无线传感器网络中功率控制算法设计

陈永胜

摘要：功率控制是无线传感器网络的关键技术之一。该文首先阐述了无线传感器网络的基本概念，引出进行功率控制的意义和目的。对SMAC协议算法进行深入探讨和仿真，最后根据仿真结果总结全文。

关键词：无线传感器网络；功率控制；算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）09-0028-02

Abstract： Power control is one of the key technologies in wireless sensor networks， the basic concepts of wireless sensor network was described firstly， the meaning and purpose of power control was introduced， SMAC protocol was studied and simulated， and finally summarizes the full text.

Key words：wireless sensor networks； power control；algorithm

随着信息技术的快速发展，无线传感器网络以其特有的感知能力、通信能力和计算分析能力成为人们研究的热点，无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一[1]。但是无线传感器网络的进一步发展和商业应用也面临着一些新的严峻挑战，的功率控制是无线传感器网络的关键技术之一。目前，功率控制算法的研究主要分为集中式和分布式两种。在传感器网络中，由于节点的大量布置，节点间的通信必然会存在着互相干扰的问题。每个节点为了完成自身的信号传输，必然增加自身的发射功率，而这不仅会使得自身的功耗变大，而且对周边节点也将产生巨大的干扰，使得网络中其余节点也将面临着大功耗传输的问题，这就大大降低了整个网络的正常工作时间。对每个节点进行功率控制，不仅可以降低每个节点的功耗，避免节点间无休止的互相竞争，而且可以降低节点间的互相干扰，提升系统的生存时间，对提高网络的整体性能有着非常重要的作用[2]。

在无线传感器网络中，应根据节点的性能目标合理有效地调整控制的方案；针对资源和能量严重受限，尽可能以最低的传输功率进行消息的传递，并通过分组恢复、状态估计来降低由于发射距离的不对称所造成的部分不适当的影响；而针对网络规模庞大、分布不均匀等特点，则采用分簇、选取最优邻居节点或者分级发射功率等策略来优化网络拓扑结构；还有针对传感器节点易失效的特点，使用发射功率自适应调整的策略保持节点的通信连接；针对网络易流失流量的特征，采用跨层优化技术提升系统的整体性能，本文对SMAC协议算法进行深入探讨和仿真，提出一种适用于无线传感器网络的功率控制算法。

1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是由大量的低功耗传感器节点所组成，这些传感器节点以自组织的方式，对周边环境数据进行监测，并通过无线通信构成一个多级跳的无线通信网络，将所监测到的数据传输到控制中心，以实现对所观测数据的分析和处理[3]。

无线传感器网络与传统型网络有着巨大的差别，由于节点均已自组织形式进入网络，网络有着极强的健壮性和自适应性，网络的协议和算法均是分布式的，网络整体也不会因为某个节点出现故障而导致网络瘫痪。

此外，无线传感器网络也是一种资源严重受限的网络，因为本网络一般设定为某一特殊应用而设计，因此其计算能力、存储空间和储能均较为有限，这也使得无线传感器网络在实际应用中需要根据实际需求进行设计，而并非可以设计一个万能的无线传感器网络。

2 无线传感器网络中功率控制算法

2.1 SMAC协议基本原理

在无线传感器网络中，如若节点的传感器没有感知到事件发生时，节点将处于长时间的空闲状态，此时的数据传输速率很低，仅需要维持节点的休眠状态，而无需让节点始终保持监听状态[4]。此时，SMAC协议的基本思想为：减少节点的监测时间，并尽量让节点维持在休眠状态，以尽可能的降低节点的功耗。其工作原理如下：当某节点a开始工作后的一段时间内，节点要进行侦听，如果某相邻节点b收到其邻居节点的SYNC帧，其中包含时间调度表，则会按照这个时间表进行周期性的休眠、唤醒轮转，并且还会在继续侦听下一个SYNC帧。当节点一旦确定了时间调度表后，就可以进行周期性的侦听、休眠，并在侦听时接收和发送数据，确保无线传感器网络的正常工作。在节点a的侦听周期中，将会被划分为SYNC、RTS、CTS三个阶段，如图1所示。

