电磁干扰环境下无线传感器网络的通信性能实验研究

　　分类描述了无线传感器网络（WSN）面临的不同种类电磁干扰及其影响，并通过设置于不同干扰场景下的实验测量，量化分析了WSN在不同干扰环境下的通信性能。研究结果表明，电磁干扰会使WSN包接收延时增加，包接收率（PRR）与通信吞吐量显著降低。

　　无线传感器网络（WSN）作为物联网的关键技术之一，是当今信息领域的研究热点与前沿，应用在军事、交通、医疗、环境、家居、预警等诸多领域。但是，当前许多WSN系统的实际性能并不理想，存在生存时间短、通信不可靠、网络覆盖失败等问题，直接影响到WSN的实用价值；更多的应用场景、更密集的节点部署使得网络节点间、不同网络间的干扰问题日益突出；多跳传输下的隐藏暴露终端问题、多路径路由下的路由耦合问题、邻近节点同频干扰问题，严重影响了WSN的通信性能。

　　随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统及电磁设备因安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展的优点而得到广泛应用。而使用IEEE802.15.4协议的WSN与使用IEEE802.11等系列协议的无线系统同处于ISM的2.4 GHz频段，在实际部署环境中，当二者使用的信道频段重叠时，WSN容易受到其他异构通信系统的交叉干扰。电磁干扰会导致WSN通信吞吐量降低，重传时延增加，网络拓扑频繁变化，通信可靠性下降，部分受干扰节点因通信不可达而孤立，甚至因通信质量下降而消耗大量能量，缩短生存时间。

　　本文分类描述了WSN面临的不同种类电磁干扰及其影响，通过设置不同的干扰实验场景，实际测量了WSN在不同电磁干扰下的接收延时、包接收率和吞吐量等通信指标，定量分析了WSN在不同干扰环境下的通信性能。

　　1 相关工作与动机

　　WSN面临的电磁干扰按照干扰源可以分为同构无线干扰和异构无线干扰。

　　同构无线干扰发生在同一环境中密集部署的WSN距离相近的节点之间或多个WSN之间，当今高数据量和服务质量的应用需求使得这类干扰问题变得更加突出。首先一些基于竞争的MAC协议所采用的CSMA/CA机制增加了信息的传输延迟，隐藏终端和暴露终端问题在自组织多跳传输的WSN中始终存在［1］。其次，具有诸多性能优势的多路径路由协议，由于允许在一对源节点和目标节点间沿着多条路径进行数据传输，而节点在无线链路中发送数据时又具有全向传输的特点，因此，多路径路由会发生路由耦合的现象。即使两条不相交的传输路径也会因为路径中的某些节点距离过近而产生严重的干扰，从而降低多路径路由的传输效率。此外，在多个WSN密集部署于同一环境的应用场景中，每个WSN虽然负责不同的具体应用［2］，但却使用相同的物理层和MAC层协议，一旦隶属于不同WSN的节点距离过近，且工作于相同或相邻信道时，它们之间也会形成严重的网间干扰，传输效率会因此降低。

　　异构无线干扰发生在同一环境中多种无线通信系统及电磁设备共存的情况下［3］。2.4 GHz为各国共同的ISM频段，即工业、科学和医用频段。WLAN、WSN、Bluetooth等无线网络，均可工作在2.4 GHz频段上。IEEE 802.15.4的信道带宽为5 MHz，而IEEE 802.11b的信道带宽为22 MHz，每个IEEE 802.11b信道与4个IEEE 802.15.4信道重叠。WSN节点设备采用电池供电，传输功率为-30 ～0 dBm，而WLAN节点设备的传输功率一般在15 dBm以上。目前，WLAN的覆盖范围已经很广泛，以清华大学为例，室内室外均有大量WLAN的AP部署，容易与WSN节点近距离、同频段共存，形成异构系统间的交叉干扰。已有研究表明［4］，WLAN节点的发射功率要比WSN大一到两个数量级，一旦这两个系统的信道重叠，MSN中的节点会受到严重的异构无线干扰。

　　综上所述，量化分析WSN在不同干扰环境下的通信性能，对于提高WSN的抗干扰能力和实用价值具有重要意义。目前，对于WSN在不同电磁干扰环境下的相关特征已有一些相关研究，主要分为理论分析和实验验证两大类。理论分析类研究集中于从干扰源的频段重叠、占空比、发送功率和传输距离等特征因素出发，建立WSN的网络丢包干扰概率模型［5］。实验验证类研究则集中于在实验测量的基础上统计分析不同信道的信标接收率、链路质量评估值和环境RSSI等特征因素与不同电磁干扰的相关性［6］。以上研究大多通过WSN与电磁干扰具有相关性的特征因素来描述不同电磁干扰特征，而对于WSN在不同电磁干扰环境中的通信性能则研究较少。本文借鉴了实验验证类的研究方法，通过对接收延时、包接收率和吞吐量的实验测量，量化分析了WSN在不同电磁干扰环境下的通信性能。

　　

　　2 实验设计与测量

　　2.1 测量指标

　　本实验以接收延时、包接收率和吞吐量为通信性能的衡量指标，研究不同电磁干扰环境下的WSN通信情况。

　　接收延时是指通信发送方发出信息，到该信息被通信接收方（处于正常接收状态下）成功接收的时间间隔。如果通信发送方按照固定时间间隔发送信息，正常情况下通信接收方也应该按照相同的时间间隔接收信息。本实验中接收延时按照下式计算：

