基于无线传感器网络的拓扑控制算法

张丰磊 赵兴旺

摘要：在无线传感器网络能量的研究中，功率控制技术是节省能量的核心技术之一，本文首先介绍了功率控制算法的分类，其次给出了几种典型的算法并简要说明其优缺点，最后简述目前功率控制技术存在的不足以及未来的发展形势。

关键词：网络能量；功率控制；算法

无线传感器网络（WSN）是一种用于观察、检测、感知并采集信息的监测管理网络，被称为21世纪最重要的技术之一。随着WSN的兴起，人们可以随时随地、以任何方式获取以及处理信息，从而真正实现了“普适计算”模式。无线传感器网络（WSN）是集信息采集、传输以及处理于一体的智能信息管理系统，应用前景广阔，是目前比较活跃的一个领域。WSN是一种由大量微传感器节点组成的自组织网络，拓扑控制是最基本问题之一。拓扑控制就是要研究如何形成一个良好的网络拓扑结构，为数据融合、路由协议以及目标定位等其他技术提供支撑。

传感器网络节点由电池供电，常用于环境监测、健康护理、智能家居等领域，一般不能更换电池，能量有限。功率控制技术是目前节约网络能量的一个主要方法。网络常采用功率控制算法提升网络性能。从網络层角度分析，可以将算法分为3种，一是网络级功率控制算法；二是邻居节点级功率控制算法；三是独立节点级功率控制算法。其三者的区别主要在于节点发射功率是否统一，是否可以根据实际改变大小。

一、关于无线传感器网络拓扑控制的设计目标

对于无线传感器网络来说，一个良好的网络拓扑结构能够有效的提高路由协议和MAC协议的效率；在保证网络节点的连通性、降低能量的损耗、延长网络生命周期、减小节点间的通信干扰、提高通信效率等方面具有很好的作用，所以，在以下几个方面作为无线传感器网络拓扑结构的设计目标。

一是保证监测区域覆盖和网络连通

由于覆盖控制是拓扑控制的基本问题，故网络覆盖质量成为首要考虑的目标。即在保证一定覆盖质量的前提下，也要保证网络的连通性，这样才能既能有效的监测目标区域内的问题和现象，又能保证及时的将监测结果传递给其它网络节点，让其做出处理。

二是合理利用能量，延长网络生命周期

由于传感器网路中的节点能量是由电池提供的，能量有限，所以合理利用能量也是保证网路生命周期不可忽视的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖质量的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。

三是减小节点间的通信干扰，提高网络通信效率

一般情况下无线传感器网络中节点数目比较多且布置密集，如果每个节点都由其自身最大的功率进行通信时，会加剧节点间的通信干扰，减低通信效率，同时也会造成能量的浪费；同时如果选择太小的发射功率，无法保证网络的连通性质量。所以要在连通性和通信干扰间寻找一个平衡点。

四是确定移动节点和骨干节点，便于数据的传输与处理

在无线传感器网络中，数据的转发需要通过移动的节点，而移动节点的确定则是由拓扑控制来选择确定的。而传感器网络中的数据还需要进行融合，数据的融合则需要通过骨干节点发给专门收集数据的节点。所以，对无线传感器网络拓扑结构的优化，是对路由协议、数据融合和数据传输提供很好的基础。

二、典型的功率控制算法

（一）网络级功率控制算法

（1）COMPOW（Common Power）算法

采用COMPOW算法的网络节点首先以大小不同的发射功率对网络进行连通并探测网络环境，然后选择适合当前环境的最小的发射功率作为所有节点统一的发射功率。其优点是可以使网络平衡并解决网络不对称引起的隐蔽终端问题等；缺点是不能根据实际情况进行功率的调整，浪费能量。

（2）CPC（Common Power Control）算法

采用CPC算法的网络节点首先要确定自身节点与每一个相邻节点之间的发射功率，将功率大小进行比较，选择其中能保证网络连通的最佳发射功率，然后采用洪泛的方式通知所有节点将最佳功率做为全网统一接收发送功率。其优点是适合应用在大规模网络中；缺点是最佳功率的选择过程比较复杂。

（二）邻居节点级功率控制算法

（1）CLUSTERPOW （CLUSTER POWER）算法

采用CLUSTERPOW算法的网络节点首先为自身设定3个不同大小的发射功率。然后节点根据自身与邻居节点位置的远近建立路由表，当传输信息时，查询路由表选择最合适的下一跳节点并选择3个功率中最适当的发射功率进行数据传输。其优点是功率之间可以相互切换，减少能量消耗，提高网络吞吐量；缺点是节点负担过重，容易退出网络。

（2）基于节点度的算法

基于节点度的算法最典型的是LMA（localmean algorithm）算 法 和LMN（local mean ofneighbors algorithm）算法。算法中节点要根据传输的信息或采集信息不断更改自身节点的发射功率，一要保证网络节点的度数在允许的范围内，二要保证网络节点相互连通。两个算法除了节点度数的计算方式不同，其余均相同。其优点是优化网络拓扑，节约网络能量；缺点是节点之间的链路存在冗余性，网络连通复杂度高。

三、结语

本文简单地介绍了无线传感器网络功率控制算法的分类以及几种典型算法，简述算法原理并说明其优缺点。近年来，WSN功率控制技术无论在理论上还是实际应用中都得到高度重视，也取得了一定的成果，但是仍然存在一些问题需要进一步研究。如某些算法的应用范围局限于自身条件不能普遍使用。某些算法的系统分析和工作原理过于理想化。鉴于WSN功率控制技术的发展，未来的研究热点可能为：算法与其他功能机制的结合，考虑实际应用的环境，提高网络的自适应性以及系统的稳定性。

参考文献：

[1]徐平平.无线传感器网络[M].北京：电子工业出版社，2016.

[2]张燕.无线传感器网路、原理、设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2015.