無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法研究綜述

矯 樂(lè) 苗 卓 郝興浩

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法研究綜述

矯 樂(lè) 苗 卓 郝興浩

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的研究中，功率控制技術(shù)是節(jié)省能量的核心技術(shù)之一，本文首先介紹了功率控制算法的分類，其次給出了幾種典型的算法并簡(jiǎn)要說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡(jiǎn)述目前功率控制技術(shù)存在的不足以及未來(lái)的發(fā)展形勢(shì)。

網(wǎng)絡(luò)能量；功率控制；算法

0.引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種用于觀察、檢測(cè)、感知并采集信息的監(jiān)測(cè)管理網(wǎng)絡(luò)，被稱為 21 世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。隨著WSN的興起，人們可以隨時(shí)隨地、以任何方式獲取以及處理信息，從而真正實(shí)現(xiàn)了“普適計(jì)算”模式。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康護(hù)理、智能家居等領(lǐng)域，一般不能更換電池，能量有限。功率控制技術(shù)是目前節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量的一個(gè)主要方法。網(wǎng)絡(luò)常采用功率控制算法提升網(wǎng)絡(luò)性能。從網(wǎng)絡(luò)層角度分析，可以將算法分為3種，一是網(wǎng)絡(luò)級(jí)功率控制算法；二是鄰居節(jié)點(diǎn)級(jí)功率控制算法；三是獨(dú)立節(jié)點(diǎn)級(jí)功率控制算法。其三者的區(qū)別主要在于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率是否統(tǒng)一，是否可以根據(jù)實(shí)際改變大小。

1.典型的功率控制算法

1.1 網(wǎng)絡(luò)級(jí)功率控制算法

（1）COMPOW（Common Power）算法

采用COMPOW算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先以大小不同的發(fā)射功率對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通并探測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，然后選擇適合當(dāng)前環(huán)境的最小的發(fā)射功率作為所有節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一的發(fā)射功率。其優(yōu)點(diǎn)是可以使網(wǎng)絡(luò)平衡并解決網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱引起的隱蔽終端問(wèn)題等；缺點(diǎn)是不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功率的調(diào)整，浪費(fèi)能量。

（2）CPC （Common Power Control）算法

采用CPC算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先要確定自身節(jié)點(diǎn)與每一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的發(fā)射功率，將功率大小進(jìn)行比較，選擇其中能保證網(wǎng)絡(luò)連通的最佳發(fā)射功率，然后采用洪泛的方式通知所有節(jié)點(diǎn)將最佳功率做為全網(wǎng)統(tǒng)一接收發(fā)送功率。其優(yōu)點(diǎn)是適合應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中；缺點(diǎn)是最佳功率的選擇過(guò)程比較復(fù)雜。

1.2 鄰居節(jié)點(diǎn)級(jí)功率控制算法

（1）CLUSTERPOW（CLUSTER POWER）算法

采用CLUSTERPOW算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先為自身設(shè)定3個(gè)不同大小的發(fā)射功率。然后節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身與鄰居節(jié)點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近建立路由表，當(dāng)傳輸信息時(shí)，查詢路由表選擇最合適的下一跳節(jié)點(diǎn)并選擇3個(gè)功率中最適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是功率之間可以相互切換，減少能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過(guò)重，容易退出網(wǎng)絡(luò)。

（2）基于節(jié)點(diǎn)度的算法

基于節(jié)點(diǎn)度的算法最典型的是LMA（local mean algorithm）算法和LMN（local mean of neighbors algorithm）算法。算法中節(jié)點(diǎn)要根據(jù)傳輸?shù)男畔⒒虿杉畔⒉粩喔淖陨砉?jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，一要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)在允許的范圍內(nèi)，二要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互連通。兩個(gè)算法除了節(jié)點(diǎn)度數(shù)的計(jì)算方式不同，其余均相同。其優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jié)約網(wǎng)絡(luò)能量；缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的鏈路存在冗余性，網(wǎng)絡(luò)連通復(fù)雜度高。

1.3 獨(dú)立節(jié)點(diǎn)級(jí)功率控制算法

（1）BASIC算法

采用BASIC算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先以自身節(jié)點(diǎn)允許的最大發(fā)射功率向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)射請(qǐng)求發(fā)送幀RTS（Request To Send），目的節(jié)點(diǎn)收到RTS后，計(jì)算其與信息源節(jié)點(diǎn)之間的最小發(fā)射功率，以最小發(fā)射功率向信息源節(jié)點(diǎn)發(fā)送允許發(fā)送幀CTS（Clear To Send），然后節(jié)點(diǎn)之間均采用最小發(fā)射功率完成信息傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用不同的發(fā)射功率，減少能量浪費(fèi)；缺點(diǎn)是載波偵聽環(huán)帶中的節(jié)點(diǎn)可能收不到請(qǐng)求發(fā)送或允許發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，容易與正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀發(fā)生沖突。

（2）SSEC（Sensor Stable Efficient Clustering）算法

SSEC算法是一種動(dòng)態(tài)處理網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)變化的分簇路由算法。采用SSEC算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先為自身節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)時(shí)間值，在時(shí)間段內(nèi)向其他鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量請(qǐng)求消息RTE（Request to Energy），然后將收到的能量消息與自身剩余能量比較，若自身能量高，將設(shè)為簇首節(jié)點(diǎn)，否則設(shè)為該簇的子節(jié)點(diǎn)，每一輪的工作都將以能量為參考，實(shí)行簇首節(jié)點(diǎn)輪換制。該算法的優(yōu)點(diǎn)是有效處理BASIC算法中不能解決的隱蔽終端問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)連通度高；其缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率固定，相互傳輸信息時(shí)會(huì)造成干擾，傳輸路徑選擇性大，節(jié)點(diǎn)間消耗能量不均等問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單地介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法的分類以及幾種典型算法，簡(jiǎn)述算法原理并說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)。近年來(lái)，WSN功率控制技術(shù)無(wú)論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用中都得到高度重視，也取得了一定的成果，但是仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。如某些算法的應(yīng)用范圍局限于自身?xiàng)l件不能普遍使用。某些算法的系統(tǒng)分析和工作原理過(guò)于理想化。鑒于WSN功率控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的研究熱點(diǎn)可能為：算法與其他功能機(jī)制的結(jié)合，考慮實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境，提高網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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［2］ Yong Ding， Zhou Xu， Wang Yongtao. An Cross Layer Algorithm Based on Power Control for Wireless Sensor Networks［C］. ICICA， 2010： 209-216.

［3］ LIU Lijun. Routing algorithm in wireless sensor network based on optimal connectivity power. Computer Engineering and Applications， 2015， 51（22）： 119-123.

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