　　接收延时=当前接收时间-标准接收时间

　　包接收率是指在一个统计周期内，通信接收方成功接收的信息包数量占通信发送方发送信息包数量的比率。正常情况下，如果包接收率在90%以上，认为通信是可靠的。本实验中包接收率按照下式计算：

　　包接收率=成功接收的信息包数/发送信息包总数

　　吞吐量是指在单位时间内通信接收方成功接收通信发送方传输的平均数据量（单位为bps），一般情况下，吞吐量越大说明通信的质量越好。本实验中吞吐量按照下式计算：

　　吞吐量=成功接收的信息包数×包长度/测量时间

　　信息在网络中传输时可能遇到目的地址不对、目的节点关机、无法路由、网络拥塞、信道干扰等特殊情况，造成接收延时增大、包接收率和吞吐量显著降低。

　　2.2 实验设计

　　本文设计了3种实验场景，分别是：无明显电磁干扰实验环境、WSN同构无线干扰实验环境和WSN异构无线干扰实验环境。

　　根据测量指标，在这3个场景中分别测量了接收延时、包接收率和通信吞吐量3组实验数据。

　　实验的无线路由器采用深圳普联公司的TPLINK150M无线宽带路由器，支持IEEE802.11b/n/g协议，提供13个工作信道及最高达150 Mbps的稳定传输。WSN节点采用Chipcon公司的CC2420芯片，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4协议，用来开发工业无线传感网及家庭组网。芯片集成了RF收发器，以0.18 μm CMOS工艺制成，数据速率达250 kbps，码片速率达2 MChip/s，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。运行在WSN节点上的干扰测试程序采用TinyOS系统nesC语言编写，能够实现节点数据的收发、发送功率与工作信道的设置、接收延时、包接收率和吞吐量的测量，并将相关测量数据通过串口传送至PC。

　　具体的实验参数设置如表1所列。

　　实验场景设置示意图如图1所示。图1（a）是随机部署的多跳无线传感器网络，遍布于10 m×5 m的区域内，共20个节点，包括一对信源节点和sink节点，无线电波范围为1 m，采用CTP协议进行路由。

　　图1（b）是两个随机部署的多跳无线传感器网络，混合遍布于10 m×5 m的区域内，共30个节点，包括两对信源节点和sink节点，但部分节点密集部署，无线电波范围为1 m。其中，测试网络采用多路径协议进行路由，干扰网络采用CTP协议进行路由。

　　图1（c）是随机部署的多跳无线传感器网络，遍布于10 m×5 m的区域内，共20个节点，包括一对信源节点和sink节点，无线电波范围为1 m，采用CTP协议进行路由。在场景的中心区域通过一台无线路由器和两台笔记本电脑搭建无线局域网，两台笔记本电脑之间以200 kbps左右的稳定速率进行大文件传输，形成稳定的WLAN干扰源。实验中，两台笔记本电脑之间的距离最远达到10 m。

　　表1 实验参数设置

　　

　　

　　图1 实验场景设置示意图

　　2.3 实验结果与分析

　　2.3.1 接收延时

　　WSN发送节点以固定1 s的时间间隔发送信息，接收节点记录30个到达信息包的接收时间。实验结果如图2所示，在没有电磁干扰的环境中，信息包基本按照1 s的时间间隔顺序到达，而当各种电磁干扰存在时，到达信息包开始出现延时。其中，最后一个到达信息包的接收时间在异构无线干扰环境下的延时大于30 s，而在同构无线干扰环境下的延时大约在20 s。

　　2.3.2 包接收率

　　WSN发送节点以固定100 ms的时间间隔发送信息，接收节点在1 s的统计周期内计算包接收率。实验结果如图3所示，在没有电磁干扰的环境中，包接收率基本保持在90%以上，而当不同电磁干扰存在时，包接收率开始下降。在同构无线干扰环境下，包接收率基本保持在60%～80%，最低下降到50%。在异构无线干扰环境下，包接收率基本下降到了60%以下，最低甚至只有10%。

　　

　　图2 接收延时结果比较图

　　

　　2.3.3 通信吞吐量

　　WSN发送节点以固定5 ms的时间间隔发送信息，接收节点在1 s的统计周期内计算吞吐量。实验结果如图4所示，在没有电磁干扰的环境中，吞吐量基本保持在2 500～3 000 bps，而当不同电磁干扰存在时，吞吐量开始下降。在同构无线干扰环境下，吞吐量的平均下降幅度大约为300 bps。在异构无线干扰环境下，吞吐量基本降到了1 500～2 000 bps，平均下降幅度达到1 000 bps。

　　2.3.4 实验分析

　　通过以上实验可以得出结论，不同的电磁干扰会对通信频段上与之重叠的WSN节点产生不同程度的影响，包括接收延时增大、包接收率降低，甚至发生信道阻塞、通信性能显著下降，其中，异构无线干扰的影响较大。

　　

　　图3 包接收率结果比较图

　　

　　图4 吞吐量结果比较图

　　结语

　　本文针对无线传感器网络在电磁干扰环境下出现通信性能下降问题进行了实验研究。通过设置稳定的干扰实验场景，选择具有代表性的性能指标，测量并获得了大量实验数据，定量分析了WSN在不同电磁干扰环境下的真实通信性能。结果表明，电磁干扰会增加包接收延时，且包接收率与通信吞吐量也会显著降低。