2.2 SMAC协议功率控制仿真

根据SMAC协议的基本原理，可以发现其帧内监听所持续的时间是固定的，这将使得可能在没有数据的时候依然侦听，或者数据已经传输完毕后依然侦听。此处提出一种自适应的动态侦听方法，根据所侦听数据的实际情况来动态调整占空比，已达到节约节点能耗的目的。

首先，在NSZ-2.29仿真平台中构建一个无线传感器仿真平台，各节点间采用SMAC协议进行通信。当所侦听的数据流量负载发生变化时，则根据变化的负载找到占空比之间的对应关系，分析找出最佳占空比关系，取代SMAC协议中的对应的固定占空比关系，使得SMAC协议可以根据数据流量的变化自适应的调整最佳占空比，以达到实现最小的功耗目标。本次仿真所设计的无线传感器网络模型见图2所示，为8个节点的线性拓扑结构，假定每个节点中初始储能为300焦耳，节点间的侦听范围为550米，有效数据传输范围为250米。本次仿真中，从源节点周期性的发送l000byte的信息流传送到目的节点，采用UDP传输协议。发送功率为1W，接受功率为0.8W，空闲侦听功率为0.4W，休眠功率0.001W，路由协议为DSR。

2.3 仿真结果分析

SMAC通过定期监听/休眠达到节能的目的。在无线传感器网络中，最关心的是能源效率，以及整个网络的生命周期。吞吐量和延迟可以适当被牺牲以实现在一定程度上节约能源的目的。在SMAC协议中，假设间隔为sync-period，在这个时间间隔内可以由缓冲队列节点来预测在网络中的数据流量。详细算法如下：

a）设网络节点数为N，当传感器网络开始运行后，在间隔sync-Period时间内连续记录N个节点队列的长度值，依次表示为：Ql，Q2，...Qi，...，QN；

b）设R为节点队列中数据包的平均增长幅度，可以通过式（1）计算：

依公式（1），下表是通过大量的仿真实验得出的一组实验数据，见表（1）。

在仿真实验中，在SMAC协议中，分别设置占空比为10%、50%、70%清况下，发现数据包发送间隔从15到105依次递增，详细结果见图3和图4。

分析图3可以发现，当无线传感器网络的负荷较高时，各个节点的网络配置组成的占空比与能源消耗大致相同，在低负荷，SMAC节点几乎消耗相等的能量，且能量消耗普遍随着发送间隔增大有较明显的减少，原因可能是由于使用了低占空比的帧格式，同时，在这种情况下，大量的网络节点中的数据处于活动状态的时间太少，导致缺乏及时处理数据的能力，导致数据包丢失和重传，造成额外的能源消耗。

当数据包的传输时间增加，低占空比的信号帧需要较低的能量，显示出此时有着较好的节能效果。

从图4可以看出，发送间隔较短时，节点消耗的能量比较大，因为信号在发送时，功耗较大，而随着发送间隔增大，就没有传输可用的信号。当网络负载较高时，节点可以通过自适应调整节点的占空比，延长活动时间实现节省能耗的目的。当网络负载较低时，主动节点自适应的缩短时间，以节省消耗，但是由于此时处于活动状态的数据包太小，导致数据包不能及时被处理而丢失，造成节点能量浪费。和固定的占空比的SMAC机制进行比较表明：自适应占空比的协议机制和协议的有效期有效结合使用，具有更好的能源效率和很强的灵活性。

3 小结

本文通过无线传感器网络的基本概念的叙述，对SMAC协议的基本原理进行简要介绍，并对其进行深入研究分析，在NSZ-2.29编程软件中进行仿真。结果表明，自适应调整SMAC协议中的占空比，能取得很好的功率控制结果，进一步降低系统的能耗，延长系统的生存时间，具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] 崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005， 42（1）：163-174.

[2]毕冉，李建中.无线传感器网络中能量高效的Top-k监测算法[J].计算机研究与发展，2014，51（11）：2361-2373.

[3] 李跃，蒋文贤.无线传感器SMAC协议的自适应占空比调整机制研究[J].计算机科学，2012，39（10）：86-89.

[4] 孙力娟，魏静，郭剑，等.面向异构无线传感器网络的节点调度算法[J].电子学报，2014，42（10）：1907-1912.