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无线传感器网络空间复用问题研究


□ 孙佩刚 陈 燕 赵 海 苏威积 张希元 周 建 吴景坡

  摘要:分析了无线传感器网络空间复用问题产生的因素,发现无论采用何种随机接入方式,物理因素(节点个数、节点密度)和几何因素(发射半径、面积比)等对无线传感器网络空间复用性的影响均呈现出特定的变化规律。通过定义空间复用率,定量地刻画了空间复用性,通过分析实验所采集的大量数据并借助于曲线族拟合法,得出了空间复用率、节点数、面积比三者之间满足由曲面方程所确定的数学模型。研究方法具有一般性,研究结论可以为无线传感器网络的节点布置及拓扑控制等提供理论上的指导。
  关键词:无线传感器网络; 多址接入; 拟合优度; 空间复用率; 曲线族拟合法
  中图分类号:TP393.17文献标志码:A
  文章编号:1001-3695(2008)04-1164-03
  
  0引言
  
  无线传感器网络是一种由大量传感器节点以自组网络方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息,并对这些数据进行处理后传送给所需用户[1,2]。由于要在有限的区域内布撒大量节点,每个节点都有着特定的网络传输半径,共享有限的无线信道。如何有效地解决空间复用问题便成为了传感器网络所面临的一项重要课题[3,4]。
  现有解决信道复用的方法有多种,典型的多址接入诸如频分复用(FDMA)、时分复用(TDMA)、码分复用(CDMA)等,但这些方法均为固定的分配方式,需由中心控制系统加以分配[5,6]。由于WSNs没有预定中心基础设施,上述传统的方法并不适用于WSNs。利用随机接入方式如ALHOHA、CSMA/CA机制[7]等,当节点密集或网络拓扑动态变化时,冲突仍不可避免,信道利用率很低。
  尽管造成WSNs空间复用问题的原因有多种,但节点数、面积比等因素对不同网络场景、不同网络应用下的空间复用率的影响是相同的。本文重点讨论节点数、面积比对无线传感器网络空间复用性的影响,通过构建模拟WSNs的网络运行环境,采用曲线族拟合法[8]对实验数据进行分析,得出WSNs的一个空间复用模型,从而为无线传感器网络的应用布点及拓扑控制提供理论依据。
  
  1影响空间复用的物理及几何因素
  
  造成无线传感器网络空间复用性不同的原因有多种,从网络通信协议方面考虑,物理层、链路层、路由层
  都有可能造成传感器网络空间复用性的差异,节点的物理及几何特性也会对其产生影响。去除特殊性,本文重点研究物理及几何因素对空间复用性产生的影响。
  在WSNs中,节点的传输距离决定了该节点的邻居节点个数和网络的连通性,也最终决定了网络的拓扑结构。同时,节点的通信覆盖范围大小将影响无线信道资源的空间复用性:节点通信半径覆盖范围大,空间复用性差;节点通信半径覆盖范围小,空间复用性好。无线资源空间复用性的优劣影响网络的吞吐量。图1描述了一个节点的传输范围。 ......
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