无线传感器网络的功率控制

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注：西南科技大学引进人才启动基金（编号：ＺＫ０４３１００）国防基础科研项目（编号：Ａ３１２００６１　１５５）　摘要：功率控制是在通信的过程中对发射机发射信号的功率大小进行实时监督和调整，使它满足一定网　络连通性要求的技术。无线传感器网络是一种能■受限型网络，功率控制技术正是降低其能量消耗的一　种重要手段。无线传感器网络的功率控制是一个跨层设计的问题，目匍的研究主要集中在网络层和数据　链路层。功率控制会对网络的能量消耗、网络的连接度以及信道容量等产生决定性的影响。　关键词：无线传感器网络；功率控制；跨层协议没计；无线通信　中圈分类号：ＴＮ９１　９文献标识码：Ａ　文章编号：１∞６—８８３Ｘ（２００７）０１一ｏ０３４一Ｏ４　张大踪杨涛魏东梅　一、引言　无线传感器网络是一种资源受限型网络『ｌＩ２】，节点能量有限并且共享传播媒介。这要求在满足通信要求　的前提下尽量减少无线节点的能量消耗，又需要各个节点使用最合适的发射功率来减轻信号之间的干扰。如　何降低传感器网络的能量消耗成为该领域的核心问题。在提高电池容量的技术没有取得突破性进展前，减少　节点的能量消耗是一个现实可行的途径。另一方面，即使电池容量足够大，也应该采取措施来减少节点间的　干扰，增加吞吐量。这就对有效的功率控制策略提出了迫切的要求。在网络中，不同的功率分配策略会导致　不同的网络拓扑，影响网络的连通性。　二、功率控制问题　Ｉ、功率控制的作用　在不同的通信系统中，由于系统的应用目的不同，功率控制技术【　所起的作用也不尽相同。在最早出现　的无线分组网中，节点一般都是采用专用线路进行电力供应，不存在能量受限方面的问题，此时如何提高无　线分组网的网络容量、尽量减小各节点之间的干扰是需要考虑的主要问题，功率控制主要是用来调整发送距　离。随后出现的蜂窝移动通信系统与无线分组网明显不同，各种蜂窝移动通信系统都有固定的基站，基站的　处理能力大大高于系统中的移动节点，并且有充足的能量供应，移动节点则是由电池供电，处理能力也较弱，　基站与移动节点之间的不对称性是蜂窝移动通信系统中的一个重要特征。由于用户数目多，如何减小各用户　之间的干扰以提高网络容量，成为该系统功率控制的主要目标。无线传感器网络的功率控制则是在不牺牲系　统性能的前提下，尽可能地降低节点的发射功率，从而降低节点的能耗，提高网络的生存时间和系统的能量　效率。有效的功率控制镱略可以减少网络中节点不必要的能量消耗，延长网络的生存周期。　２、功率控制的理论依据　；　为了进行功率控制，Ｔｉ￣２Ｔ前提条件：　（１）一个节点可以选择用多大功率来发Ｊｋ：￣ｔ，这要由物理层　来提供支持。　（２）在接收到一个分组后，物理层可以向信道接入层报告该分组是以多大的功率被接收的。　当一个源节点向一个目的节点发送一个分组时，有如　下公式：　；

　维普资讯 http://www.cqvip.com ＝　【　）ＧｆＧ，　）　其中，｜Ｐ厂发射机发送分组时传递给发射天线的功率；　Ｐ　一分组到达接收机输入端的功率：　卜载波波长；　源节点和目的节点间的距离；　ｎ一路径衰减系数。根据空间环境的不同可在２～６之　间变化，典型值为２；　Ｇ广发射机天线增益；　Ｇ厂一接收机天线增益。　通常情况下，　、Ｇｌ和Ｇ，为常量。虽然自组织网中的各　节点都是移动的，但在发送一个分组这一段非常短的时间　内，可将ｄ和ｒｉ看作常量，这在实际应用中是合理的。　由公式（１）可知，Ｐ　，发射功率Ｐ需要随传输距离的　幂级数倍增长，才能被正确接收。这样，会使某些比较繁　忙的节点能源消耗过快，甚至造成网络分割，相互之间无　法通信。　三、ＷＳＮ的功率控制技术　传感器网络的功率控制涉及无线网络协议栈的各个层　次。节点通过动态调整其发射功率，在保证网络拓扑结构　不变、双向连通【４】或者多连通的前提下，使网络中节点的能　量消耗最小，延长整个网络的生存时间。　