（通信与信息系统专业论文）基于跨层设计的无线传感器网络功率控制研究.pdf

ii 论文题目：基于跨层设计的无线传感器网络功率控制研究 专 业：通信与信息系统 硕 士 生：彭景乐 (签名) 指导教师：张 红 (签名) 摘 要 无线传感器网络是物联网重要的基础支撑技术之一。它是由随机分布的集成有传感 器模块、数据处理模块和通信模块的微小节点通过自组织方式构成的网络。无线传感器 网络在面向应用时，需要解决的关键技术之一是如何利用节点的有限能量来延长网络的 生存周期。 功率控制、 分簇算法和跨层优化是降低网络能耗和提高网络性能的重要方法。 本文从这三方面入手展开研究工作，具体如下： 针对无线传感器网络中节点分布不均匀的情况，将最优连通功率的邻近节点选择算 法和分簇算法结合，提出了一种最优连通功率的邻近节点选择算法。仿真结果表明，与 leach 算法相比，该算法能够更好地实现网络的双向连通，提高了成簇稳定性，具有更 多的网络存活节点、数据包传输量及更小的网络平均能耗。 通过对链路层的 wsn 功率控制机制的研究分析，对基于邻近节点功率控制的分簇算 法进行改进，提出了基于功率控制的跨层优化算法 采用双信道控制解决数据传输过程 中隐蔽站问题造成的冲突干扰。仿真结果表明，由于采用了链路层的功率控制有效地解 决了数据传输时出现的冲突干扰问题，在网络吞吐量和网络能量有效性这两个性能指标 上，基于功率控制的跨层优化算法优于基于邻近节点功率控制的分簇算法。 关 键 词：无线传感器网络；功率控制；分簇；跨层设计 研究类型：理论研究 subject ：research on power control for wireless sensor networks based on cross-layer design specialty ：communication and information system name ： （signature） instructor ： （signature） abstract wireless sensor network is one of the foundamental technologies in internet of things. it is self organization network that consistes of random distributed sensors which are integrated by the sensor module, data processing module and communication modules. one of the key technologies for wireless sensor network in applications is how to use nodes limited energy to extend network lifetime. power control、clustering algorithm and cross-layer optimization are important methods to reduce the network energy consumption and to improve the performance of network. this article research on the three aspects, as follows: aiming at the problems of uneven distribution of wsn nodes, an optimal connectivity power adjacent node selection algorithm is proposed. the algorithm combines the optimal connectivity power adjacent node selection algorithm with clustering algorithm. the results of simulation show that the two-way network