（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络功率控制技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是由大量具有感知、数据处理和通信能力的微型传感器， 通过自组织形式构成的网络。通过节点间的分工协作，无线传感器网络可以实 时监测、感知和传输网络分布区域内的各种环境或监测对象信息，极大地提高 了传感器的监测面积和性能，被广泛地应用于国防、环境、医疗、救灾等各领 域。 传感器节点由电池供电，而节点通常部署在难以更换电池的地区，因此， 能量就成为传感器网络中一个非常关键的资源。在传感器节点的能量消费中， 无线传输的能耗占了其中的绝大部分。因此如何进行传感器网络的传输功率控 制，以低的能耗保证网络数据传输性能就成为了传感器网络中的关键问题。 本文结合无线传感器网络发展的动态，从能量效率的角度出发，对无线传 感器网络功率控制技术进行了深入研究。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 结合当前无线传感器网络功率控制的研究现状，整体上分析比较了无 线传感器网络各层次的功率控制特点及性能优劣。 ( 2 ) 着眼于m a c 层功率控制，研究比较了两大类的m a c 协议：基于竞 争的m a c 层协议和基于调度的m a c 协议。立足于s m a c 协议的节能机制的分 析研究，指出了s m a c 协议中固定睡眠时间的调度机制的不足之处，并提出了 网络负载自适应占空比的改进。 ( 3 ) 为了避免接入信道时高发的竞争，结合自适应功率控制思想，提出了 一种综合了基于调度的m a c 机制和自适应发送功率控制算法的增强型心 协议( a d t p c l m a c ) 。a d t p c l m a c 基于调度的t d m a ，将帧分割成时间槽， 节点只在自己的槽位上通信。同时，通过自适应的功率控制，网络中的节点以 最佳发送功率发送数据。利用n s 2 仿真工具对该协议和基于c s m a 的m a c 协 议仿真对比证明该协议大大的减少了能量消耗。 关键词：无线传感器网络，功率控制，c s m a ，a d t p c l m a c a b s t r a c t w s n s ( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ) ，w h i c h c a r l o r g a n i z ea u t o n o m o u s l y , i s c o m p o s e db yt h ew i r e l e s ss e n s o r sw i t ht h ea b i l i t yo fs e n s i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i n g w s n sc a nm o n i t o rt h et a r g e t sa n dc o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no f e n v i r o n m e n tt h r o u g ht h ec o o p e r a t i o no fl a r g ea m o u n to fs e n s o r s s oi t i sw i d e l yu s e d i nm i l i t a r ys e n s i n g ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，e v e ns u r v e i l l a n c e ，e t c - 硼1 es e n s o rn o d e s ，o f t e nb a t t e r y p o w e r e d ，a r eu s u a l l yd e p l o y e di nh a r s ha r e a s w h e r ei ti sd i f f i c u l tt or e p l a c et h eb a t t e r y c o n s e q u e n t l y , i tl e a d se n e r g yt ob e ac r i t i c a l r e s o u r c ei nw r i e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc a u s e db yw i r e l e s s t r a n s m is s i o ni s t l l em a i ns o u r c eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n h e n c e ，h o wt oc o n t r o lt h e p o w e ro ft h er a d i od u r i n gt r a n s m i s s i o nt os a t i s f yd a t at r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t 