《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于RSSI的WSN吞吐量自適應(yīng)優(yōu)化策略
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期
丁 凡,, 周永明
韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院電子系, 廣東 韶關(guān)512005
摘要: 基于MicaZ型節(jié)點(diǎn)參數(shù)分別建立了ARQ技術(shù)和FEC技術(shù)的吞吐量模型,分析并仿真了各參數(shù)對(duì)吞吐量的影響,得出ARQ技術(shù)的最優(yōu)數(shù)據(jù)幀長和FEC技術(shù)的最優(yōu)BCH碼,進(jìn)而提出了一種基于RSSI測距技術(shù)的吞吐量自適應(yīng)優(yōu)化策略,以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。該策略依?jù)RSSI測距技術(shù)測量節(jié)點(diǎn)間的通信距離,自適應(yīng)地為數(shù)據(jù)包選擇最優(yōu)的差錯(cuò)控制策略來提高WSN的吞吐量,。仿真結(jié)果表明,在吞吐量和動(dòng)態(tài)范圍方面,該策略整體上優(yōu)于單純的ARQ或者FEC方案,。
中圖分類號(hào): TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)04-0091-05
Adaptive throughput optimization for wireless sensor networks based on RSSI
Ding Fan, Zhou Yongming
School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering ,Shaoguan College, Shaoguan 512005, China
Abstract: The throughput model for ARQ and FEC are presented based on the MicaZ node.By analyzing the various parameters on throughput,the optimal frame length of ARQ and the optimal FEC parameters are derived.Then,an adaptive throughput optimaization strategy based on RSSI is proposed,which can adapt to the dynamic changes of network topology in WSN. In the strategy, the range measurement technology called RSSI is used to measure the communication distance between nodes,and the throughput is improved by adapting the error control strategy .The simulation results show that the performance of this scheme outperforms the individual ARQ or FEC technique in terms of throughput and dynamic range.
Key words : wireless sensor networks; RSSI; throughput; adptive

    吞吐量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),,它直接反映了WSN工作運(yùn)行的效率[1],如何提高吞吐量一直都是WSN研究的熱點(diǎn),。

