吞吐量是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，它直接反映了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作運(yùn)行的效率[1]。然而目前多數(shù)的研究局限于所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是靜止的情況，不能滿足某些需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，比如監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的生活時(shí)，節(jié)點(diǎn)總是處于不斷的運(yùn)動(dòng)中。因此有必要對(duì)移動(dòng)性傳感器網(wǎng)絡(luò)（Mobile WSN）的吞吐量進(jìn)行研究。

    LAVERY R J[2]首次建立了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路模型，明確了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路模型吞吐量的數(shù)學(xué)定義式。隨后YOO T等人[3]提出了一種數(shù)學(xué)框架，采用符號(hào)速率、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、調(diào)制星座體積三個(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。參考文獻(xiàn)[4]基于參考文獻(xiàn)[2]提出的模型和假設(shè)，對(duì)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)[2-4]在對(duì)吞吐量?jī)?yōu)化分析模型中，接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)是靜止的，沒(méi)有考慮移動(dòng)情景下吞吐量與節(jié)點(diǎn)之間通信距離的關(guān)系。
    針對(duì)上述問(wèn)題，本文將針對(duì)MWSN中如何最大化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路吞吐量這一問(wèn)題展開(kāi)研究。為了最大化吞吐量,本文不僅考慮了物理層的符號(hào)速率和調(diào)制星座體積,而且考慮了MAC層的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，通過(guò)物理層和MAC層參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，保證了在不同通信距離下鏈路的吞吐量能夠達(dá)到最優(yōu)。
1 系統(tǒng)模型和假設(shè)
    為了簡(jiǎn)化分析，本文只考慮WSN中兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路。假定節(jié)點(diǎn)發(fā)送的單個(gè)數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)為K＋Ｃ＝L(bit)，其中K為有用信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，Ｃ為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。同時(shí)假設(shè)CRC校驗(yàn)?zāi)懿槌鏊绣e(cuò)誤，且忽略應(yīng)答信號(hào)(ACK/NACK)對(duì)吞吐量的影響。因此對(duì)于一個(gè)基于上述模型和假設(shè)條件的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸鏈路，其吞吐量通式為：



的增大而增大。另外，當(dāng)L>>C時(shí),T≈bRs,即T的上限值為bRs。以上兩點(diǎn)結(jié)論均可從圖1中得到很好的驗(yàn)證。
    求解式(13)可得到不同通信距離下相應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)L(d)*，進(jìn)而得到吞吐量的最優(yōu)曲線如圖1所示。從最優(yōu)曲線可以看到,當(dāng)d>110 m時(shí),T≈0,此時(shí)即使采用最優(yōu)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)也提高不了吞吐量。因此,遠(yuǎn)距離通信時(shí),僅靠MAC優(yōu)化并不能使吞吐量最大化。
3.2 物理層參數(shù)優(yōu)化仿真
    圖2給出了不同符號(hào)速率下吞吐量與d的關(guān)系曲線?？梢钥闯?當(dāng)d發(fā)生變化時(shí), 必須進(jìn)行速率調(diào)整才可能得到最優(yōu)吞吐量。為此,根據(jù)式(8)可求解得到當(dāng)L=100、b=2時(shí),rs*=9.07 dB。當(dāng)d發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)式(10)來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率Rs,確保rs=rs*,以保證得到最優(yōu)吞吐量。據(jù)此得到的最優(yōu)吞吐量曲線亦顯示在圖2中。

3.3 跨層優(yōu)化仿真及自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略
　為了使鏈路在不同的通信范圍內(nèi)都能有較高的吞吐量，必須進(jìn)行跨層優(yōu)化。 跨層優(yōu)化后的最優(yōu)吞吐量曲線如圖4所示,同時(shí)給出了兩種次優(yōu)吞吐量曲線，以便進(jìn)行對(duì)比分析。從圖中可以看到,兩條次優(yōu)吞吐量曲線分別在短距離通信(d<110 m)和遠(yuǎn)距離通信(d>110 m)范圍內(nèi)與最優(yōu)吞吐量曲線取得一致?？梢愿鶕?jù)終端節(jié)點(diǎn)離發(fā)射節(jié)點(diǎn)的不同位置，近似認(rèn)為終端節(jié)點(diǎn)處于近距離區(qū)或遠(yuǎn)距離區(qū)。在此劃分下,為了保證鏈路的最優(yōu)吞吐量，可采取如下自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略：

    (1)近距離區(qū)(d<110 m)：在此區(qū)域內(nèi)信道條件相對(duì)較好，可以采用高階調(diào)制方式并聯(lián)合最優(yōu)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)，可使吞吐量達(dá)到最優(yōu)。最優(yōu)參數(shù)對(duì)(b*、L*)可以通過(guò)聯(lián)立求解式(11)、式(13)得到。
    (2)遠(yuǎn)距離區(qū)(d>110 m)：在此區(qū)域內(nèi)信道條件急劇惡化,此時(shí)應(yīng)以盡量降低Pe為主。由式(9)知，為了盡可能降低Pe,應(yīng)該采用BPSK,即b=1；同時(shí)調(diào)節(jié)符號(hào)速率Rs以使rs=rs*。由式(13)可求解得到在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)采用的最優(yōu)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)L(d)*=L(b=1,rs*)。
　通過(guò)上述自適應(yīng)策略配置相應(yīng)的參數(shù)組(b、L、Rs),可以保證接收機(jī)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中其鏈路吞吐量達(dá)到最優(yōu)值。
    本文采用跨層優(yōu)化分析的方法，針對(duì)移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的吞吐量問(wèn)題作了優(yōu)化分析。通過(guò)選擇優(yōu)化后的物理層參數(shù)符號(hào)速率Rs并調(diào)制星座體積b和MAC層參數(shù)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度L,可以優(yōu)化鏈路吞吐量。最后提出了一種自適應(yīng)跨層調(diào)節(jié)的優(yōu)化策略，根據(jù)該策略自適應(yīng)調(diào)節(jié)物理層和MAC層參數(shù),保證了在不同通信距離下鏈路的吞吐量始終保持最大化。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)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 data  transmission. M.S. thesis,Polytechnic University,June 2001.
[3] YOO T, LAVERY R, GOLDSMITH A,et al. Throughput  optimization using adaptive techniques.[2012-01-02].http://systems.stanford.edu/Publications/Taesang/Commletters_2005_draft.pdf.
[4] Liu Jian, Sun Jian, Lv Shoutao. A novel throughput optimization approach in wireless systems[C]. IEEE ICCT2010, Nanjing, China, 2010:1374-1378.
[5] 柯欣,孫利民.多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析[J].通信學(xué)報(bào)，2009,28(9):78-84.
[6] CUI S, GOLDSMITH A, BAHAI A. Energy-constrained  modulation optimization[J].IEEE Trans.on Wireless Communications,2005，4(5):2349-2360.