当前ＷＳＮ的功率控制技术研究主要集中在网络层和链　路层。网络层的功率控制关心的问题是如何通过改变发射　功率来动态调整网络的拓扑结构和路由，使全网的性能达　到最优。链路层的功率控制主要通过ＭＡＣ协议来完成，根　据每个报文的下一跳节点的距离、信道状况等条件来动态　调整发射功率。相对于网络层的功率控制，链路层功率控　制的调整是经常性的，每发送一个数据报文都可能要进行　功率控制；而网络层的功率控制则是在较长的时间内才进　行一次，调整频率较低。也可以将这两种功率控制机制结　合起来，用网络层的功率控制来调整网络拓扑结构和路由，　而在发送报文时根据目的节点的远近调整发送所用的功　率。　１、网络层的功率控制　网络层功率控制根据网络层获得的拓扑信息进行相应　操作，主要有两个方面的问题：一是在特定的网络中如何　使用最小发送功率来构成全连通网络：二是如何调整节点　发射功率以提高网络性能。　网络中的节点到底应该用多大功率来发送是一个比较　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ　复杂的问题。因为发送功率大，通信距离远，报文平均转　发的次数就少，但这样会使信道的空间复用度降低，使每　个节点的有效带宽减小；而减小发射功率，能提高信道的　空间复用度，增大节点的有效带宽，但报文的平均转发次　数要增多；必须在发送功率、报文平均转发次数与信道空　间复用度之间进行折衷。对于节点静止的无线网络。理论　分析得出最佳邻居节点个数为６【５】时，网络性能最好。而对　于ＷＳＮ，当节点移动性增加时，应适当提高发射功率以增　大邻居节点数目，因为这样能减少链路中断的次数，同一　路由能维持更长的时间，所以能更好地提高网络性能。研　究认为　不存在一个适用于所有移动速率的晟佳邻居数。　较为可行的方法是采用分布式启发算法来动态调整节　点的发射功率。其基本思想是：当网络拓扑发生变化时，　节点利用路由协议获得的邻居节点信息或网络的拓扑信息　动态调整发射功率，最终使节点以最小的发射功率来构成　一个金连通网络。　一种较简单的方法是，节点通过调整自己的发射功率，　使邻居节点数尽量保持恒定。当邻居节点数高于或低于某　一门限值，节点就减小或增大自己的发射功率，调整后的　发射功率由当前发射功率以及当前邻居数与期望邻居数的　差值来决定。当前邻居数与期望邻居数之间的差距越大，　功率调整的幅度就越大　如果邻居节点数处于两个门限值　之间则不必调整。这种方法虽然简单，但它没有利用网络　连通性信息，在某些情况下不能避免网络分裂情况的发生。　比如当网络节点分成两组。每组向不同方向移动时，就可　能出现这种情况。　另一种方法是节点依据自身运行的链路状态类型路由　协议中获得的网络拓扑信息来采取相应操作。最初所有节　点都以最大功率发送，并将网络拓扑记录在数据库中。之　后，可按前面提到的方法增加或减小节点的发射功率。当　新的路由信息到达时，如果获得的拓扑信息表明网络已经　分裂，则节点可改为以最大功率发送。如果新的拓扑信息　表明网络中存在单向连通链路，节点应增加自己的发射功　率，使其变为双向链路，以修复此单向链路　２、链路层的功率控制　链路层进行功率控制的目的是在给定最大发送功率的　条件下，尽量提高信道的空间复用度。在ＩＥＥＥ　８０２．１１中，　控制数据包和信息数据包均采用最大功率传输，虽然最大　限度地保障了网络的连接可靠性，但是造成了不必要的功　：　率浪费和干扰。ｗｓＮ往往使用控制数据包与信息数据包分　离的策略，使用最大功率来发送控制数据包，使用最小必　ｊ　｛　｛　。　怒　慧　