册伪 l o we n e r g yc o n s u m p t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l e mi nw s n s c o m b i n i n gw i t ht h ed y n a m i cd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，t h i s p a p e rt a k e so v e ra ni n - d e p t hs t u d yu p o np o w e r c o n t r o lt e c h n o l o g yf o rw s n s ，f r o m t h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g ye f f i c i e n c y t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ra r ea st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) c o m b i n i n gw i t ht h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so v e rp o w e r c o n t r o li nw s n s ，t h i s p a p e ra n a l y z e st h ep o w e rc o n t r o l f e a t u r e so fa l lt h en e t w o r kl e v e l si nw s n sa n dg i v e s t h ec o m p a r i s o n s ( 2 ) f o c u s i n go nm a cl a y e rp o w e rc o n t r o l ，t h i sp a p e rg i v e st h ea n a l y s i so ft h e t w ok i n dm a cp r o t o c o l ：c o n t e n t i o n - b a s e dm a cp r o t o c o la n ds c h e d u l e - b a s e dm a c p r o t o c 0 1 b e g i n n i n gw i t h t h ea n a l y s i so fe n e r g y s a v i n gm e c h a n i s mi ns m a c ，t h e p a p e rp o h a t so u tt h ed e f i c i e n c i e so ft h e 做e ds l e e p i n g t i m em e c h a n i s mo fs m a c ， a n dp r o p o s e sa na d a p t i v ed u t yc y c l ew i t ht h et r a f f i cl o a dt oi m p r o v e n e t w o r ks e r v i c e s ( 3 ) t oa v o i dt h eh i g hi n c i d e n c eo fc o n t e n t i o nw h e n s e n s o rn o d e st r yt oa c c e s st o t h ec h a n n e l ，t h i sp a p e rp r o p o s e sas c h e d u l e - b a s e de n h a n c e dm e d i u ma c c e s sc o n t r o l p r o t o c 0 1w i t ha d a p t i v et r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o l ，c o m b i n e dw i t ht h e a d a p t i v e t l 椰m i s s i o np o w e rc o n t r o la l g o r i t h m t h em e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li sb a s e d i i 堕鎏里三奎兰堡主兰垡笙壅 一 _ _ 一一 u p o nt d m a t i m ei sd i v i d e di n t ot i m es l o t st i m es l o t s ，w h i c h n o d e sc a nu s et o 纽叽s f e rd a t aw i t h o u th a v i n gt oc o n t e n tf o r t l l em e d i u mo rh a v i n gt od e a lw i t he n e r g y w a s t i n gc o l l i s i o n s o ft r a