陳鋼

（湖南信息學(xué)院，湖南 長沙 410151）

1 無線傳感器設(shè)備的定義

無線信號傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)(wsn)網(wǎng)絡(luò)是一種分布式無線傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)，其中的末端接口可以被用于外界的無線傳感器進行檢測和無線檢查。wsn系列中的無線傳感器可以進行高速無線通信，網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)置非常靈活，并且用戶可以隨時隨地更改無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)位置?？梢杂芯€或多種無線連接到Internet，以通過多種無線通信方式形成自己或組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。

2 網(wǎng)絡(luò)上的電源控制問題

無線功率傳感器接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點功率密度控制級別問題關(guān)鍵在于，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點區(qū)域之間分布較集中的各個節(jié)點之間可以如何選擇最合理的網(wǎng)絡(luò)功率控制級別，以在進行無線通信期間有效發(fā)送和消除接收數(shù)據(jù)的封包。另外，當一個網(wǎng)絡(luò)天線空閑時，可以通過關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)天線以大幅減少自身的網(wǎng)絡(luò)能耗，并達到同時延長無線網(wǎng)絡(luò)使用壽命的主要目的。無線電和傳感器集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繼續(xù)支持使用五層級的tcp/ip協(xié)議集成系統(tǒng)。協(xié)議棧五層還包括一個數(shù)據(jù)層和鏈路層、物理層、應(yīng)用程序管理層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)傳輸層，類似于Internet是協(xié)議棧的五層。移位管理協(xié)議相互獨立對應(yīng)。為了有效提高企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由電源工作效率，可以廣泛使用的解決方法主要包括：及時改善網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的分類，及時正確清除所有冗余網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，應(yīng)用多通道跳線的形式網(wǎng)絡(luò)路由器和數(shù)據(jù)采集包以及正確選擇一個工作效率高的網(wǎng)絡(luò)路由。在一個數(shù)據(jù)中心鏈路層，提高打包能效的幾種方法主要包括:盡量減少節(jié)點數(shù)據(jù)和打包間的沖突，減少節(jié)點數(shù)據(jù)的打包維護開銷，減少占用存儲器和監(jiān)視器的時間以及有效率地避免多個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)串擾。減少監(jiān)控數(shù)據(jù)中心包的分發(fā)數(shù)量，避免相互之間沖突，減少監(jiān)控節(jié)點前的網(wǎng)絡(luò)干擾，縮短監(jiān)控數(shù)據(jù)中心包的維護開銷，縮短接入監(jiān)控節(jié)點時間，提高監(jiān)控節(jié)點的資源利用率。在物理層中，可以通過改進調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、速率匹配技術(shù)等來實現(xiàn)。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源控制技術(shù)

3.1 鏈路層功率控制

在給定的最大信道發(fā)射功率的控制情況下，鏈路層發(fā)射功率自動控制的設(shè)計目的主要是為了使整個信道的復(fù)用空間化和復(fù)用功率最大化。在i-ieee802.11中，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)包和用戶信息控制數(shù)據(jù)傳輸包均以最佳的高性能方式進行數(shù)據(jù)傳輸。盡管無線網(wǎng)絡(luò)連接的安全可靠性已得到最大化，但它可能會直接造成不必要的網(wǎng)絡(luò)能量資源浪費和網(wǎng)絡(luò)干擾。wsn通常需要使用以下發(fā)送策略：將每個控制數(shù)據(jù)中的包與控制信息發(fā)送數(shù)據(jù)包直接分開，使用最大的發(fā)送功率策略發(fā)送每個控制數(shù)據(jù)中的包，并同時使用最小的發(fā)送策略。發(fā)送信息接收包裹時，需要使用電源。問題的解決關(guān)鍵所在是究竟使用哪種通信技術(shù)方式來有效降低網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率，從而有效地大大降低通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射能耗。傳輸電路功率的大大降低一般可以從以下兩個主要方面考慮。

