無線網(wǎng)絡。