基于GG—FSPM的WSN網絡在海洋生態監測中的功率控制技術研究

黃文東 黃東 戚兆坤

摘 要：為了優化傳統WSN在海洋生態監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圖優化網絡拓撲，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絡（Wireless Sensor Network，WSN）、無線Mesh網絡（Wireless Mesh Network，WMN）和Ad-hoc網絡為基礎，進而衍生出多種無線網絡技術，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Ad-hoc網絡為基礎的新型無線傳感器網絡。WSN中每個傳感器節點都可以對周圍環境進行各種數據的收集、監測、計算和轉發。目前，WSN已被廣泛應用于城市交通監測管理，海洋環境數據監測和收集，國家醫療衛生系統管理，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。

目前主要針對節點設計，MAC層及路由層等技術研究，MAC層實現節點間鏈路建立，保證節點公平有效地利用帶寬。路由層主要負責節點間建立路由，可靠性傳輸等。在傳統WSN中，每個節點維護信號覆蓋范圍內的所有節點鏈路，因此導致節點擁有的通信鏈路多，網絡拓撲復雜度高，進而增加了路由建立時間，影響了網絡的數據傳輸效率，同時以恒定的信號發送功率發送數據，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 優化方案

針對于傳統WSN拓撲控制的復雜度高，節點維護通信鏈路信息量大，恒定發送功率多帶來的干擾和高能耗的問題，依據GG圖模型以及無線電空間自由廣播模型（Free Space Propagation Model，FSPF）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，FSPF）用于表示發送節點和接收節點無障礙的直接通訊模型，該模型的接收功率和發送功率關系如下：

P■（d）=■（1）

推導可得數據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，節點的廣播半徑為100米。本實驗以節點平均一次通訊時對周圍鄰居節點影響的數量作為衡量干擾程度的指標。

通過圖1的影響節點個數對比圖可以看出，在基于GG圖的拓撲控制的基礎上，在節點發送數據時依據FSPF進行功率控制，進而降低了網絡發送數據時的發送功率，達到了節能的目的，在保證數據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，數據信號對其他節點的影響數量。進而在一定程度上降低了網絡整體的信號干擾，提高了在海洋監測過程中網絡性能，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：無線網絡。