（1）有效降低數(shù)據(jù)發(fā)射功率該設(shè)計方法對所有網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點通信設(shè)備性能提出了最低功率要求，并且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過進行信道性能估計或者對性能測試信息進行反饋方式，降低了多余的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射功率。

（2）不斷改善輻射信號的有效性和輻射質(zhì)量在WSN中，終端通常使用全向天線在不需要發(fā)送的方向上發(fā)送信號，這顯然導(dǎo)致功率浪費。如果使用定向天線或智能天線僅在數(shù)據(jù)傳輸方向上傳輸信號，則在信號強度要求保持不變的情況下，可以大大降低傳輸節(jié)點的能耗。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層功率控制技術(shù)

為了精確控制網(wǎng)絡(luò)層的拓撲性能，基于在網(wǎng)絡(luò)層中自動獲得的某些拓撲操作信息被用來自動實現(xiàn)某些拓撲操作。遇到的技術(shù)問題主要包括：（1）如何根據(jù)指定的無線網(wǎng)絡(luò)如何正確使用最小的無線發(fā)電量才能建立可連接的無線網(wǎng)絡(luò)；（2）如何正確調(diào)整每個節(jié)點的無線發(fā)射功率，以利于提高整個無線網(wǎng)絡(luò)的通信性能。一種實用的計算方法也就是可以使用載波分布式或者啟發(fā)式載波計算，該方法是用來通過動態(tài)統(tǒng)計調(diào)整每個節(jié)點的載波發(fā)射功率。如果網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)可以通過使用網(wǎng)絡(luò)路由檢索協(xié)議，自動檢索來自相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓撲信息，以實現(xiàn)具有最低傳輸功率的全連接網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。另一種方法是讓節(jié)點使用其自己的鏈接。狀態(tài)類型路由協(xié)議可以獲取有關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲的信息以實施某些操作。前幾個節(jié)點都使用最大的功率來傳輸和記錄數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

3.3 跨層電源控制技術(shù)

無線功率傳感器管理網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部管理功率測量控制不僅僅只是解決mac物理層和網(wǎng)絡(luò)層的問題，而且還可能需要解決諸如無線鏈路層、物理層和網(wǎng)絡(luò)層的多層，這些都是一個跨越多層的技術(shù)問題。層次式設(shè)計。示例：信號功率值的調(diào)整結(jié)果會直接影響兩個信號功率是否正確同時傳輸以及影響是否信號可以同時到達整個接收器，從而直接影響mac數(shù)據(jù)層和物理層。節(jié)點之間施加的高壓大功率壓力會直接阻止網(wǎng)絡(luò)信息的高速傳輸，擁塞網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)傳輸層的一項重要任務(wù)。當前，跨界高層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的技術(shù)研究已經(jīng)受到各種不同應(yīng)用開發(fā)場景的嚴重限制。沒有太多的深入研究，技術(shù)還不是很成熟。因此，跨層設(shè)計電源控制技術(shù)的實現(xiàn)是各種需要深入研究的方案的中心主題。

4 功率控制對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

功率控制對網(wǎng)絡(luò)性能的最直接影響是總網(wǎng)絡(luò)功耗、網(wǎng)絡(luò)連接性和通道容量。

4.1 功率控制對能耗的影響

首先，是如何降低射頻發(fā)射器的驅(qū)動功耗。假設(shè)能量發(fā)送接收節(jié)點與能量接收發(fā)送節(jié)點之間的質(zhì)量距離均勻曲線分布，則我們可以很容易地可以推斷出輸出節(jié)點使用有關(guān)功率能量控制時的平均質(zhì)量能耗。如果節(jié)點沒有使用功率能量控制，則僅通過存儲能量發(fā)送接收節(jié)點的有關(guān)能量從而存儲無關(guān)的能量接收發(fā)送節(jié)點。