connectivity of the proposed algorithm is achieved better than leach and the stability of clusters is improved, and then made the network surviving node and data packet transmission of wsn increased, the network energy consumption is reduced. research and analysis of the link layer wsn power control mechanism。proposed link-layer based on cross-layer optimization for power control algorithm through the improvement of clustering algorithm based on adjacent node power control. adopt double channel control to solve the hidden station problem caused by conflicts in the process of data transmission interference. the results of simulation show that the coss-layer optimization algorithm based on power control is better than the clustering algorithm based on neighboring node power control in these two performance index about network throughput and network on the energy-efficiency. this condition is due to link power control can be more effective to solve the problem of conflict interference when data transmission. key words ：wireless sensor network power control cluster cross layer design thesis ：theory research 目 录 i 目目 录录 1 绪论 . 1 1.1 选题目的和意义 . 1 1.2 无线传感器网络概述. 2 1.2.1 无线传感器网络的特点 . 2 1.2.2 无线传感器网络存在的问题 . 4 1.2.3 无线传感器网络的应用 . 6 1.3 本文的研究工作 . 7 1.4 本文的组织架构 . 8 2 无线传感器网络的功率控制 . 9 2.1 wsn 功率控制 . 9 2.1.1 功率控制 . 9 2.1.2 基于功率控制的 wsn 节能机制 . 11 2.1.3 功率控制对 wsn 各层的影响 . 13 2.2 功率控制下的分簇算法 . 15 2.3 跨层设计 . 17 2.4 本章小结 . 18 3 基于邻近节点功率控制的分簇算法 . 19 3.1 分簇算法 . 19 3.2 无线传播模型及功率控制实现方法 . 20 3.2.1 无线传播模型 . 20 3.2.2 leach 算法研究 . 22 3.3 功率控制策略 . 24 3.3.1 最小发射功率 . 24 3.3.2 连通功率最优 . 25 3.3.3 邻近居节点选择策略 . 26 3.4 基于邻近节点功率控制的分簇算法 . 28 3.5 仿真结果与分析 . 29 3.5.1 系统模型及参数设置 . 29 3.5.2 算法的性能分析 . 30 3.6 本章小结 . 37 4 基于功率控制的跨层优化算法 . 38 4.1 数据链路层的功率控制 . 38 目 录 ii 4.1.1 双信道控制 . 39 4.1.2 中断恢复机制 . 