 近些年來有學(xué)者在無線通信系統(tǒng)的吞吐量優(yōu)化問題上做了一些工作,。LAVERY R J首次以吞吐量為優(yōu)化目標(biāo),,針對(duì)影響吞吐量的符號(hào)速率和數(shù)據(jù)包長度這兩個(gè)參數(shù)分別作了優(yōu)化,,得到了不同條件下的最優(yōu)符號(hào)速率和數(shù)據(jù)包長[2],。隨后TAESANG Y等人提出了一種數(shù)學(xué)框架,采用符號(hào)速率,、數(shù)據(jù)包長度,、調(diào)制星座體積3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量,實(shí)現(xiàn)了MQAM調(diào)制方式下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路吞吐量的優(yōu)化[3],。其后參考文獻(xiàn)[4-6]基于參考文獻(xiàn)[2]提出了模型和假設(shè),,對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的吞吐量也作了類似的研究和優(yōu)化分析。但是參考文獻(xiàn)[2-6]的吞吐量優(yōu)化框架并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),。因?yàn)閃SN數(shù)據(jù)傳輸速率低,、計(jì)算處理能力較弱、能量受限,,所以WSN中的節(jié)點(diǎn)一般采用固定的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)發(fā)射速率,,譬如Mica2型節(jié)點(diǎn)[7]采用FSK調(diào)制,數(shù)據(jù)發(fā)射速率固定為38.4 kb/s,;MicaZ型節(jié)點(diǎn)[8]使用直接擴(kuò)頻(DSSS)和O-QPSK調(diào)制方式,,數(shù)據(jù)速率為250 kb/s。另外,,參考文獻(xiàn)[2-6]都只研究了ARQ協(xié)議下的吞吐量優(yōu)化,,而沒有考慮FEC技術(shù)的應(yīng)用,。
    參考文獻(xiàn)[9]最先對(duì)能效進(jìn)行了定義,并指出ARQ協(xié)議的重傳策略不能提高WSN的能效,。參考文獻(xiàn)[10]對(duì)ARQ和FEC的能效進(jìn)行了分析,,并首次提出在WSN中使用Chase合并 HARQ技術(shù),并通過仿真說明Chase合并HARQ技術(shù)的能效在整體上優(yōu)于ARQ和FEC方案,。然而Chase合并時(shí)軟判決信息合并,,而現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)只提供硬判決比特,目前還無法實(shí)際應(yīng)用,。參考文獻(xiàn)[11]提出了一種高能效的自適應(yīng)差錯(cuò)控制機(jī)制(AEC-RSSI);參考文獻(xiàn)[12]提出了基于RSSI測距技術(shù)的自適應(yīng)差錯(cuò)控制方案,。然而,上述文獻(xiàn)都是基于能量效率的角度,,而對(duì)于WSN中吞吐量的差錯(cuò)控制優(yōu)化的問題研究則相對(duì)較少,。
  本文在上述工作的基礎(chǔ)上,考慮到WSN實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中不同節(jié)點(diǎn)間的鏈路距離的差異,,以最大化吞吐量為目標(biāo),,提出了一種基于RSSI測距技術(shù)的自適應(yīng)吞吐量優(yōu)化策略ATO-RSSI(Aadptive Throughput Optimal base on RSSI),根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)測算節(jié)點(diǎn)間通信距離,,進(jìn)而自適應(yīng)選擇最優(yōu)的差錯(cuò)控制方案,,以使鏈路吞吐量始終保持最大化。
1 系統(tǒng)吞吐量分析
     本文的吞吐量分析是基于使用CC2420射頻模塊[13]的MicaZ型節(jié)點(diǎn)[8],。                           