奄　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ　与系统　在ＭＡＣ层上的功率控制要解决在共享信道下如何保证　用户的ＳＩＮＲ。在有集中控制算法的网络中，当节点请求接　入网络，若这个节点的接入仍能保障其它正在通信节点的　最低　要求，则这个节点就被允许接入网络，否则被拒　绝；在使用分布式算法的网络中，节点在接入网络时逐级　提高发射功率，在接入过程中若降低了其它节点的ＳＩＮＲ，　其它节点将增大发射功率，则新节点接入失败；若在接入　过程中其它节点仍能正常通信，则接入成功。保证ＳＩＮＲ的　另外一个是冲突避免机制。当一个节点在进行传输前，通　过计算当前的ＳＩＮＲ需求后对潜在干扰节点广播一个冲突避　免消息，这样其它节点将根据冲突避免消息来调整自身的　发射功率上限，从而实现功率控制。在使用冲突避免机制　后，允许节点在将来的传输中，只要对正在进行的传输不　构成冲突，便可进行数据传输。　ＷＳＮ的功率控制不单是网络层或ＭＡＣ层的问题，往往　需要涉及物理层、ＭＡＣ层和网络层等，是属于一个跨层设　计的问题［８】。如功率的调节影响信号是否可以正确传输，从　而影响到物理层和ＭＡＣ层；节点采用过大的功率有可能会　阻塞信息的传输，而拥塞控制是传输层的任务。这里仅对　主要的两种功率控制机制进行分析。　四、功率控制对网络性能产生的影响　功率控制对网络性能的影响最为直接的体现是在网络　的总体能量消耗、网络的连接度以及信道容量等方面。　１、功率控制对能量消耗的影响　首先是减少了发射端的能量消耗。假设发射节点与接　收节点之间的距离符合均匀分布，则可以很容易地推导出　使用功率控制时的平均消耗能量是没有功率控制时的　ｌ／（ａ＋１），Ｏｆ为路径损耗指数（０　２—６）。使用功率控制机制不　仅节省了发射节点的能量，而且节省了不相关接收节点（即　不是目的节点）的能量，因为缩小的发射距离会相应减少　“偷听”到该数据包的不相关节点的数量，因此网络中与　该数据包相关的能量消耗也相应减小了。　２、功率控制对网络连接的影响　功率控制的目的是让网络中的节点使用尽可能低的发　射功率进行通信，这势必降低节点的覆盖范围，减少节点　的邻居节点数量。关于功率控制对网络连接度的影响，　Ｂ．Ｋｒｉｓｈｎａｍａｃｈａｒｉ等人作了大量相关的分析ｆ９】，相关结果见　图ｌ。

　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ　从图１中可以看出，随着　通信半径的变化，网络的连　接度可分为三个阶段：第一　阶段为非连接阶段，第二阶　段为连接度跳变阶段，第三　阶段为连接阶段。第一阶段　中，由于节点的通信半径太　小，造成其相应邻居节点很　少甚至没有，这时网络基本　上处于非连接状态；第二阶　段中，随着通信半径的增加，　网络的连接度迅速增加并很　快达到１００％，网络中任意节　点具有七个邻居节点（根据不　同网络节点密度，ｋ的取值有　所不同）的可能性也在短期　内达到１００％；第三阶段中随　着通信半径的增加，虽然连　接度保持不变，但网络结构　呈现非常强的网状网特性。　网络连接度的变化与网络的　节点密度相关，对于不同的　节点密度，连接度的三个阶　段分布也不同，体现在随着　节点密度的增加，网络连接　度曲线　轴（节点通信半径　大小）向坐标原点压缩，也　就是第一、二阶段的持续区　间变小，第三阶段持续区间　增大，网络能在较小的通信　半径下实现网络的全连接。　根据不同网络节点分布特性进行相应的功率控制，不但对　网络的连接度没有影响，而且还能节约较多的发射功率。　３、功率控制对网络容量的影响　功率控制对网络容量的影响见图２，可以直观地理解：　当进行了功率控制时，数据传输路径中的节点对其邻居节　点的影响相对较小，也就是受传输节点干扰到的邻居节点　数量较少，网络中允许进行更多的并发数据传输，这显然　有助于提高网络的吞吐量。在使用了功率控制的情况下，　网络容量得到提高，但需要指出一点的是，当功率控制级　数超过三级后，网络容量的提高相当有　】。　…　ｕｕ　…　—　’　１　…　～…　…　－　｛＾　－—　１　＾＾　Ｐ’　；　１　五、结语　ｉ　｛　功率控制技术在无线传感器网　｝　ｉ　络中的应用是一个新的研究领域。协　ｌ　议的简单性、实用性及相关硬件技术　｝　Ｚ　的发展将决定今后功率控制协议的　研究方向。