41 4.2 基于功率控制的跨层优化算法 . 43 4.3 仿真及结果分析 . 44 4.3.1 系统模型及参数设置 . 44 4.3.2 算法的性能分析 . 45 4.4 本章小结 . 47 5 总论 . 48 5.1 全文工作总结 . 48 5.2 展望 . 48 致 谢 . 50 参考文献 . 51 附 录 . 54 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题目的和意义 物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。大力发展物联 网产业，是保障国家信息安全，促进工业化和信息化融合，推动td-scdma技术发展的 重要举措， 是具有国家战略意义的重要决策， 政府部门给予高度的关注和政策支持。 2009 年，温家宝总理在无锡视察中科院物联网技术研发中心时指出要尽快突破核心技术，将 传感网与td技术结合起来，推广“感知中国” ， 实现万物“思想感觉”的对话交流， 开启智能生活，建设智慧地球。2010年3月5日，温家宝总理在十一届全国人大第三次会 议作政府工作报告中提出，要大力培育战略性新兴产业，加快物联网的研发应用。据权 威机构预测，到2015年中国物联网的整体市场规模将会超过计算机、互联网、移动通信 等市场。到2020年，全球“物物互联”业务将是“人与人通信”业务的30倍，物联网用 户数将突破千亿，成为下一个极具吸引力的万亿级信息产业。 物联网的端部就是各种各样的传感器，传感器是一种检测装置，能感受到被测量的 信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输 出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和 自动控制的首要环节。这些传感器节点间利用无线电波传递信息，节点间通过自组织的 形式构成的网络被称为无线传感器网络（wsn,wireless sensor net-work）1，它是物联 网的一个子网。无线传感器网络技术的进步是促进物联网发展的一个重要因素。伴随着 通信技术、嵌入式技术、传感器技术、微电子技术和分布式信息处理技术等学科的快速 发展，无线传感器网络已经成为一种可在多个应用领域提供解决方案的技术。 无线传感器网络1是由许多个带有各种传感器，具有通信和数据处理能力的网络节 点，通过自组织形式构成的一种网络。它能够实时的监测、感知和采集节点部署区中观 察者感兴趣的感知对象的各种信息（如温度、湿度、光强、噪音和有害气体浓度等物理 现象） ，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终传送给观 察者。当节点的初始能量不同或传感器网络演化过程中节点负载的能量不均衡，都会导 致整个网络节点的能量异构性。在能量异构的无线传感器网络中，如何均衡节点的负载 能量，延长网络的生存周期是无线传感器网络的重要问题。在节点分布密集的区域，众 多邻近节点造成了无线传感器网络的特有问题：区域中存在各种可能的路由方式，节点 间相互干扰，信道堵塞，节点容易死掉，网络容易割裂，所以必须研究适用于无线传感 器网络节点面向具体应用的拓扑控制算法。 节点发射功率控制机制是无线传感器网络的拓扑控制研究方向之一，主要是调节网 西安科技大学硕士学位论文 2 络中每个节点的发射功率， 在满足网络连通度的前提下， 均衡节点的单跳可达邻近数目， 剔除节点间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。功率控制能够有效 减少通信中的能量消耗，是延长传感器网络生命周期的有效手段。因此研究合理有效的 节能机制及功率控制机制对于延长节点的寿命、整个无线传感器网络的生命周期、优化 网络的性能具有十分重要的意义。 1.2 无线传感器网络概述 无线传感器网络的产生与快速发展，得益于传感器技术、微机电系统、无线通信和 数字电子等技术的进步，使其能够在微小体积内将信息采集、数据处理、无线通信和无 线路由等多种功能集成在一起。目前科研人员在无线传感器网络的节点体系结构设计、 网络通信协议、定位技术、时间同步技术等领域对传感器网络进行了大量研究并取得了 重大突破。