基于定向天线的WSN 在海洋生态监测中的功率控制技术研究

黄文东　黄立壮　戚兆坤

摘要：为了优化基于GG图的WSN拓扑结构模型在采用全向天线通信时对周围节点带来的信号干扰问题，，提出一种基于定向天线的通信机制，降低通讯时对周围节点产生的信号干扰，同时采用功率控制技术。降低信号传输距离，进一步降低信号干扰范围。实验仿真结果验证了定向天线技术和功率控制技术有效地降低了WSN信号干扰。

关键词： WSN；定向天线；功率控制；GG图

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0217-02

现代社会，是一个信息时代的多元化社会，网络走进了人们的生活，成为了人们生活和工作必不可少的平台，随着网络技术的发展，已经从有线网络发展到多种成熟的无线网络，并进一步发展优化发展出了3G，4G网络，其中主要是通讯产业的wifi，无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Network，WSN），无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN）[2]，Ad-hoc网络等为热点，并在现实生活中为人们的生活，科研等多方面得到了广泛的应用。

1 WSN网络

WSN是近年来一个研究热点，随着WSN技术的成熟，已经在诸多领域的得到了广泛的应用和发展。WSN是建立在无线自组网络Ad-hoc的基础上，通过具有感知，计算以及通信功能的无线传感器节点，运行相关协议自组建立的无线网络。该网络通过节点可以对周围的环境数据进行检测，如：空气的湿度，温度，光照的强度，烟雾的浓度等数据进行实时的监测，收集和计算，进而传输给核心节点并对所有数据进行整理分析得到具有价值的详细信息，为城市环境监测，消防，海洋数据监测，抢险救灾等诸多领域提供了技术支持，并得到了市场的高度认可。因此成为了无线网络技术中的热点研究问题，受到了诸多研究人员的关注。

在海洋生态环境监测中，由于传统的人工监测数据收到了诸多客观环境因素的影响，随着科技的进步，基于WSN的海洋生态环境监测网络应运而生，为海洋生态环境的数据收集和监测提供了更有效率和保障的监测系统。为人们的生活和工作以及科研提高了更加准确的数据。然而由于无线传感器自己的诸多不足，例如：节点收电量约束工作时间有限，进而导致网络拓扑生变化，同时数据发送过程中各节点之间相互影响，导致WSN在海洋数据传输过程中数据丢包率严重，因此影响了WSN的性能。目前针对于WSN网络的研究也主要针对于MAC层的节能，网络层的优化为主要研究热点。如何优化无线传感器网络的拓扑以及节点能耗，延长网络工作时间，一直是研究人员的热点关注问题。

2 解决方案

针对WSN节点的全向通信方式以及节点的能耗工作时间问题，本文提出采用GG图[3]进行拓扑控制，对WSN网络拓扑进行优化；采用定向天线通讯技术，在信号发送过程中，减小信号覆盖范围，掉地对通讯节点周围的信号干扰；同时在发送数据时采用功率控制，降低信号传输距离，进一步减少信号的干扰范围，进而优化WSN整体性能。

2.1 功率控制技术

在无线电通信环境下，无线电广播模型[4]用于表示发送节点在发送数据信号时的发送功率Pt和数据信号到达接收节点时的功率Pr的关系，关系表达式如下：

[Pr（d）=PtGtGrλ2（4π）2d2L] （1）

其中，Pr表示数据信号到达接收节点的接收功率；Pt表示数据在源节点发送功率；Gt，Gr表示发送增益和接收增益；λ表示波长；d表示节点之间通讯的距离；L表示系统的链路损耗。

2.2 定向天线

定向天线（Directional antenna）是指特定方向上对电磁波发射和接收特别强，在其他的方向上对电磁波发射和接收几乎为零的天线。采用定向天线通讯可以将数据信号固定在特定的方向范围内，可以减少对其他方向的信号干扰，以及在特定方向上进行数据信号传输过程中可以增强信号强度，增加抗干扰能力，提高传输效率。

3 实验模拟

本实验通过模拟实验场地为500500的实验场地，每个传感器节点的信号范围为100米，根据模拟实验的节点通讯时对周围节点影响程度多为评价网络性能的指标。

图1表示：原始拓扑结构没有功率控制情况下，基于GG图拓扑的功率控制情况以及GG图拓扑中基于定向天线的功率控制技术下，一次通讯过程中每个节点对周围节点的影响情况的对比。通过图1可以看出基于GG图的拓扑控制的基础上，通过功率控制技术可以降低信号干扰距离，进而减小干扰范围，降低了通讯过程中对周围节点的影响；基于定向天线的功率控制技术是在GG图功率控制基础上采取定向天线通讯技术，在降低了信号干扰距离的同时，也减小了信号覆盖范围的扇区，进一步降低了通过过程中对周围节点的影响。由此可以看出基于GG图和定向天线的功率控制技术在WSN的拓扑控制以及信号干扰控制方面具有一定的优化作用，实验对比结果也验证了该技术的可行性。下一步将继续研究基于定向天线通讯过程中的能耗问题以及拓扑优化问题。

参考文献：

[1] 吴成洪.无线传感器网络拓扑控制研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[2] 胡致远，王景，邓建良，等.无线Mesh 网络规则拓扑结构与容量研究[J].计算机应用研究，2010，21（11）：4197-4221.

[3] 路纲，周明天，牛新征，等.无线网络邻近图综述[J].通讯技术，2010， 43（4）：201-207.

[4] 黄文东，李陶深，葛志辉.基于定向天线无线Mesh网络拓扑控制研究[J].计算机技术与发展，2014（2）.