n s m i s s i o n s a tt h es a m et i m e ，t h r o u g h t h ea d a p t i v e n a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h en o d e si nw s n s t r a n s m i t st h ep a c k e tw i t h o p t i m a le n e r g yc o n s u m p t i o n t h es i m u l a t i o n u n d e rn s 2g i v e st h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h ep r o p o s e dp r o t o c o la n dt h ec s m a b a s e dm a c p r o t o c o l ，a n dt h er e s u l t p r o v e st h a tt h ep r o p o s e dp r o t o c o li nt h i sp a p e r c a i ls a v ee n e r g yd r a s t i c a l l y k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，p o w e rc o n t r o l ，c s m a ，a d t p c - l m a c i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特曼i t l j j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：尊啦啤日期：盔绁丝 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雠) 和忏湓疹沙州y 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年，随着m e m s ( 微机系统技术) 和低功耗高集成度电子设备的发展，引 起了低成本、低功耗、微小体积传感器节点的出现【l 】。这些的微节点由传感部件， 数据处理单元，通信模块和电源模块构成，可以完成数据采集、环境信号检测 和信息收发的任务。随着无线传感器通信技术的发展，通信界提出了无线传感 器网络技术，并因为无线传感器网络在全球各领域的广泛应用而引起人们越来 越多的高度重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线媒质连接构成 的无线网络结构，它采用a dh o c 方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点 的协同配合来采集、收发和处理该网络覆盖区域中的目标信息。 无线传感器网络当前在国内外备受人们关注的、由多个学科高度交叉融合 的新兴前沿高科技研究热点领域【2 】。融合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现 代高科技网络及无线通信相关技术、分布式数据和信息处理技术等的无线传感 器网络，可以经过各种高度集成的微传感器互相合作地实时检测、感觉和采集 各种环境或者受监控对象的信息，并通过嵌入式计算机系统对数据执行处理， 可以协作地进行实时监测、感觉和采集目标监测对象或环境信息并加以处理， 传送到需要此类信息的终端用户，或者经过随机、自组织式无线网络以多跳中 继的方式将所感觉到的信息发送给用户终端。从而真实性的做到“无处不在的计 算”理念，因此无线传感器通信网络被认为是在二十一世纪里对社会经济的方方 面面产生非凡影响力的技术之一。无线传感器网络具有如下优点：可靠性好、 精确性高、灵敏度高以及智能化水平强。由于其显著优点，无线传感器网络在 环境、国防、生态、医疗、抢险、救灾等许多领域得到了广泛的运用。 w s n s 的非凡价值引起了工业界和学术界的浓厚兴趣，并给予了高度的关 注。在预测未来技术发展的报告中，无线传感器网络被2 0 0 3 年m i t 的技术评 论列为改变世界的十大新技术之一。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了 传感器网络的研究计划，投资了3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论研究【3 】。美国 的国防部也在无线传感器网络上投上了重视的目光，开展了相关军用传感器网 络研究项目，如闻名的美届国防部s e n s l t 计划。美国m i t ，b e r k e l y ，c o m e l l ， 武汉理工大学硕士学位论文 南加州大学以及i n t e l ，m i c r o s o t t ，c r o s s b o w ，唧，欧姆龙等大公司均大规 模的投入大量智力，财力用于研究开发传感器网络相关的技术和产品。国家自 然科学基金在2 4 0 0 年就将无线传感器网络指定为重要研究项目，并于2 0 0 5 、 2 0 0 6 逐年加大了对无线传感器网络中基本理论和关键技术的研究投入。