然而，无线传感器网络在能效的使用以及采集信息的可靠性方面仍然存在巨 大的障碍。无线传感器网络所特有的能源受限是阻碍其大规模实际部署的一个主要障 碍，所以网络设计时的首要目标是能源的高效使用。目前的传感器节点，在满负荷的工 作模式下，发送信息的电流为毫安级别，这意味着使用干电池供电只能维持节点工作数 十个小时，对于复杂的实际应用需求来说可用性存在很大问题。因此，如何提高能耗使 用效率是无线传感器网络设计时首先要考虑到问题。功率控制2是节点根据某些反馈参 数来确定在通信过程中自身的最优发射功率， 它在保障通信质量的前提下将能耗降到理 论上的最低，是无线传感器网络中延长网络生命周期，降低能耗的重要技术之一。 1.2.1 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一个无中心节点的分布式系统，监控区域中的节点是被随机投放 的，节点之间相互协作传递信息，由局部信息的交换来完成全局的信息采集任务。典型 的无线传感器网络如图 1.1 所示。 internet sink 节点 传感器节 点 传感器 节点 图 1.1 无线传感器网络 1 绪论 3 无线传感器网络的节点通常由数据采集、 数据处理、 无线通信和电源四大模块组成。 在不同的环境中，根据需要传感器节点的设计也各不相同，但基本的结构上一样的。典 型的传感器节点硬件结构如图 1.2。 存储器 无线通信模块 传感器a/d转换器 数据采集模块 处理器模块 无线收发 信器 mcu 能量 供应 模块 图 1.2 传感器节点硬件结构 数据采集模块负责所监测区域的信息采集和数据转换；数据处理模块负责传感器节 点的操作控制、网络管理、任务调度和存储其它节点的数据等；无线通信模块负责信息 和数据的交换；电源模块负责为传感器节点提供工作时所需要的能力，通常采用微型电 池，不容易进行人工替换。因此，无线传感器网络中各个节点的负载均衡是延长网络生 命周期的有效途径。 无线传感器网络具有自组织性 5，12。无线传感器网络上的通信协议必须保证节点自 动组网，同时还需要具备防止恶意攻击或非法入侵行为的能力，对新入网的节点进行身 份认证来维护网络的安全。 无线传感器网络中， 如何保障整个网络的连通性是一个难点， 因为节点是被随机的投放在监测区域，网络拓扑结构具有随机性，所以 ad hoc 网络中 的协议不适用于无线传感器网络。要使无线传感器网络正常工作，必须建立与该网络特 性相匹配的无线通信协议来保障无线链路上的数据传输有效性。在无线传感器网络中， 对数据处理的功能由传感器节点上集成的数据处理模块完成，数据处理模块还可以对数 据进行融合，以减少无线信道上数据发送和接收的次数，降低了网络延迟和信道中的干 扰，提高了信道的利用率。由于网络中节点位置的随机性、移动性，监测区域中节点密 度的相异性，在节点分布密度较小的区域会出现邻近节点电池电量先用完的情况，导致 其他节点由于网络的割裂而无法接入网络，造成监测数据的丢失。 无线传感器网络的拓扑结构具有随机性 14。在无线传感器网络的实际应用环中，往 往要随即布置大量的传感器节点，这些节点用以完成对环境物理参数的采集任务。传感 器节点所处的实际自然环境中充满着不确定性，比如在战场上和沙漠中等条件比较恶劣 的环境中，采集信息的节点被大量地安装在武器设备上，由武器设备朝着检测目标区域 投射，形成所需的目标监视网络。节点投射造成节点分布的不均匀，导致其网络拓扑结 构的随机性。 西安科技大学硕士学位论文 4 无线传感器网络的拓扑控制由两部分组成：一是功率控制；二是层次拓扑控制。功 率控制决定着网络的拓扑结构，如果节点的发射功率过大，则节点间的干扰就会增加， 加剧网络的能量消耗；如果节点的发生功率过小，会导致网络的连通性较差，出现孤立 的节点，造成网络的割裂。因此，功率控制机制就是动态的调节节点的发射功率大小， 使用最小的发射功率完成数据的传递并实现整个网络的连通，以此来降低能力的消耗， 延迟网络的生存周期。 无线传感器网络具有能量受限性 13。因为无线传感器网络应用环境的特殊性，传感 器节点大多数采用电池供电。