電磁干擾環境下無線傳感器網絡的通信性能實驗研究＊

侯 蒙

（清華大學 計算機系，北京100084）

引 言

無線傳感器網絡（WSN）作為物聯網的關鍵技術之一，是當今信息領域的研究熱點與前沿，應用在軍事、交通、醫療、環境、家居、預警等諸多領域。但是，當前許多WSN系統的實際性能并不理想，存在生存時間短、通信不可靠、網絡覆蓋失敗等問題，直接影響到WSN的實用價值；更多的應用場景、更密集的節點部署使得網絡節點間、不同網絡間的干擾問題日益突出；多跳傳輸下的隱藏暴露終端問題、多路徑路由下的路由耦合問題、鄰近節點同頻干擾問題，嚴重影響了WSN的通信性能。

隨著無線通信技術的發展，各種無線通信系統及電磁設備因安裝便捷、使用靈活、經濟節約、易于擴展的優點而得到廣泛應用。而使用IEEE802.15.4協議的WSN與使用IEEE802.11等系列協議的無線系統同處于ISM的2.4 GHz頻段，在實際部署環境中，當二者使用的信道頻段重疊時，WSN容易受到其他異構通信系統的交叉干擾。電磁干擾會導致WSN通信吞吐量降低，重傳時延增加，網絡拓撲頻繁變化，通信可靠性下降，部分受干擾節點因通信不可達而孤立，甚至因通信質量下降而消耗大量能量，縮短生存時間。

本文分類描述了WSN面臨的不同種類電磁干擾及其影響，通過設置不同的干擾實驗場景，實際測量了WSN在不同電磁干擾下的接收延時、包接收率和吞吐量等通信指標，定量分析了WSN在不同干擾環境下的通信性能。

1 相關工作與動機

WSN面臨的電磁干擾按照干擾源可以分為同構無線干擾和異構無線干擾。

同構無線干擾發生在同一環境中密集部署的WSN距離相近的節點之間或多個WSN之間，當今高數據量和服務質量的應用需求使得這類干擾問題變得更加突出。首先一些基于競爭的MAC協議所采用的CSMA/CA機制增加了信息的傳輸延遲，隱藏終端和暴露終端問題在自組織多跳傳輸的WSN中始終存在[1]。其次，具有諸多性能優勢的多路徑路由協議，由于允許在一對源節點和目標節點間沿著多條路徑進行數據傳輸，而節點在無線鏈路中發送數據時又具有全向傳輸的特點，因此，多路徑路由會發生路由耦合的現象。即使兩條不相交的傳輸路徑也會因為路徑中的某些節點距離過近而產生嚴重的干擾，從而降低多路徑路由的傳輸效率。此外，在多個WSN密集部署于同一環境的應用場景中，每個WSN雖然負責不同的具體應用[2]，但卻使用相同的物理層和 MAC層協議，一旦隸屬于不同WSN的節點距離過近，且工作于相同或相鄰信道時，它們之間也會形成嚴重的網間干擾，傳輸效率會因此降低。

異構無線干擾發生在同一環境中多種無線通信系統及電磁設備共存的情況下[3]。2.4 GHz為各國共同的ISM頻段，即工業、科學和醫用頻段。WLAN、WSN、Bluetooth等無線網絡，均可工作在2.4 GHz頻段上。IEEE 802.15.4的信道帶寬為5 MHz，而IEEE 802.11b的信道帶寬為22 MHz，每個IEEE 802.11b信道與4個IEEE 802.15.4信道重疊。WSN節點設備采用電池供電，傳輸功率為-30～0 dBm，而WLAN節點設備的傳輸功率一般在15 dBm以上。目前，WLAN的覆蓋范圍已經很廣泛，以清華大學為例，室內室外均有大量WLAN的AP部署，容易與WSN節點近距離、同頻段共存，形成異構系統間的交叉干擾。已有研究表明[4]，WLAN節點的發射功率要比WSN大一到兩個數量級，一旦這兩個系統的信道重疊，MSN中的節點會受到嚴重的異構無線干擾。