国内的 清华大学，中科院等知名的科研机构也在部署并开展相关研究工作，取得了一 些进展。 1 2 无线传感器器网络的特点 1 、网络拓扑结构具有随机性 在无线传感器网络的实际应用中，往往需要布置数以千计、万计的节点， 这些节点用以完成实际的检测任务。然而，节点所处的实际环境有可能充满着 危险，比如在战场上以及其他条件及其恶劣的环境里，因此传感用的智能节点 被大量地安装在子弹等军事类设备上，由大炮、枪械发射，或通过飞机朝着欲 布置地域喷洒，形成所需的目标监视网络。因为才用的是随机布置方式，形成 的网络拓扑结构一定是随机不稳定的【4 ，卯。 2 、网络能量受限 因为无线传感器网络应用的特殊性，传感器节点都采用电池供电。电池的 能量有限，而且节点所处的实际应用环境往往使得更换电池这样的事情变得不 可能。这就要求对网络采用功率控制技术，使得节点工作能量少，最大限度的 节省能量开支，延长网络的生存时间。而传统网络结构中的通信“节点”不是用电 池供电，无需担心电量问题，基于传统无线网络设计的无线通信网络协议在设 计上没考虑电量消费，不适于新兴的无线传感器网络。所以，为了处理好能耗 问题，考虑无线传感器网络的特点，必须有对应的新的通信协议。 3 、网络自组织性 无线传感器网络上的通信协议还必须做到如下要求：可完成节点的自动组 网，为了防止恶意攻击行为或非法入侵，从安全角度出发还必须对新入网的节 点进行身份认证，维护网络的安全。无线传感器网络中，如何去布置好整个网 络是一难点，因为并非在指定预先地点上布置节点，网络拓扑结构是随机的， 没法预料。虽然a dh o c 方式可以加以借鉴，但a dh o c 中的协议也不适用无线传 感器网络。要使整个w s n s 工作正常，整个网络无线链路上传输的数据报量必 须得到有效的保障，而这必须通过对应该网络特性的无线通信协议来确保，只 2 武汉理工大学硕士学位论文 有路由信息、能量信息之类的与其他节点相关的数据才在无人干涉的场景下在 无线传感器网络中自动运行。在无线传感器网络中，数据处理功能经由节点上 内含的数据处理模块来完成，同时，数据处理单元还可对数据进行融合，以减 少无线信道上数据发送接收的次数。由于在整个监控领域中，节点坐标位置的 随机性，加之网络区域中节点密度可能存在很大的不同，在节点密度较小的地 方可能会出现一些邻近节点电池电量用完而退网的情况，导致网内其他节点由 于这部分节点的退网无法接入网络，进而使监测数据丢失。为了为了应付以上 情况，就需要在网络中准备一些冗余节点，而使检测地域的数据不会丢失，自 适应性是无线传感器网络的又一个特点1 6 j 。 4 、与移动a d h o c 网络的区别 与传统的移动a d h o c 网络相比，无线传感器网络存在许多相同或相似的地 方，但也存在很大的不同，传统的a dh o c 网络是针对信息数据传输，怎么加强 带q o s 保障的数据传送率是a dh o c 主要的性能标准，无线传感器网络中，因为 网络中节点能量有限，能量受限制，怎样延长整个网络的生存时间是最主要的 性能指标【1 7 8 ，9 】；无线传感器网络中节点一般是静止，然而，移动a dh o c 网络中 的节点可以进行点对点通信，传感网络依靠被测区域中大量集群、高密度的节 点来获取信息，而a dh o e 通过移动的网络设备获取数据。 1 3 无线传感器网络功率控制的积极意义 与他的传统网络不同，无线传感器网络网络节点以自组织的方式部署。因 此无线传感器网络必须有可靠的自适应性、自组织性和鲁棒性，还要求有分布 式的网络协议和算法【l 。 此外，无线传感器网络资源受限，网络节点的能量、计算能力和数据存储 能力都非常有限，特别是能量上，限制最为严重。能量的受限性，决定了网络 第一目标是以节省能量提高能量效率为出发点。 无线传感器网络是一种以数据为中心的网络结构体系。无线传感器网络中， 网络以数据为中心，与其他传统无线网络相比有很多不同，无线传感器网络是 特别的无线自组织无线网络，主要功能是网络通过被测地区中许许多多高密度、 集群的节点来获取信息并发往目的节点，其通信模式是集中式的，而且由于目 的节点与源节点距离比较远，数据必须经过多个节点协作转发，即多跳传输。 无线自组织传感器网络功率控制需要满足的要求是： 3 武汉理工大学硕士学位论文 分布式：要求功率控制算法能在网络中的所有节点上分别独立运行； 简单性：具备实时性，不能消费过多的计算资源； 灵活性：对于信道环境的变化能快速的作出反应，以及由于节点移动而造 成网络拓扑改变； 可扩展性：在不同网络环境，不同网络规模下都可运作； 健壮性：能针对一些突发、突然时间作出积极应对、响应。 设计功率控制算法，确保算法的可靠性、精确性。要结合对上述功率控制 机制严格提出的要求，综合考虑不同网络因素。 网络中布置的传感器节点体积微小，只能携带能量十分有限的电池，能量 成为了一个十分关键的资源【1 1 , 1 2 】。无线传感器网络功率控制中，能量有效性、 网络生存时间，连通性、时效性、网络吞吐能力等性能，都具有巨大的研究意 义： ( 1 ) 提高能量有效性，延长网络生命周期 节点中的通信模块的能量消耗是无线传感器网络中最主要的能耗来源。因 此，减少节点消耗的通信费用，尤其是发射信号的费用，是延长传感器网络生 命周期的有效途径1 3 , 1 4 , 1 5 】。 ( 2 ) 优化网络拓扑，防止网络割裂 无线网络的拓扑结构、连通性和节点的发射功率大小有关。如果节点的发 射功率过小，则可能导致一些节点没有办法接入网络，造成网络的割裂；而发 送功率过大，则会使得节点间相互的竞争强大增大，同时造成能量的浪费。通 过功率控制技术来调控网络的拓扑特性，主要就是一个最优的功率及相应的控 制策略，在确保网络中节点连通的同时提供优秀的网络拓扑，同时不必要的传 输能量消耗【1 6 1 。 ( 3 ) 增大网络容量 功率控制对网络容量的影响表现在可使数据传输节点对其相邻节点的影响 变小，也就是传输节点所能干扰到的邻居节点数量减少，从而允许更多的并发 数据传输，因而增大网络的容量。 ( 4 ) 跨层优化设计 功率控制是一个典型的跨层优化问题，对无线传感器网络各层协议的性能 都具有较大影响【1 7 1 。基于功率控制的跨层优化可以将协议栈各层的相关性能信 息分别标识出来，使其可被其他协议层所使用。这种各层之间全局性能信息的 交互和协作，使得协议能够更好的使用不同应用的要求和网络状态的变化，并 4 武汉理工大学硕士学位论文 可根据系统的应用目标、约束条件和网络特征采取相应的优化策略，提高系统 整体性能，实现用户对于不同服务目的和质量的要求。 1 4 本文的研究内容和组织结构 本文重点研究眦层的功率控制，将功率控制技术融合于无线传感器网络 m a c 层协议，把m a c 层和物理层设计充分结合起来，从通信节点间关系来研 究无线传感器网络m a c 协议。通过着眼于m a c 层的功率控制，结合无线传 感器网络的发展动态，对无线传感器网络中的m a c 层能量消耗和现有的相关协 议机制进行了深入的分析研究。 本文还重点分析了著名的自适应发送功率控制算法，并在深入研究了无线 传感器网络m a c 协议基础上，从能量效率的角度出发，给出了一种综合了基于 调度的m a c 机制和自适应发送功率控制算法的增强型m a c 协议。通过引入时 槽机制。a d t p c l 心解决了无线传感器网络中惯有的问题，如过度的空闲 侦听和隐藏终端问题。 节点只在分配的时槽上发送数据而在其他非己占有时槽上则保持睡眠。此 外a d t p c l m a c 还集成了自适应功率控制机制，节点通过使用最佳发送功率 级发送报文，有效节省能量的同时又不会降低数据报到达率。与c s m a 的仿真 比较结果表明，本文提出的协议提供更佳的数据报送达率，并且极大的延长了 网络生存时间。通过这些工作，为将来的后续研究工作打下了坚实的基础。 本论文共分为六章。 第1 章为绪论，主要介绍无线传感器网络的研究背景和现状，以及无线传 感器网络功率控制的研究意义，并介绍了本文的主要工作。 第2 章对无线传感器网络功率控制作了概述，分析了现有的无线传感器网 络功率控制的主要技术，对各网络层次结构上的功率控制机制进行了比较分析。 第3 章首先概述了无线传感器网络眦功率控制协议，对基于竞争的m a c 协议和基于t d m a 时隙调度的m a c 协议进行了比较分析。立足于s m a c 协议 的节能机制的分析研究，指出了s m a c 协议中固定睡眠时间的调度机制的不足 之处，并提出了网络业务自适应占空比的改进。n s 2 仿真结果显示，根据网络 流量自适应的调整占空比可以灵活的改变节点的睡眠时间点，并进一步的节省 能量效率，提高网络性能，具备一定的灵活性。 第4 章通过引入自适应发送功率控制控制，从节省能量和延长网络生存时 5 武汉理工大学硕士学位论文 间的角度出发，借鉴传统m a c 协议高发的信道访问竞争问题，借鉴8 0 2 1 5 4 ， 引入了时间槽机制并作相应的简化，并在简化了传统自适应功率控制算法基础 上，提出了基于轻量级媒体访问控制的自适应功率控制算法。并对该设计方案 进行了仿真，分析了仿真结果。 第5 章对全文作出了总结，并阐述了下一步的研究目标。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络功率控制概述 在无线自组网中，采用功率控制机制不但能够抑制网络能耗，还可以抑制 网络问节点的相互干扰，提高信道的空问复用度，提高网络的能量，延长网络 的生存时间1 1 8 1 。 在一些发送代价较大的自组网络中，例如一些使用嵌入式收发设蔷的微笑 小型计算通信装备( 如传感嚣) 或者使用大型电台设备的网络中功率控制 机制对节省网络能耗有重要意义。如图2 - 1 所示，网络节点通信上，发送能耗在 很大程度上决定了总能耗。节点在发送、接收、空闲状态下的能耗在数量级上 大大超过了睡眠时的能量消耗。在节点通信时，实际情况经常是接收节点距 离发送方较近，或无线电磁环境状况非常好，载波只需要用比最大功率小得多 的功率来发送就能够被接收方准确接收【l ”。采用最小必须发送功率发送数据， 节点的发送数据带来的能耗将会低得多，如果一直采用最大发送功率工作，则 会造成大量的能源浪费。采用功率控制机制能明显抑制网络能耗，延长网络的 生存时问，功率控制机制是当前实际网结应用中非常广泛的一种节能术。 各 状 态 功 盅 消 耗 射频工作状态 图2 一l 不同状态下射频消耗的功率 武汉理工大学硕士学位论文 无线自组织传感器网络功率控制需要满足的要求是： 分布式：要求功率控制算法能在网络中的所有节点上分别独立运行； 简单性：具备实时性，不能消费过多的计算资源； 灵活性：对于信道环境的变化能快速的作出反应，以及由于节点移动而造 成网络拓扑改变； 可扩展性：在不同网络环境，不同网络规模下都可运作； 健壮性：能针对一些突发、突然时间作出积极应对、响应。 