2 吞吐量自適應(yīng)優(yōu)化策略
     通過上述對(duì)ARQ和FEC技術(shù)吞吐量的推導(dǎo)和分析,,為了最大化吞吐量,采用ARQ技術(shù)時(shí)可以使用最優(yōu)數(shù)據(jù)包長,,而采用FEC技術(shù)時(shí),,可以使用最優(yōu)BCH碼參數(shù)組(n、k,、t),。然而,在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,,單獨(dú)使用ARQ技術(shù)或者FEC技術(shù)具有許多局限和不足。
  首先,,對(duì)于ARQ技術(shù),,它僅靠出錯(cuò)重傳來實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。但在WSN中,,由于能量受限,,節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率低,因而容易受到無線信道環(huán)境的影響,。節(jié)點(diǎn)間通信距離越遠(yuǎn),,信道質(zhì)量越差,,數(shù)據(jù)包即使多次重傳仍可能無法正確傳輸,因此采用ARQ技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠通信距離短,這使得傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍受到限制,。
  其次,,對(duì)于FEC技術(shù),它通過增加冗余位來糾正誤碼,。當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí),,F(xiàn)EC能夠通過糾錯(cuò)來減少重傳,從而提高鏈路的吞吐量,;但是當(dāng)通信距離較近時(shí),,信道質(zhì)量較好,傳輸冗余位帶來的額外開銷使得其吞吐量低于ARQ,。
     綜合分析可知,,ARQ和FEC技術(shù)適合于不同的通信距離(信道質(zhì)量),ARQ技術(shù)在通信距離較近時(shí)能獲得較大吞吐量,,而在通信距離較遠(yuǎn)時(shí)FEC技術(shù)獲得的吞吐量更大,。因此,為了在提高可靠性的同時(shí)能在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保證吞吐量的最大化,,本文提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的不同通信距離自適應(yīng)選擇最優(yōu)化的差錯(cuò)控制技術(shù)的優(yōu)化策略(ATO-RSSI),。
2.1 吞吐量自適應(yīng)優(yōu)化機(jī)制
    本文提出的ATO-RSSI是一種適用于WSN、可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)間不同通信距離自適應(yīng)選擇ARQ或FEC的差錯(cuò)控制策略,,主要目的是在WSN中提高數(shù)據(jù)傳輸高可靠性的同時(shí)保證高的吞吐量,。
    由前文分析可知,存在一個(gè)臨界距離值d*,使得
    TARQ(d*)=TFEC(d*)                     (11)
    這里,,將d*稱為門限距離,。CC2420有一個(gè)內(nèi)置的RSSI(接收到的信號(hào)強(qiáng)度指示器),用來提供一個(gè)數(shù)字值,,該數(shù)字值可以從8位的,、有符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼RSSI.RSSI_VAL寄存器中讀得。實(shí)際測量表明,,CC2420的RSSI值與輸入信號(hào)強(qiáng)度成近似線性關(guān)系,,能夠穩(wěn)定地指示無線鏈路質(zhì)量。RSSI寄存器值RSSI.RSSI_VAL可以被用來計(jì)算RF引腳上的接收信號(hào)功率Pt,計(jì)算公式如下[13]:
    Pt=RSSI_VAL+RSSI_OFFSET [dBm]      (12)
    RSSI_OFFSET在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從前端獲得,。RSSI_OFFSET近似為-45 dBm[13],。讀出RSSI寄存器的RSSI.RSSI_VAL值,根據(jù)式(12)便可以計(jì)算出接收功率Pt,然后將Pt代入式(3)便可求得通信距離d,。
    本文所提出的ATO-RSSI優(yōu)化策略如下:
    在網(wǎng)絡(luò)布設(shè)之前,,針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)條件(主要指無線信道噪聲和節(jié)點(diǎn)間干擾),通過求解式(11)得到d*,,并寫入各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)單元中,。這部分工作可以人為地在計(jì)算機(jī)上完成,。
    在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中,傳感器節(jié)點(diǎn)利用RSSI測距技術(shù)測算節(jié)點(diǎn)間的通信距離d,然后比較d和d*:當(dāng)d≤d*時(shí),則使用最優(yōu)ARQ方案進(jìn)行差錯(cuò)控制;當(dāng)d>d*時(shí),則使用最優(yōu)FEC方案進(jìn)行差錯(cuò)控制,。其中,最優(yōu)ARQ方案和最優(yōu)FEC方案將在第3節(jié)中通過仿真給出,。在ATO-RSSI策略中,傳感器節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)門限距離d*的求解任務(wù),,因此不會(huì)額外消耗節(jié)點(diǎn)的能量和資源,。這樣,ATO-RSSI策略僅會(huì)對(duì)能量和計(jì)算能力均受限的傳感器節(jié)點(diǎn)帶來極小的額外資源開銷,。
2.2 ATO-RSSI的具體實(shí)現(xiàn)
    圖1給出了WSN中一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的ATO-RSSI體系結(jié)構(gòu),。從圖1中可以看到,ATO模塊位于數(shù)據(jù)鏈路層,。此外,,在ATO中包含了兩種子優(yōu)化模塊:最優(yōu)ARQ方案和最優(yōu)FEC方案。RSSI模塊用于測算節(jié)點(diǎn)間的通信距離,。ATO模塊根據(jù)RSSI測算出的距離來自適應(yīng)地為系統(tǒng)選擇最優(yōu)差錯(cuò)控制方案,。