4.2 功率控制對網(wǎng)絡(luò)連接的影響

功率發(fā)射控制不可避免地大大減少了該通信節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及與該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點端口相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點端口數(shù)量。當無線通信網(wǎng)絡(luò)半徑分為三級:第一級別是斷開級別，第二級別是連接跳轉(zhuǎn)級別，第三級別是連接級別。在第一級的階段，由于兩個通信節(jié)點的天線相鄰點半徑太小，倆想通節(jié)點很少。此時，網(wǎng)絡(luò)基本上已經(jīng)完全處于迅速斷開連接關(guān)閉狀態(tài)，隨著移動無線通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)斷開半徑的不斷擴大增加，增加并迅速關(guān)閉斷開頻率達到100%，網(wǎng)絡(luò)將快速斷開恢復(fù)正常連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的每個連接點主節(jié)點網(wǎng)絡(luò)總數(shù)如果具有概率大于連接k個主節(jié)點而小于相鄰網(wǎng)絡(luò)連接一個節(jié)點的相互網(wǎng)絡(luò)連接概率，在短期內(nèi)將甚至可以大幅達到100%；隨著相互網(wǎng)絡(luò)連接半徑的不斷擴大增加，盡管相互網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度始終可以保持相對穩(wěn)定不變，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍依然需要設(shè)備具有非常強的相互聯(lián)絡(luò)連接網(wǎng)狀性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜特性。網(wǎng)絡(luò)連接的聯(lián)網(wǎng)密度及其變化與一個無線網(wǎng)絡(luò)中各個連接節(jié)點的無線連接網(wǎng)絡(luò)密度及其變化頻率有關(guān)。在每個連接節(jié)點無線網(wǎng)絡(luò)時間密度不同的三級網(wǎng)絡(luò)連接情況下，連接的三級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度分布也不同，這主要是它反映在每個連接節(jié)點無線網(wǎng)絡(luò)時間密度的不斷變化增加，沿連接節(jié)點網(wǎng)絡(luò)x射線方向的長軸的一個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點密度分布曲線上。在一個原點上的坐標軸和所在原點中坐標軸相同方向上的二次重力壓縮沿著持續(xù)時間，意味著第一和三和四階段和第二和三和四階段的二次壓縮沿著持續(xù)時間逐漸方向變小，第三和四和五階段的二次壓縮沿著持續(xù)時間逐漸方向增加。網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備可以在較小的國際無線通信負載時間和寬半徑下直接使用實現(xiàn)完整的國際無線網(wǎng)絡(luò)通信連接。根據(jù)不同類型企業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)功率管理系統(tǒng)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)功率數(shù)據(jù)分布管理控制系統(tǒng)特性均可輕松進行各種節(jié)點相應(yīng)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理功率數(shù)據(jù)分布管理控制，不僅有機會直接影響企業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的最大數(shù)據(jù)流和連通性，而且為企業(yè)節(jié)省了更多的無線數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)牧髁亢途W(wǎng)絡(luò)功率。

4.3 功率控制對網(wǎng)絡(luò)容量的影響

如果節(jié)點執(zhí)行一個功率電流控制，則接受數(shù)據(jù)同時傳輸相同路徑節(jié)點中的一個節(jié)點對其兩個相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的干擾影響相對較小，即使接受數(shù)據(jù)傳輸路徑節(jié)點相同干擾的兩個相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的根據(jù)數(shù)量相對較少，并且可以允許在一個網(wǎng)絡(luò)中同時節(jié)點進行數(shù)量更多的大數(shù)據(jù)量的傳輸，這顯然可以有助于有效提高整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量。使用無線電源電流控制可大大提高無線網(wǎng)絡(luò)傳輸容量。但是，應(yīng)該注意的是，當功率控制級別的數(shù)量超過三個時，網(wǎng)絡(luò)容量的增加非常有限。

5 結(jié)語

總的來說，無線傳感主要研究方向需要更深入，特別對凡是用在跨技術(shù)層次的設(shè)計系統(tǒng)中的無線功率驅(qū)動控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用更側(cè)重于此。采用電源自動控制系統(tǒng)技術(shù)不僅會影響供電系統(tǒng)基本性能，并且相關(guān)硬件控制技術(shù)能夠得到進一步完善改進，才能使其在實踐中真正發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。