由于电池的能量有限，节点所处的实际应用环境往往使得 人工更换电池很难实现。这就需要采用一种技术，可以动态的调整节点的发射功率，从 而最大限度的节省网络能量消耗，延长网络的生存周期。可是传统的通信网络中，通信 设备不受体积的影响，不需要采用电池供电，不需要担心电量耗尽的问题。传统的无线 通信网络协议在设计上没考虑电量消耗的问题，不适于应用在新兴的无线传感器网络。 所以，为了节省能量消耗问题，延长网络的生命周期，考虑无线传感器网络的特点，必 须研究新型的通信协议。 这些无线传感器网络的特点，决定了它与传统的无线网络 ad-hoc 和网络的不能使 用相同的算法协议。无线传感器网络的设计目标和技术要求与传统的网络不同。在无线 传感器网络中，除了少数节点受到自然因素而可能发生位移外，大部分节点在投放完成 后位置都是固定的，而无线网络中的移动台都是具有突发的随机移动性。传感器网络以 数据为中心，无线网络则以路由为中心。传统的无线网络有充足的基础物理设施支撑， 可以使用多种控制策略来保证通信的质量，而无线传感器网络中的节点数目偏多，单个 节点能量非常有限，通常被安放在的恶劣环境或危险地域，节点的能量耗尽后很难再更 新能量。所以，节约能量成为无线传感器网络的首先需要解决的问题。 1.2.2 无线传感器网络存在的问题 在无线传感器网络中，数据链路层的信道公平性是指在节点间共享同一信道的情况 下如何给节点平均分配信道资源，要保证网络中的每个节点都能将采集到的信息传递出 去。本文针对无线传感器网络的能量消耗和信道使用的公平性问题，对功率控制算法进 行研究改进。 目前无线传感器网络的研究中，信道的公平性主要与信道的接入方式有关，比如基 于非竞争类接入方式的 tdma 和 cdma，它们则是分别通过分时和编码的方式来共享 信道资源，节点间在使用信道传输信息时不存在冲突。而基于竞争的随机访问协议 csma，节点发送信息时需要通过竞争机制获得共享信道的使用权。网络中的节点对信 道竞争强度出现不公平现象主要体现在以下 2 个方面 3，15： 1 绪论 5 （1）节点分布密度影响节点争用信道的公平性。处在分布区域密度高的节点其对 信道的竞争强度要高于分布区域密度低的节点，节点间在通信过程中随着干扰的增多， 增加了发送冲突的概率。处于高密度分布区域的节点竞争非常激烈，节点分布不均匀导 致这种不公平性，所以解决无线传感器网络中信道公平性的关键是如何减少高密度区域 节点的冲突域，保持区域节点信道竞争的公平性。 （2）不对称发射功率影响节点争用信道的公平性。无线传感器网络中的节点采用 不对称的发送功率时，隐蔽站和暴露站问题更加严重，具有较高发送功率的节点在争用 信道时比相邻的低发射功率节点更具有优势。 d c a b 图 1.3 不对称发射功率 无线传感器网络中的节点处在发送节点的射频区域之外和接收节点的射频区域之 内，定义这种节点称为隐蔽站 16，它会因侦听不到发送节点的发送而可能向同样的接收 节点发送报文，导致接收节点接收报文时发生冲突。如图 1.4 所示，隐蔽站即为处于阴 影区域中的节点，可以看出隐蔽站又包含隐发送站和隐接收站。 ab d c 图 1.4 隐蔽站问题 在图 1.4 中，节点 a、b、c、d 都采用相同的发射功率。当节点 a 发送数据到节点 b 时，节点 c 处在节点 a 的射频区域外和节点 b 的射频区域内，导致节点 c 侦听不到 节点 a 发送的数据，此时的节点 c 就是节点 a 的隐蔽站。如果此时节点 c 发送数据， 就会干扰节点 b 的接收，引发冲突，因为节点 b 也处于节点 c 的射频区域内，所以节 点 c 为隐发送站。同时，节点 d 向节点 c 发送数据的时候，节点 c 由于受到节点 b 的 西安科技大学硕士学位论文 6 影响而决定其能否正确的接收，节点 c 发送信息肯定会干扰正在通信的节点 a、b，所 以节点 a 与节点 b 通信的时候，节点 c 是不允许发送信息的，此时，造成节点 d 接收 不到节点 c 的答复，所以节点 c 为节点 d 的隐接收站。在不对称的发射环境中，隐蔽 站的问题更为严重。在图 1.4 中，如果节点 b 的发射半径大于节点 a 的发射半径，会造 成阴影区域的面积增大，导致网络中的隐蔽站数量增多。 