     ATO-RSSI的算法偽碼如下:
  Process of ATO-RSSI( )
  { if (RSSI_distance)<d*
          ATO = Optimal_ARQ;
    else
           ATO = Optimal_FEC;
         Change(ATO); }
其中,RSSI_distance表示由RSSI模塊測算出節(jié)點(diǎn)間的通信距離,。該策略具體實(shí)現(xiàn)方法是:接收端每次接收數(shù)據(jù)時(shí), 讀出RSSI值交由RSSI模塊測算出通信距離RSSI_
distance,,然后與門限距離d*比較,ATO模塊根據(jù)比較結(jié)果選擇最優(yōu)ARQ方案或者最優(yōu)FEC方案,。當(dāng)最優(yōu)差錯(cuò)控制方案需要更改時(shí),,接收端發(fā)送請(qǐng)求消息讓發(fā)送端進(jìn)行切換。該策略結(jié)合了ARQ和FEC技術(shù)的優(yōu)勢,,在不同通信距離下都可以獲得較高的吞吐量,,具有較大的動(dòng)態(tài)范圍,而且簡單,,易于實(shí)現(xiàn),。
3 仿真結(jié)果與分析
    為了對(duì)上述理論分析進(jìn)行驗(yàn)證,采用Matlab對(duì)ARQ和FEC技術(shù)的吞吐量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), 仿真參數(shù)如表1所示[10-12]。

得到不同通信距離下相應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)包長L(d)*,,進(jìn)而得到最優(yōu)ARQ方案吞吐量曲線,。從最優(yōu)曲線可以看到,當(dāng)d>450 m時(shí),T迅速下降為0,此時(shí)即使采用最優(yōu)數(shù)據(jù)包長也提高不了吞吐量。因此,遠(yuǎn)距離通信時(shí),僅靠最優(yōu)ARQ方案并不能使吞吐量最大化,。
     圖3,、圖4在不同包長、不同糾錯(cuò)能力t的情況下,,對(duì)FEC技術(shù)的BCH碼的吞吐量分別進(jìn)行了比較。從圖3中可以看到,,當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的通信距離較近(<450 m)時(shí),,每種BCH碼的吞吐量都近似恒定,,幾乎不隨通信距離的增加而變化,并且糾錯(cuò)能力越弱(即t越小)BCH 碼吞吐量越高,,這是因?yàn)閠越小,,意味著需要額外增加的冗余位越少,因此吞吐量越高,。當(dāng)通信距離大于450 m時(shí),,各種BCH碼的吞吐量開始迅速下降直至為零,但糾錯(cuò)能力越強(qiáng)(即t越大)BCH 碼吞吐量動(dòng)態(tài)范圍越大,,這是因?yàn)榧m錯(cuò)性能越強(qiáng)t越大,,能夠支持的動(dòng)態(tài)范圍自然就大。

   從上述分析中可以看到,,評(píng)價(jià)BCH碼吞吐量性能的好壞,,應(yīng)結(jié)合吞吐量大小和動(dòng)態(tài)范圍兩方面綜合考慮。由圖3知t值取小于3較好,,t=2性能折中最優(yōu),。
 圖4中也可以得到類似圖3的結(jié)論。由圖4可知n=511,,t=2和 n=511,,t=3具有較好的折中性能。為了獲得BCH碼吞吐量最優(yōu)的參數(shù),,圖5進(jìn)一步比較了具備較好折中性能的不同BCH碼的吞吐量,。從圖5中可以看到,BCH(127,2)不論在吞吐量大小還是在動(dòng)態(tài)范圍方面均具有較好的性能,并且根據(jù)參考文獻(xiàn)[12],,BCH(127,2)碼也具有較高的能效,,因此在本文提出的ATO-RSSI策略中,選擇BCH(127,2)碼為最優(yōu)FEC技術(shù)方案,。