綜上所述，量化分析WSN在不同干擾環境下的通信性能，對于提高WSN的抗干擾能力和實用價值具有重要意義。目前，對于WSN在不同電磁干擾環境下的相關特征已有一些相關研究，主要分為理論分析和實驗驗證兩大類。理論分析類研究集中于從干擾源的頻段重疊、占空比、發送功率和傳輸距離等特征因素出發，建立WSN的網絡丟包干擾概率模型[5]。實驗驗證類研究則集中于在實驗測量的基礎上統計分析不同信道的信標接收率、鏈路質量評估值和環境RSSI等特征因素與不同電磁干擾的相關性[6]。以上研究大多通過 WSN與電磁干擾具有相關性的特征因素來描述不同電磁干擾特征，而對于WSN在不同電磁干擾環境中的通信性能則研究較少。本文借鑒了實驗驗證類的研究方法，通過對接收延時、包接收率和吞吐量的實驗測量，量化分析了WSN在不同電磁干擾環境下的通信性能。

2 實驗設計與測量

2.1 測量指標

本實驗以接收延時、包接收率和吞吐量為通信性能的衡量指標，研究不同電磁干擾環境下的WSN通信情況。

接收延時是指通信發送方發出信息，到該信息被通信接收方（處于正常接收狀態下）成功接收的時間間隔。如果通信發送方按照固定時間間隔發送信息，正常情況下通信接收方也應該按照相同的時間間隔接收信息。本實驗中接收延時按照下式計算：

接收延時＝當前接收時間-標準接收時間

包接收率是指在一個統計周期內，通信接收方成功接收的信息包數量占通信發送方發送信息包數量的比率。正常情況下，如果包接收率在90%以上，認為通信是可靠的。本實驗中包接收率按照下式計算：

包接收率＝成功接收的信息包數/發送信息包總數

吞吐量是指在單位時間內通信接收方成功接收通信發送方傳輸的平均數據量（單位為bps），一般情況下，吞吐量越大說明通信的質量越好。本實驗中吞吐量按照下式計算：

吞吐量＝成功接收的信息包數×包長度/測量時間

信息在網絡中傳輸時可能遇到目的地址不對、目的節點關機、無法路由、網絡擁塞、信道干擾等特殊情況，造成接收延時增大、包接收率和吞吐量顯著降低。

2.2 實驗設計

本文設計了3種實驗場景，分別是：無明顯電磁干擾實驗環境、WSN同構無線干擾實驗環境和WSN異構無線干擾實驗環境。

根據測量指標，在這3個場景中分別測量了接收延時、包接收率和通信吞吐量3組實驗數據。

實驗的無線路由器采用深圳普聯公司的TPLINK150M無線寬帶路由器，支持IEEE802.11b/n/g協議，提供13個工作信道及最高達150 Mbps的穩定傳輸。WSN節點采用Chipcon公司的CC2420芯片，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4協議，用來開發工業無線傳感網及家庭組網。芯片集成了RF收發器，以0.18μm CMOS工藝制成，數據速率達250 kbps，碼片速率達2 MChip/s，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。運行在WSN節點上的干擾測試程序采用TinyOS系統nesC語言編寫，能夠實現節點數據的收發、發送功率與工作信道的設置、接收延時、包接收率和吞吐量的測量，并將相關測量數據通過串口傳送至PC。

具體的實驗參數設置如表1所列。

實驗場景設置示意圖如圖1所示。圖1（a）是隨機部署的多跳無線傳感器網絡，遍布于10 m×5 m的區域內，共20個節點，包括一對信源節點和sink節點，無線電波范圍為1 m，采用CTP協議進行路由。

圖1（b）是兩個隨機部署的多跳無線傳感器網絡，混合遍布于10 m×5 m的區域內，共30個節點，包括兩對信源節點和sink節點，但部分節點密集部署，無線電波范圍為1 m。其中，測試網絡采用多路徑協議進行路由，干擾網絡采用CTP協議進行路由。