无线传感器网络中的暴露站节点是指处于发送节点的射频区域之内和接收节点的 射频区域之外。当暴露站侦听到信道中有数据发送时，会延迟自身的信息发送，但它的 发送不会影响接受节点的数据传送，所以它的延迟是没有必要的。如图 1.5 所示，暴露 站是处于阴影区域的节点，它分为暴露发送站和暴露接收站。 ab d c 图 1.5 暴露站问题 在图 1.5 中，节点 a、b、c、d 都采用统一的发送功率，节点 c 处于的节点 a 的 发射覆盖区域外和节点 b 的发射覆盖区域内，当节点 b 向节点 a 发射数据时，节点 b 发送的数据能被节点 c 侦听到，这时候节点 c 发送信息不会干扰节点 a 同节点 b 之间 的通信，节点 c 即为节点 b 的暴露发送站。当节点 d 向节点 c 发送信息的时候，节点 b 与节点 a 的通信会干扰到节点 c 接收数据， 节点 d 与节点 c 的通信就不能得到保障， 这时节点 c 称为暴露接收站。在 rts/cts 握手机制中，节点 a 与节点 b 通信时，节点 c 可以发送 rts 给节点 d，但因为节点 b 与节点 a 通信时产生的干扰导致它收不到节 点 d 的 cts，即节点 c 能收到节点 b 的 rts 而收不到节点 a 的 cts 的时候，定义节 点 c 为暴露站节点。所以，rts/cts 机制无法解决暴露站问题，这在非对称发射环境 中更严重。 当节点 a与节点 b通信过程时， 节点 c基于rts/cts 握手机制向节点 d发送数据， 这时节点 a 和节点 b 的通信会因发送冲突而中断，在等待节点 c 和节点 d 的通信结束 后才能继续竞争信道，这种现象会导致节点 c 的吞吐量降低，造成过多的能量消耗。针 对这种不对称发送功率造成的节点对信道竞争不公平性的现象，采用动态的功率控制技 术是解决这一问题的重要方法。 1.2.3 无线传感器网络的应用 1 绪论 7 传感器网络具有十分广阔的应用前景 4，17，在军事国防、工农业、城市管理、生物 医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有巨大的应用价值。 无线传感网络无需固定设备的支撑，可以快速部署，同时具有易于组网、不受有线网络 约束的特点。在传统的通信网络所不能具体部署的恶劣环境中，无线传感器网络则显示 出强大的生命力，比如在一些危险的地质复杂的煤矿等能源类的生产环境中，工作人员 在某些区域无法亲自检查一些工作所需要的数据，这时候可以利用无线传感器网络中的 节点，来实对现实环境的监测，提取工作所需要的实时数据，同时无线传感器可以避免 传统的数据收集方式所造成的环境污染或破坏， 因此可以被广泛的应用于各种各样的 环境检测中。随着无线终端设备技术的进一步发展，无线传感网络可以通过无线通信技 术与通信网络等其它信息网络实现互联互通，因此，可以广泛的应用于城市交通管理、 大型的公共活动实时监控等各个文化传播领域。 通过对无线传感网络基础理论和关键技 术的不断研究和完善，无线传感器网络将会应用在人类所从事的各行各业中，与人类的 生活将息息相关，也许将会引起一轮新的技术变革。目前，无线传感器网络的社会应用 如下： （1）在煤矿生产环境中，根据煤矿环境中的特殊性和复杂性，利用无线传感网络的 自组织、多跳协作通信的特点，研究基于无线传感网络技术的煤矿安全监测系统，用于 检测井下的环境安全质量参数，并实现特定环境下的无线通信； （2）在农业生产环境中，通过无线传感器网络，实现对农业监测区域的数据实时获 取，供农业专家掌握农产品的生长状况，应对即将可能出现的农作物的病害，为农作物 的顺利成熟提供及时的技术支持； （3）在水环境检测中，利用无线传感网络，可以方便得获取水环境中的质量参数， 及时的获取水资源的质量，节约了水质量检测的成本，预防水资源的污染； （4）在上海世博会中，利用无线传感器网络完成对世博会的安全监控、信息发布的 需求。在世博会持续的 184 天，针对 7000 万人次以上的参观数量，高峰期日均人流将 达到近 80 万人次的特定环境，世博会安全保卫工作将面临非常的大困难。仅靠安保人 员或武警来完成对世博会的安全监控是一项非常大的难题。