黃文東　黃立壯　戚兆坤

摘要：為了優(yōu)化基于GG圖的WSN拓撲結(jié)構(gòu)模型在采用全向天線通信時對周圍節(jié)點帶來的信號干擾問題，，提出一種基于定向天線的通信機制，降低通訊時對周圍節(jié)點產(chǎn)生的信號干擾，同時采用功率控制技術(shù)。降低信號傳輸距離，進一步降低信號干擾范圍。實驗仿真結(jié)果驗證了定向天線技術(shù)和功率控制技術(shù)有效地降低了WSN信號干擾。

關(guān)鍵詞： WSN；定向天線；功率控制；GG圖

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）13-0217-02

現(xiàn)代社會，是一個信息時代的多元化社會，網(wǎng)絡(luò)走進了人們的生活，成為了人們生活和工作必不可少的平臺，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)從有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到多種成熟的無線網(wǎng)絡(luò)，并進一步發(fā)展優(yōu)化發(fā)展出了3G，4G網(wǎng)絡(luò)，其中主要是通訊產(chǎn)業(yè)的wifi，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network，WSN），無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN）[2]，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)等為熱點，并在現(xiàn)實生活中為人們的生活，科研等多方面得到了廣泛的應(yīng)用。

1 WSN網(wǎng)絡(luò)

WSN是近年來一個研究熱點，隨著WSN技術(shù)的成熟，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。WSN是建立在無線自組網(wǎng)絡(luò)Ad-hoc的基礎(chǔ)上，通過具有感知，計算以及通信功能的無線傳感器節(jié)點，運行相關(guān)協(xié)議自組建立的無線網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過節(jié)點可以對周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)進行檢測，如：空氣的濕度，溫度，光照的強度，煙霧的濃度等數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)測，收集和計算，進而傳輸給核心節(jié)點并對所有數(shù)據(jù)進行整理分析得到具有價值的詳細信息，為城市環(huán)境監(jiān)測，消防，海洋數(shù)據(jù)監(jiān)測，搶險救災(zāi)等諸多領(lǐng)域提供了技術(shù)支持，并得到了市場的高度認可。因此成為了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的熱點研究問題，受到了諸多研究人員的關(guān)注。

在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，由于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)收到了諸多客觀環(huán)境因素的影響，隨著科技的進步，基于WSN的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，為海洋生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測提供了更有效率和保障的監(jiān)測系統(tǒng)。為人們的生活和工作以及科研提高了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。然而由于無線傳感器自己的諸多不足，例如：節(jié)點收電量約束工作時間有限，進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲生變化，同時數(shù)據(jù)發(fā)送過程中各節(jié)點之間相互影響，導(dǎo)致WSN在海洋數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包率嚴(yán)重，因此影響了WSN的性能。目前針對于WSN網(wǎng)絡(luò)的研究也主要針對于MAC層的節(jié)能，網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化為主要研究熱點。如何優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲以及節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)工作時間，一直是研究人員的熱點關(guān)注問題。

2 解決方案

針對WSN節(jié)點的全向通信方式以及節(jié)點的能耗工作時間問題，本文提出采用GG圖[3]進行拓撲控制，對WSN網(wǎng)絡(luò)拓撲進行優(yōu)化；采用定向天線通訊技術(shù)，在信號發(fā)送過程中，減小信號覆蓋范圍，掉地對通訊節(jié)點周圍的信號干擾；同時在發(fā)送數(shù)據(jù)時采用功率控制，降低信號傳輸距離，進一步減少信號的干擾范圍，進而優(yōu)化WSN整體性能。

2.1 功率控制技術(shù)

在無線電通信環(huán)境下，無線電廣播模型[4]用于表示發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)信號時的發(fā)送功率Pt和數(shù)據(jù)信號到達接收節(jié)點時的功率Pr的關(guān)系，關(guān)系表達式如下：

[Pr（d）=PtGtGrλ2（4π）2d2L] （1）

其中，Pr表示數(shù)據(jù)信號到達接收節(jié)點的接收功率；Pt表示數(shù)據(jù)在源節(jié)點發(fā)送功率；Gt，Gr表示發(fā)送增益和接收增益；λ表示波長；d表示節(jié)點之間通訊的距離；L表示系統(tǒng)的鏈路損耗。

2.2 定向天線

定向天線（Directional antenna）是指特定方向上對電磁波發(fā)射和接收特別強，在其他的方向上對電磁波發(fā)射和接收幾乎為零的天線。采用定向天線通訊可以將數(shù)據(jù)信號固定在特定的方向范圍內(nèi)，可以減少對其他方向的信號干擾，以及在特定方向上進行數(shù)據(jù)信號傳輸過程中可以增強信號強度，增加抗干擾能力，提高傳輸效率。

3 實驗?zāi)M

本實驗通過模擬實驗場地為500500的實驗場地，每個傳感器節(jié)點的信號范圍為100米，根據(jù)模擬實驗的節(jié)點通訊時對周圍節(jié)點影響程度多為評價網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)。

圖1表示：原始拓撲結(jié)構(gòu)沒有功率控制情況下，基于GG圖拓撲的功率控制情況以及GG圖拓撲中基于定向天線的功率控制技術(shù)下，一次通訊過程中每個節(jié)點對周圍節(jié)點的影響情況的對比。通過圖1可以看出基于GG圖的拓撲控制的基礎(chǔ)上，通過功率控制技術(shù)可以降低信號干擾距離，進而減小干擾范圍，降低了通訊過程中對周圍節(jié)點的影響；基于定向天線的功率控制技術(shù)是在GG圖功率控制基礎(chǔ)上采取定向天線通訊技術(shù)，在降低了信號干擾距離的同時，也減小了信號覆蓋范圍的扇區(qū)，進一步降低了通過過程中對周圍節(jié)點的影響。由此可以看出基于GG圖和定向天線的功率控制技術(shù)在WSN的拓撲控制以及信號干擾控制方面具有一定的優(yōu)化作用，實驗對比結(jié)果也驗證了該技術(shù)的可行性。下一步將繼續(xù)研究基于定向天線通訊過程中的能耗問題以及拓撲優(yōu)化問題。

參考文獻：

[1] 吳成洪.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[2] 胡致遠，王景，鄧建良，等.無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)規(guī)則拓撲結(jié)構(gòu)與容量研究[J].計算機應(yīng)用研究，2010，21（11）：4197-4221.

[3] 路綱，周明天，牛新征，等.無線網(wǎng)絡(luò)鄰近圖綜述[J].通訊技術(shù)，2010， 43（4）：201-207.

[4] 黃文東，李陶深，葛志輝.基于定向天線無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2014（2）.