圖1（c）是隨機部署的多跳無線傳感器網絡，遍布于10 m×5 m的區域內，共20個節點，包括一對信源節點和sink節點，無線電波范圍為1 m，采用CTP協議進行路由。在場景的中心區域通過一臺無線路由器和兩臺筆記本電腦搭建無線局域網，兩臺筆記本電腦之間以200 kbps左右的穩定速率進行大文件傳輸，形成穩定的WLAN干擾源。實驗中，兩臺筆記本電腦之間的距離最遠達到10 m。

表1 實驗參數設置

圖1 實驗場景設置示意圖

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 接收延時

WSN發送節點以固定1 s的時間間隔發送信息，接收節點記錄30個到達信息包的接收時間。實驗結果如圖2所示，在沒有電磁干擾的環境中，信息包基本按照1 s的時間間隔順序到達，而當各種電磁干擾存在時，到達信息包開始出現延時。其中，最后一個到達信息包的接收時間在異構無線干擾環境下的延時大于30 s，而在同構無線干擾環境下的延時大約在20 s。

圖2 接收延時結果比較圖

2.3.2 包接收率

WSN發送節點以固定100 ms的時間間隔發送信息，接收節點在1 s的統計周期內計算包接收率。實驗結果如圖3所示，在沒有電磁干擾的環境中，包接收率基本保持在90%以上，而當不同電磁干擾存在時，包接收率開始下降。在同構無線干擾環境下，包接收率基本保持在60%～80%，最低下降到50%。在異構無線干擾環境下，包接收率基本下降到了60%以下，最低甚至只有10%。

2.3.3 通信吞吐量

WSN發送節點以固定5 ms的時間間隔發送信息，接收節點在1 s的統計周期內計算吞吐量。實驗結果如圖4所示，在沒有電磁干擾的環境中，吞吐量基本保持在2 500～3 000 bps，而當不同電磁干擾存在時，吞吐量開始下降。在同構無線干擾環境下，吞吐量的平均下降幅度大約為30 0 bps。在異構無線干擾環境下，吞吐量基本降到了1 500～2 000 bps，平均下降幅度達到1 000 bps。

2.3.4 實驗分析

通過以上實驗可以得出結論，不同的電磁干擾會對通信頻段上與之重疊的WSN節點產生不同程度的影響，包括接收延時增大、包接收率降低，甚至發生信道阻塞、通信性能顯著下降，其中，異構無線干擾的影響較大。

圖3 包接收率結果比較圖

圖4 吞吐量結果比較圖

結 語

本文針對無線傳感器網絡在電磁干擾環境下出現通信性能下降問題進行了實驗研究。通過設置穩定的干擾實驗場景，選擇具有代表性的性能指標，測量并獲得了大量實驗數據，定量分析了WSN在不同電磁干擾環境下的真實通信性能。結果表明，電磁干擾會增加包接收延時，且包接收率與通信吞吐量也會顯著降低。

[1]王境，徐楨，劉曉春.基于鏈路質量的無線傳感器網絡抗干擾路由協議[J].傳感技術學報，2012，25（1）：87-93.

[2]張招亮，陳海明，黃庭培，等.無線傳感器網絡中一種抗無線局域網干擾的信道分配機制[J].計算機學報，2012，35（3）：504-517.

[3]Kaushik Lakshminarayanan，Srinivasan Seshan，Peter Steenkiste.Understanding 802.11 performance in heterogeneous environments[C]//Proceedings of the 2nd ACM SIGCOMM workshop on Home networks（HomeNets）.Toronto，2011：43-48.

[4]Noda C，Prabh S，Alves M，et al.Quantifying the channel quality for interference-aware wireless sensor networks[J].SIGBED Review，2011，8（4）：43-48.

[5]Liang C，Priyantha N B，Liu J，et al.Surviving Wi-Fi Interference in Low Power ZigBee Networks[C]//Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Network Sensor Systems（SenSys）.New York，USA，2010：309-322.

[6]王赟，樂燕芬，施偉斌.IEEE 802.15.4對 WLAN抗干擾性能的實驗研究[J].計算機工程與應用，2012，48（5）：99-101.