所以为了减少人力资源的过 量使用，利用无线传感器网络的特点，合理的部署传感网络节点，及时收集交通状况、 场馆状态、各种安全威胁等情况，为指挥控制提供及时可靠的信息依据，减少了人力成 本，真正的将技术应用到社会需求当中。 1.3 本文的研究工作 （1）研究无线传感器网络中的功率控制。功率控制是无线传感器网络面向实际应 用的关键技术，它们对于提高无线传感器网络的整体性能，满足用户不同服务目的和网 络质量要求起着非常重要的作用。 西安科技大学硕士学位论文 8 （2）研究适用于节点非均匀分布的无线传感器网络的分簇算法。在无线传感器网 络的实际部署中，节点的分布往往是随机的，存在热点区域和非热点区域。这种分布上 的不均匀容易导致网络的不稳定、热点区域节点竞争激烈的问题。 （3）研究基于跨层优化设计思想的功率控制算法。能量有效性是无线传感器网络 的首要问题，而基于功率控制的跨层设计是从整体上改善网络性能的重要手段。针对非 均匀网络环境下，根据跨层设计的思想将网络层和链路层的功率控制算法相结合，来解 决链路层数据传输中出现的冲突干扰问题，解决隐蔽站和信道争用公平性的问题。 1.4 本文的组织架构 本论文主要对无线传感器网络的功率控制了分析和研究，全文共分为 5 章。论文的 组织结构如下： 第 1 章绪论。主要阐述本课题的研究目的和意义；探讨了无线传感器网络的特点、 存在的问题和其社会应用。 第 2 章无线传感器网络功率控制。分析了无线传感器网络中的功率控制，讨论了基 于功率控制的无线传感器网络节能机制，分析了功率控制对无线传感器网络中各层的影 响，探讨了功率控制与分簇算法的关系，讨论了跨层优化设计的意义。 第 3 章基于邻近节点功率控制的分簇算法。分析了分簇算法在无线传感器网络中的 重要意义，结合无线传播模型对经典 leach 算法进行理论研究，研究了最优连通功率 机制，在邻近节点选择策略的基础上提出了基于邻近节点功率控制的分簇算法，建立系 统模型和网络仿真环境对算法的性能进行仿真和性能验证。 第 4 章基于功率控制的跨层优化算法。分析了数据链路层上的隐蔽站问题和冲突干 扰问题，研究了双信道控制策略和中断恢复机制；在数据链路层上，利用跨层设计的思 想对基于邻近节点功率控制的分簇算法进行改进，提出了一种基于功率控制的跨层优化 的分簇算法，建立系统模型和网络仿真环境对该算法的性能进行仿真和性能验证。 第 5 章总结。对所做的工作进行了总结，并提出进一步研究的问题和工作。 2 无线传感器网络的功率控制 9 2 无线传感器网络的功率控制 2.1 wsn 功率控制 2.1.1 功率控制 无线传感器网络中的节点或其它通信终端，大多数都是采用电池供电。这些通信设 备在日常的工作过程中，能以保障通信质量的前提下以最小的发射功率进行通信，将会 有效的节约系统的能量，延长电池的使用时间。但是“远近效应”和无线干扰的存在， 通信节点必须增加自身的发射功率，才能克服无线信道的复杂环境干扰，使接收端正确 的接收信道中传输的信息。如果，信道空闲或干扰较小时，发射节点通信时可以减少自 身的发射功率，即降低了对信道的竞争强度也节省了网络的整体能量。无线传感器网络 中采用功率控制技术的目的就是通过采用某种调度策略或机制进行功率控制，使网络系 统的性能得到优化。由于无线传感器网络中，节点数量大分布密集，且部署的环境地形 复杂，对节点补充能量比较困难，所以节约能量是无线传感器网络首先要解决的问题。 在节点的能量消耗中，通信能耗是无线传感器网络能耗的主要部分，如何有效解决通信 能耗问题是功率控制技术的研究重点。无线传感器网络的功率控制是指节点以多大的发 射功率来传输信息，从而优化网络的性能。因此，在通信的过程中，功率控制技术起着 降低干扰和节省能量的作用。 无线传感器网络中的功率控制，是指网络中随机分布的节点选择合适的功率发送分 组，以此来优化网络的性能。节点采用不同的发射功率级别，会对网络的性能产生多方 面的影响，因此网络中的节点在发送分组时采用多大的功率级别，将会是一个复杂的、 对无线传感器网络的发展具有重要意义的问题。cpc7协议中的每个节点首先通过获取 本地信息，从而确定与邻近节点的最优发射功率，利用洪泛机制将所有节点在满足网络 完全覆盖下的最小发射功率值设定为全网的统一发射功率值，以此提高网络的吞吐量， 降低网络的能量消耗。 