设计功率控制算法，确保算法的可靠性、精确性。要结合对上述功率控制 机制严格提出的要求，综合考虑不同网络因素。 无线传感器网络的功率控制技术主要包括一下两点：链路层的功率控制， 网络层的功率控制【2 0 1 。怎样通过调整站点发送功率来动态维护网络的拓扑结构 和路由，获得全网络性能的最优，是基于网络层的功率控制的技术主要关心的 问题；链路层上的功率控制则依据链路的质量参数以及接收器件上的接收功率 大小来动态调整发射功率，主要通过m a c 协议来完成。较之于网络层的功率控 制，链路层的功率控制是高发性的调节，每一个数据包的发送都可能要求功率 控制，调整频率较高。网络层上的功率控制而已，调整的频率较低，可能很长 的时间内都不需要进行功率调型2 1 】。 在实际应用中，我们也可以采用夸层的功率控制机制，将网络层功率控制 和链路层功率控制结合起来。 2 1 网络层的功率控制 通常，在给定的无线链路状况和节点收发机的情况下，节点的发射功率决 定了节点的最远发送距离，或者说决定着节点最远信号覆盖范围。如过节点发 送功率过小，则网络内可能会出现一些节点无法与外面的节点建立连接，实现 互通，造成了网络的割裂，节点的发送功率不能太小，必须有一个最小阂值。 如果节点信号距离所覆盖的区域内布置节点的密度过大，会加剧冲突，很多节 点会发生竞争，网络的整体性能将无法实现最优，大打折扣，大受影响。而由 于无线传感器网络节点拓扑的随机性，节点的拓扑分布是难以预料的是随机的， 这就需要一种机制，可以根据节点的拓扑变化动态的调整发射功率，最终使得 节点周围的邻居节点数目达到一个理想值i 2 2 j 。为了维持网络的正常运作，使网 络中的任意一对节点可以相互通信，必须存在一个连通的网络拓扑结构。既要 8 武汉理工大学硕士学位论文 维护网络拓扑结构的连通性，又要做到功率控制节省能量开支的目的，就要求 我们采用合适的发送功率，既不太大也不过小。 相当有难度的是，该如何决定节点发射功率的大小。若针对单个节点，信 号的发射功率越小越好。减少发射功率并使得节点发射功耗最小，也能一并提 高信道的复用程度，提升网络的吞吐量，但数据收发的转发次数会增多，导致 业务的延时增加幽j 。 若增大发射功率，信号覆盖范围增大，通信距离增加，报文平均转发次数 会减少，业务流的延迟减低，但这会减少无线信道的服用度，使网络容量下降， 一并使节点发射功率增大。发送功率的大小要综合考虑发射机的功率消耗、无 线信道的复用性、数据平均转发中继次数。在静态的无线传感器网络中，经过 理论分析，当邻居节点个数为6 个时，可以得到最佳的网络性能。在移动自组 网中，随着节点的移动速度增加，可以增大发射机的发射功率，抑制链路中断 次数，使邻居节点的数目最大化，给予更长时间的同一路由，这样可以更佳的 提升网络的整体性能。 比较好的一个办法是使用分布式启发性的算法来动态调整节点的发射功 率。该算法的思想是：节点上维护着一个载着邻居节点信息的表，当网络的拓 扑一旦发生变化了，节点利用该表上的变化反应出的拓扑变化信息动态调整发 射功率，这样使节点达到以最小的发送功率来保持网络的全连通性。一个比较 简便的手段就是，发送节点根据链路状况调整自己的发送功率，尽量使其邻居 节点数保持恒定l z 4 】。发射功率的调整围绕着当前邻居节点数的变化而来，为节 点数设置阈值，并围绕着该节点邻居数的拨动来动态调整发射功率，若当前的 邻居节点数高于该上限阈值，就适当降低发送功率，反之，则提高发送功率， 功率变化的幅度由节点数与阈值的差值来决定。当两次节点邻居数之间的差距 越大，则功率变化调整的幅度也将越大。如果邻居节点数在两个阈值之间就不 需要调整功率了。但是，该方法存在缺陷，虽是简单，但它并未提取网络连通 性信息，在一些情况下无法规避网络割裂的风险。比如当存在两组分别朝不同 方向移动的网络时，就将导致网络割裂的发生【2 5 1 。另一种方法是，发送节点根 据从其上运行的链路状态类型路由协议中提取的网络连通性信息来采取相应操 作。起初，节点以最大发送功率来发送数据包，并在数据库中记录下网络拓扑 情况。然后，根据检测到的链路情况适当的调整发送功率。根据到达的新的路 由信息，检查网络记录下的网络拓扑信息，如果发现网络已经出现割裂，则节 点改为以最大发送功率传送数据。 9 武汉理工大学硕士学位论文 如过某条链路变为了单向连通，在新的路由信息到来是被检测到，节点为 了修复此单向链路，将采取适当增加发送功率的办法。节点通过路由信息计算 出到该节点的距离，并由该距离启动一个随机长度的定时计数器，时间长度服 从负指数分布。如果在定时器超时后，这一单向连通链路仍然存在，则发送节 点会立即将自己的发送功率调到最大。定时计数器的设置使那些距离单向连通 节点近的节点们在校正调整发送功率时比离得较远的节点有更高的优先级( 设置 的超时值要小些) 。虽然可能会有多个节点同时对同一个信息( 拓扑变化) 作出 反应( 将功率调整为最大) ，但这并不会带来严重的恶果。保持网络的连通性。 这是将单向连通链路变为双向互连通链路的目的。 2 2 链路层功率控制机制 一般都通过m l a c 协议来实施链路层的功率控制。