无线传感器网络从某种意　义上可以被当作一种特殊的Ａｄ　ｈｏｃ　网络，可以借鉴Ａｄ　ｈｏｃ网络功率控制　的一些成果，但是必须考虑到两者系　统设计目标的不同。功率控制有助于　提高系统的性能，但是引入功率控制　会增加系统的复杂度，从而要求硬件　必须具有较高的处理能力。功率控制　技术只有在不牺牲系统性能的前提　下降低其实现的复杂度和硬软件技　术的进一步提高，才能被真正应用于　实际中　参考文献：　【ｌ】朱江，李少谦．无线传感器网络功率控　制技术【Ｊ】．中兴通讯技术．２００５，　ｌ　１（４）：４７－５０　【２１Ａ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ　ａｎｄ　Ｓ．Ｂ．Ｗｉｃｋｅｒ．　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｆｏｒ　Ｅｎｅｒｇｙ－Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　Ａｄ　ｈｏｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２００２，９（８）：８－２６．　【３］Ｓｈａｈ　Ｌｉｎ，Ｊｉｎｇｂｉｎ　Ｚｈａｎｇ，Ｇａｎｇ　Ｚｈｏｕ，ｅｔ　ａ１．ＡＴＰＣ：Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　【Ａ】．ＳｅｎＳｙｓ’０６［Ｃ］，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１－３，２００６，　Ｂｏｕｌｄｅｒ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ，ＵＳＡ．Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ　２００６　ＡＣＭ．　【４ｉｖ．Ｋａｗａｄｉａ　ａｎｄ　Ｐ．Ｒ．Ｋｕｍａｒ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｆｏｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ】．　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｎ　Ｓｅｌｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａｓ　ｉｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２００５，２３（１）：　７６　８８．　【５】郑少仁，王海涛，赵志峰等．Ａｄ　Ｈｏｃ［￣络技术ｆＭ】．北京：人民邮电　出版社，２００５．１　【６】黎宁，郑少仁．Ａｄ　ＨｏｃＭ￣的功率控制和节能技术【Ｊ】．中国数　据通信，２００３，５（３），１０２－１０６．　【７】Ｍ・Ｉ　．ＩｌＩｌｚ，Ａ・Ｍｕｑａｔｔａｓｈ　ａＩｌｄ　Ｌｅｅ　Ｓｕｎｇ‘Ｊｕ・ＴｒａＩｌｓｍｉ　ｓｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　ｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｃ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ，Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｏｐｅｎ　Ｉｓｓｕｅｓ【Ｊ】－ＩＥＥＥ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，２００４，　（９／１ｏ）：。－　４・　ｉ　｛　（下转４ｌ页）　｛　露躲｜＿ｌ