     當(dāng)FEC技術(shù)中的最優(yōu)糾錯(cuò)碼確定為BCH(127,2)后,,便可以得到ATO-RSSI的最優(yōu)吞吐量曲線,如圖6所示,。為了對(duì)比分析,,圖6中也同時(shí)給出了單純的最優(yōu)ARQ和最優(yōu)FEC方案的吞吐量曲線。兩條曲線在d*=407 m的位置附近相交,,當(dāng)通信距離小于d*時(shí),,最優(yōu)ARQ技術(shù)吞吐量高于最優(yōu)FEC方案;而當(dāng)通信距離大于d*時(shí),最優(yōu)FEC方案吞吐量高于最優(yōu)ARQ技術(shù),。ATO-RSSI方案就是在通信距離小于d*時(shí)使用最優(yōu)ARQ技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制,,而在通信距離大于d*時(shí)使用最優(yōu)FEC技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制。

    通過在不同通信距離上對(duì)三種吞吐量優(yōu)化方案進(jìn)行比較可以看到,ARQ和FEC方案分別在近距離和遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)局部最優(yōu),,而ATO-RSSI自適應(yīng)方案則相對(duì)穩(wěn)定,,在所有的通信距離上都能獲得相對(duì)較高的吞吐量,具有較大的動(dòng)態(tài)范圍,。因此,,ATO-RSSI自適應(yīng)方案為整體最優(yōu)的吞吐量優(yōu)化方案。
    本文從吞吐量的角度,分析了ARQ技術(shù)和FEC技術(shù)的通信距離特性,并據(jù)此提出了一種適合于WSN的基于通信距離的自適應(yīng)吞吐量優(yōu)化策略(ATO-RSSI),。ATO-RSSI策略結(jié)合了ARQ和FEC技術(shù)的優(yōu)勢,,可以根據(jù)WSN的動(dòng)態(tài)變化自適應(yīng)選擇最優(yōu)的差錯(cuò)控制方案,以便提高可靠性的同時(shí)能在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保證吞吐量的最大化,,為整體最優(yōu)的吞吐量優(yōu)化方案,。  
參考文獻(xiàn)
[1] 孫利民,李建中, 陳渝,等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2005
[2] LAVERY R J. Throughput optimization for wireless datatr ansmission[D]. M.S.thesis,Polytechnic University,June 2001.
[3] YOO T, LAVERY R, GOLDSMITH A, et al. Throughput optimization using adaptive Techniques[C]. in Draft, may 2005.
[4] FAKHRI Y, NSIRI B, ABOUTAJDIN D, et al. Throughput optimization via the packet length and transmission parameters[C]. IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 2006.
[5] Liu Jian, Sun Jian, Lv Shoutao. A novel throughput optimization approach in wireless systems[C]. IEEE ICCT2010, Nanjing, China, 2010:1374-1378.
[6] Lin Dai. Khaled ben letaief: throughput maximizationof adhoc wireless networks using adaptive cooperativediversity and truncated ARQ[J].IEEE Transactions on Co-mmunications,2008,56(11):1907-1918.
[7] Mica2 Datasheet. Crossbow Corp.[OL].Available:http://www.xbow.com.
[8] MicaZ Datasheet.Crossbow Corp.[OL].Available:http://www.xbow.com.
[9] SANKARASUBRAMANIAM Y, AKVILDIZ I F, MCLAUG-HLIN S W. Energy efficiency based packet size optimization in  wireless sensor networks[C]. First IEEE International  Workshop on Sensor Network Protocols and Applications,2003:1-8.
[10] 田真,袁東風(fēng),,梁泉泉. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制技術(shù)的能效分析[J]. 通信學(xué)報(bào),,2008,29(11):77-83.
[11] Jin Yong, Chang Jinyi, Le Deguang. A high energy efficiency link layer adaptive error control mechanism for wireless sensor networks[C]. Proceedings of the    International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering.Washington:IEEE,Computer Society,2010:1-4.
[12] 王海林,,李鳳榮,,吳明娟,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)研究[J].高技術(shù)通訊,2011,21(5):465-470.
[13] Chipcon.CC2420 Datasheet[EB/OL].[2011-07-20].http://www.chipcon.com.
[14] GOLDSMITH A. Wireless communications[D].Cambridge University Press,2005.

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