基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制算法

張豐磊 趙興旺

摘要：在無線傳感器網(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要說明其優(yōu)缺點，最后簡述目前功率控制技術(shù)存在的不足以及未來的發(fā)展形勢。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)能量；功率控制；算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種用于觀察、檢測、感知并采集信息的監(jiān)測管理網(wǎng)絡(luò)，被稱為21世紀最重要的技術(shù)之一。隨著WSN的興起，人們可以隨時隨地、以任何方式獲取以及處理信息，從而真正實現(xiàn)了“普適計算”模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是集信息采集、傳輸以及處理于一體的智能信息管理系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊，是目前比較活躍的一個領(lǐng)域。WSN是一種由大量微傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，拓撲控制是最基本問題之一。拓撲控制就是要研究如何形成一個良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標定位等其他技術(shù)提供支撐。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由電池供電，常用于環(huán)境監(jiān)測、健康護理、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)級功率控制算法；二是鄰居節(jié)點級功率控制算法；三是獨立節(jié)點級功率控制算法。其三者的區(qū)別主要在于節(jié)點發(fā)射功率是否統(tǒng)一，是否可以根據(jù)實際改變大小。

一、關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的設(shè)計目標

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，一個良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能夠有效的提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率；在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通性、降低能量的損耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、減小節(jié)點間的通信干擾、提高通信效率等方面具有很好的作用，所以，在以下幾個方面作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標。

一是保證監(jiān)測區(qū)域覆蓋和網(wǎng)絡(luò)連通

由于覆蓋控制是拓撲控制的基本問題，故網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量成為首要考慮的目標。即在保證一定覆蓋質(zhì)量的前提下，也要保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，這樣才能既能有效的監(jiān)測目標區(qū)域內(nèi)的問題和現(xiàn)象，又能保證及時的將監(jiān)測結(jié)果傳遞給其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，讓其做出處理。

二是合理利用能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期

由于傳感器網(wǎng)路中的節(jié)點能量是由電池提供的，能量有限，所以合理利用能量也是保證網(wǎng)路生命周期不可忽視的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋質(zhì)量的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

三是減小節(jié)點間的通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率

一般情況下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目比較多且布置密集，如果每個節(jié)點都由其自身最大的功率進行通信時，會加劇節(jié)點間的通信干擾，減低通信效率，同時也會造成能量的浪費；同時如果選擇太小的發(fā)射功率，無法保證網(wǎng)絡(luò)的連通性質(zhì)量。所以要在連通性和通信干擾間尋找一個平衡點。

四是確定移動節(jié)點和骨干節(jié)點，便于數(shù)據(jù)的傳輸與處理

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)需要通過移動的節(jié)點，而移動節(jié)點的確定則是由拓撲控制來選擇確定的。而傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還需要進行融合，數(shù)據(jù)的融合則需要通過骨干節(jié)點發(fā)給專門收集數(shù)據(jù)的節(jié)點。所以，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是對路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸提供很好的基礎(chǔ)。

二、典型的功率控制算法

（一）網(wǎng)絡(luò)級功率控制算法

（1）COMPOW（Common Power）算法

采用COMPOW算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先以大小不同的發(fā)射功率對網(wǎng)絡(luò)進行連通并探測網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，然后選擇適合當前環(huán)境的最小的發(fā)射功率作為所有節(jié)點統(tǒng)一的發(fā)射功率。其優(yōu)點是可以使網(wǎng)絡(luò)平衡并解決網(wǎng)絡(luò)不對稱引起的隱蔽終端問題等；缺點是不能根據(jù)實際情況進行功率的調(diào)整，浪費能量。

（2）CPC（Common Power Control）算法

采用CPC算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先要確定自身節(jié)點與每一個相鄰節(jié)點之間的發(fā)射功率，將功率大小進行比較，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)點將最佳功率做為全網(wǎng)統(tǒng)一接收發(fā)送功率。其優(yōu)點是適合應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中；缺點是最佳功率的選擇過程比較復(fù)雜。

（二）鄰居節(jié)點級功率控制算法

（1）CLUSTERPOW （CLUSTER POWER）算法

采用CLUSTERPOW算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先為自身設(shè)定3個不同大小的發(fā)射功率。然后節(jié)點根據(jù)自身與鄰居節(jié)點位置的遠近建立路由表，當傳輸信息時，查詢路由表選擇最合適的下一跳節(jié)點并選擇3個功率中最適當?shù)陌l(fā)射功率進行數(shù)據(jù)傳輸。其優(yōu)點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；缺點是節(jié)點負擔過重，容易退出網(wǎng)絡(luò)。

（2）基于節(jié)點度的算法

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

三、結(jié)語

本文簡單地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法的分類以及幾種典型算法，簡述算法原理并說明其優(yōu)缺點。近年來，WSN功率控制技術(shù)無論在理論上還是實際應(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題需要進一步研究。如某些算法的應(yīng)用范圍局限于自身條件不能普遍使用。某些算法的系統(tǒng)分析和工作原理過于理想化。鑒于WSN功率控制技術(shù)的發(fā)展，未來的研究熱點可能為：算法與其他功能機制的結(jié)合，考慮實際應(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。

參考文獻：

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[2]張燕.無線傳感器網(wǎng)路、原理、設(shè)計和應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.