当前进行功率控制的主 要方法是：在信道控制帧i 汀s c t s 的交互控制信息加以利用，在其上绑定无线 链路的相关信息，经由节点获取后，节点进一步作出分析处理，调整功率。另 一种为功率控制的执行提供必要的参考信息的方法是，开一忙音信道，在信道 上发送忙音1 2 6 j 。 链路层上的功率控制机制不影响数据包的平均跳数，这是因为给定了最大 发射功率一定的情况下，数据包从源节点到目的节点所有链路的平均跳数就已 经确定了。为节点在链路层上进行功率控制的主要目的是在给定最大发送功率 的前提下，尽量通过功率控制节省能量消费，而同时，信道的空间复用度也得 到了提高。 在自组网中，主要采用载波感应信道接入冲突避免协议来解决隐藏终端问 题。当前，人们提出了许多m a c 协议，这些m a c 协议都是基于信道接入冲突 避免的。这些协议的共同特点是：发送端在发送数据以前，先向接收节点发一 个r t s 请求发送控制报文，如果接收端能够接收该报文，则返回一个c t s 允许 发送控制报文。在消息源收到该响应后，待发送的数据就可以进入发送流程。 消息指向者正确收到数据后，可送回一个确认a c k 或不返回任何消息，这由协 议决定。 控制报文的交互极大的便利了功率控制的进行，例如可以在控制报文中带 上发送功率获得本节点的信噪比、接收信号强度指数等参数，以便为对方进行 功率控制提供参考依据。如图2 2 所示为冲突避免类型的m a c 协议的一般工作 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 过程。 发送 端 接收端 图2 2 冲突避免m a c 协议工作过程 按具体的工作方式，无线自组网中的信道接入协议可以分为单信道协议、 双信道协议和多信道协议【2 7 】。这些信道接入协议都能通过功率控制机制来提高 网络整体吞吐量。 1 ) 单信道接入协议的功率控制：单信道协议中，控制报文和数据报文都在 同一信道上传输。在单信道功率控制协议中，可以用最高发送功率值来发送控 制报文，还可以依照目的节点的相关信息采用适当的发射功率来传递信息。发 送站点可将发射功率、本节点的信噪比等参数信息在请求发送报文r t s 中带上， 为接收方发送响应报文时选择合适的发送功率提供有价值的参考，目的站点依 据接收到信号后，其中含带的相关信息及信号强度来被目的站点参考，接收端 通过折中综合考虑了空间复用度和报文正确接收概率之后，决定发送确认相应 时所使用的功率级别。这个功率值必须合适，功率过大，则会无线媒介的空间 复用度会降低，过小了会使报文的抗干扰能力减弱，增大到达接收方时数据包 的差错率，从而使宝贵的带宽遭到浪费，不得不消耗更多的能量来重新发送请 求的数据报文。 用最高级别功率发送r t s 、c t s ，而用最小必须功率发送a c k 确认消息、 数据报文，是m a c 层功率控制一种最简单的算法。怎样冲突避免是单信道功 率控制中最核心的问题。研究表明，当发送节点缓冲区中的当前缓存的报文不 是太多时，如果发现信道上有较强干扰并需要采用较大功率才能克服当前的干 扰时，甚至于即使本节点用最高级别的功率发送报文也无法使对方接收到，则 推荐的方法是使本节点选择退避，将当期的数据报文缓存，等干扰小后再发送。 具体来分，可将退避方式分为软退避和硬退避，软退避是指发送方的发射功率 随干扰的增大而减小，但仍然发送报文；硬退避指发送方因外界存在着干扰而 停止发送数据。 武汉理工大学硕士学位论文 还有另一种类型的单信道功率控制协议，该类协议通过在一个的额外的忙 音信道上发送一种称为单频载波的忙音信号，为进行功率控制提供一些关键信 息，称之为单信道基于忙音信号的功率控制协议1 2 引。 在一种基于忙音信号的心层功率控制协议中，r t s 、c r s 、d a t a 和 a c k 处在同一信道上传送，接收端在接收数据，同时在信道上发一忙音，信号 的强度表征着本节点多大的噪声还可为本站点容忍，本节点当前噪声容忍的门 限值与强度成反比。其他节点先在忙音信道上侦听一段时间，该站的发送功率 上限通过所接收到的最高忙音信号来计算得到。通常周期的发送忙音并且并且 维持有效信号持续时间很短，这样做是为了规避不同节点发送忙音信号因在时 间上产生交叠而运算的准确度受到影响。功率控制的效用与忙音信号发送的周 期成反比关系，采用更短的周期会获得更高的信道利用率。在这种方案中，某 站点在满足本站忙音信号下对发送功率的约束下收到其它节点发的r t s 或 c t s 后无需退避，新的报文仍然可随机的发送。这种方案的一个不足之处是在 某种通信模式中总是有失公平，即长距离的通信，因为长距离的通信需要更大 的功率，依照忙音信号提供的信息所计算的发送功率上限很容易的就对其进行 约束，在大数据流量情况下吞吐量最多能比8 0 2 1 1 提高一倍。 2 ) 双信道接入协议的功率控制：在双信道接入协议而言，依然可以施行功 率控制策略，功率控制的目标为提升数据信道的空间复用度，最终增大网络的 容量、吞吐量。双信道接入协议常由一个控制信道跟一个数据信道构成，在数 据信道上传送数据包而在控制信道上传送控制消息。对于数据信道上的数据包 是依照控制信道上控制报文交互时所获得的相关信息采用最小“必须”功率发 送，而控制信道上的控制消息一般采用最大发射功率发送，数据信道上的a c k 消息包可以使用最小“必须”功率发送，也可以使用最大功率发送。 