功率控制对无线传感器网络的性能产生很大的影响，其主要表现在 8,20,34： （1）功率控制对网络能量有效性的影响。 传感器节点一般包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路的发 展， 处理器和传感器模块的能耗变得很低， 绝大多数能量消耗在无线通信模块上。 因此， 降低节点发送信号的能耗是延长传感器网络生命周期的有效方式。节点发送分组的时 候，功率控制可通过信道估计或反馈控制信息，在保证网络完全连通的条件下采用合适 的方法降低发射功率，从而降低发射节点的能量消耗。随着发送信号的节点发射功率的 西安科技大学硕士学位论文 10 下降，发送节点的邻近节点数目也随之减小，降低了节点进行信息传输时由于发射功率 过大而造成的额外的能量消耗。 （2）功率控制对网络连通性的影响。 无线传感器网络的拓扑结构跟节点的发射功率紧密相关，如果节点的发射功率过 小，会导致部分节点无法建立通信连接，造成节点的孤立、网络的割裂；如果节点的发 射功率过大，会导致网络的竞争强大增大，造成额外的能量的浪费和网络拥塞。无线传 感器网络中的节点可以通过功率控制，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据 转发的优化网络结构；或者在满足网络连通度的前提下，选择节点最优的单跳可达邻近 数目。总之，功率控制技术可以优化网络的拓扑结构，在保障网络连通性的基础上，寻 找节点的最优发射功率，从而降低网络的竞争强度和节点的能量消耗。 （3）功率控制对网络平均竞争强度的影响。 竞争强度是指争用无线信道的激烈程度，节点发射功率大小影响着网络的平均竞争 强度，在节点分布比较密集的时候，在一定通信范围内的节点越多，争用信道时发生冲 突的概率就越大，节点在通信过程中就越容易丢失数据包。功率控制可以通过一定的策 略来调整网络中节点的发射功率，从而降低网络中节点的信道争用强度，降低网络中节 点发生冲突的概率，提高数据的传输能力和网络的吞吐量。 （4）功率控制对网络容量的影响。 这种影响一方面表现在节点间传输数据的时候，减少其所能影响到的邻近节点的数 量，促使更多的数据在网络中传输；另一方面，由于节点发射功率的过大，其通信的传 输半径就越大，节点对信道的争用程度就越激烈，网络中的冲突域就会增加，节点通信 的过程中发生冲突的概率就越大。 （5）功率控制对网络实时性的影响。 无线自组织网络通常采用多跳路由的方式传输信息，分组数据的每一跳都要经历处 理延时、传输延时和队列延时 3 个阶段。处理延时包括接收端接收分组、解码和重传分 组所需的时间，传输延时是指在信道中传播分组所消耗的时间，队列延时是指等待空闲 信道传输分组时所造成的延时。假设无线传感器网络中传递分组所需要的跳数为 m，则 端到端（end-to-end）的分组延时为： endcsq ttttm （2.1） 其中， c t是处理延时， s t是传播延时， q t是队列延时。 在无线传感器网络中，节点的发射功率过低，会增加源节点和目的节点之间传递分 组所需要的路由跳数；而节点的发射功率过高，可以降低路由跳数。分组延时跟路由跳 数成正比， 队列延时跟网络的竞争强度成反比， 传播延时受网络状态的影响较少。 因此， 节点发射功率过低会增加分组延时，节点的发射功率过高会证件队列延时。文献11通 2 无线传感器网络的功率控制 11 过研究提出了在低负载网络中，队列延迟占主导地位，节点的高发射功率具有较好的实 时性；在高负载网络中，分组的处理延时占主导地位，节点的低发射功率具有较好的实 时性。使用功率控制技术，可以根据网络的状态，适当的调节节点的发射功率，来满足 系统对实时性的要求。 无线传感器网络的功率控制机制主要包括网络层的功率控制和链路层的功率控制。 网络层的功率控制主要是解决怎样通过调整节点的发射功率，动态的维护网络的路由和 拓扑结构来达到网络性能的最优。链路层的功率控制是发射节点根据链路的质量参数和 接受节点的反馈信息来动态的调整其发射功率。本文的第 3 章就是基于网络层的功率控 制，建立了基于最有邻近节点选择的分簇算法；然后基于跨层设计的思想，在数据链路 层对该算