在基于双忙音的一种双信道功率控制协议中，利用两个忙音信道分别发送 “接收忙音”( b t r ) 和“发送忙音”( b t t ) ，数据包与控制消息分别在不同的信 道上传送。发送站点只有在收不到b t r 时才能发送请求发送消息r t s ，r t s 发 送请求消息的功率以不干扰邻节点的接收为原则根据接收忙音信道上b t r 的信 号来决定。如果当前发送站点没有接收到b t r ，则r t s 用最大功率发送。接收 站点发送c t s 的前提是收不到b t t 时，发c t s 后还得通过接收忙音信道来发送 一接收忙音，其中发送c t s 和b t r 都用最大功率。发送站点发送数据报文时， 需同时在发送忙音信道上发一b t t ，b t t 、数据报都用最小“必须”功率发送。 在节点接收或者发送数据间，都要一直打开接收、发送忙音。b t t 和b t r 的作 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 用是：当某个站点收到发送忙音后就知道有个邻居站点正在发送，收到接收忙 音后就知道有个邻居站点正在接收。理论分析指出，采用功率控制协议后，信 道空间复用度上限较之于不采用功率控制协议的网络容量为2 倍。此协议的一 点不足是没有a c k 来实行控制，当信道状况不好时，可能会降低协议的性能。 3 ) 多信道接入协议的功率控制：多信道协议是，使用多个数据信道和一个 控制信道的协议。可以采用不同的形式来表达不同的信道，如在c s m a 系统中 个信道是指一个扩频码，而在f d m a 系统中以某一频率为中心的一个频带就 表示了一个信道。多信道接入协议通常有一个控制信道和多个数据信道，控制 报文在控制信道上传送，在有由多信道协议所决定的数据信道上传送a c k 和数 据报文。当站点没有要传送的数据时，其它站点交互的控制帧被站点在控制信 道上监听。一个适合的信道可通过收发站点交互控制帧在可用的多个数据信道 中选择得到，对选定的数据信道进行成功切换后，站点发送数据包及a c k 。可 以有多对节点在同一时刻在同一信号覆盖范围上同时通信是多信道的优点，在 网络中的负载大时跟具有相同带宽的单信道协议上有更高的吞吐率。 多信道协议两个信道模型，固定信道带宽模型和固定总带宽模型。这种模 型中的每个信道有相同的固定带宽，信道数越多则网络总带宽越宽。固定总带 宽模型中，固定了系统总带宽。固定信道带宽模型适用于c s m a 系统，可以通 过使用多个扩频码来增加系统的可用总带宽，每一个扩频码的带宽相同| 2 9 1 。固 定总带宽模型中信道数越多则每个信道分配到的带宽就越窄。它适用于f d m a 系统。 确定到底是用多少个信道能使总带宽或单位带宽的利用率达到最佳是使用 不同信道模型研究多信道协议的一大目的。在固定总带宽模型中，信道协议的 性能会因为使用信道数过多而导致控制信道过于繁忙而下降。而当使用固定信 道带宽模型时，虽然越多的使用信道数系统总吞吐率越大，但就单位带宽所承 载的吞吐率来说，并不是信道数越多越好，而且带宽是一个非常宝贵的资源， 这期间存在一个最佳信道数值。 d c a p c ( d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n tw i t hp o w e rc o n t r 0 1 ) 协议将功 率控制、信道接入和信道分配等问题结合起来综合考虑的一种多信道功率控制 协议。在控制信道上用最大功率发送控制报文，而数据和a c k 则在数据信道上 通过功率控制机制用最小“必须”功率发送。为了确保通信质量，发送站在发送 时通常会留有一定的功率冗余量。控制信道的作用是用来分配数据信道并且处 理使用数据信道产生的冲突。每个站点需要两副半双工收发机，一副收发机可 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 在不同的数据信道之间切换，而另一副收发机始终工作在控制信道上。节点根 据在控制信道上收到的其它站点所发的i 汀s 、c t s 、i 也s 等消息的信号强度来 估计通信时数据信道上所需的功率。与单信道协议相比，d c a - p c 协议使用了 一种新的控制报文r e s ，接收节点返回的c t s 被发送站点在控制信道上收到 后，当前所选择的数据信道号、占用数据信道的时间、将要使用的发射功率等 信息要通过广播一个i 迮s 控制报文来告诉它的邻近站点。在选择信道时，即使 某已经有一对节点正在使用数据信道，该数据信道依然可以被站点复用，只要 那对节点的正常通信不会被本站点将用的功率影响。这里可以采用一种按需方 式的信道分配机制，当数据包发送完毕并收到a c k 确认后就释放当前使用的数 据信道。协议对信道总数的需求与节点密度和网络拓扑没有关系，并且在节点 密度大的环境中适合使用，还不需要时钟同步机制【3 0 1 。 2 3 混合功率控制机制 可将网络层与链路层功率控制机制结合起来形成混合功率控制机制，以进 一步提高功率控制的性能。网络层功率控制机制控制的机制是：为获得合适的 网络拓扑，控制节点发送广播或控制消息时的功率选择，站点依据目的节点的 位置使用最小必须的功率发送发送数据包，这通过链路层功率控制机制实现。 在用于低速移动网络的分布式功率控制协议中，节