一種自適應(yīng)功率控制算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

齊志遠(yuǎn)

摘 要：文中特別采用一種自適應(yīng)功率控制和調(diào)度算法，能夠在WSN中基站的輔助下，簇首能夠在對鄰居簇首調(diào)度和功率等級表進(jìn)行監(jiān)聽的情況下，對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率級和時(shí)隙進(jìn)行自適應(yīng)的安排。

關(guān)鍵詞：WSN；簇間干擾；自適應(yīng)功率控制

1 引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即WSN中，常采用經(jīng)典低功耗自適應(yīng)聚類（LEACH）跨層協(xié)議方法，可以將WSN劃分成多個(gè)簇形式，而位于簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)則可以通過時(shí)分服務(wù)，即TDMA方式和簇首來實(shí)現(xiàn)通信，也就是說，任何成員節(jié)點(diǎn)都只在屬于其自己TDMA的時(shí)隙和簇首內(nèi)進(jìn)行通信，而在其他的時(shí)隙內(nèi)則處于休眠狀態(tài)。所以，本文中，針對LEACH協(xié)議中簇間干擾和浪費(fèi)問題，介紹了一種自適應(yīng)的功率控制和調(diào)度算法。

2 簇間干擾

采用LEACH協(xié)議，有很多優(yōu)點(diǎn)，但并沒有實(shí)現(xiàn)對成員節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的優(yōu)化，因?yàn)閷τ诖厥纵^遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，以及距離簇首節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)，都采用已經(jīng)設(shè)定的最大功率來發(fā)射，這種方法會造成節(jié)點(diǎn)能量的不必要浪費(fèi)，從而給WSN的生存周期帶來影響。

在經(jīng)典LEACH協(xié)議中，主要采用碼分多址，即CDMA技術(shù)來對簇間的干擾問題進(jìn)行解決，但是，該算法的原創(chuàng)人員并沒有對簇首安排CDMA擴(kuò)頻碼的過程進(jìn)行說明，同時(shí)，這種方案還需要對信息進(jìn)行復(fù)雜的編碼和解碼過程，就要求節(jié)點(diǎn)還必須有特殊硬件的支持。

所以，本文內(nèi)容中介紹了一種基于輔助基站的，能夠?qū)β蔬M(jìn)行自適應(yīng)控制和調(diào)度的算法，該算法可以確保每個(gè)簇首處都保存有一張調(diào)度和功率等級表，也就是SAPL表。平時(shí)，整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)都出休眠狀態(tài)下，只有在其自身的TDMA通信時(shí)隙醒來時(shí)，才會根據(jù)SAPL中的功率分配等級和簇首進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，從而可以為功率浪費(fèi)問題的解決提供一種途徑。對于網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn)，則可以通過對臨近簇首的SAPL和基站告知的交疊節(jié)點(diǎn)ID的監(jiān)聽，來實(shí)現(xiàn)對本簇節(jié)點(diǎn)的合理安排，從而有效避免了簇間干擾的發(fā)生。

3 適應(yīng)功率控制及調(diào)度算法APCAS

3.1 算法描述

本文算法中，主要包括簇內(nèi)調(diào)度階段和簇間調(diào)度階段。其中，簇內(nèi)調(diào)度階段可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度和功率等級表SAPL的獲取過程，相應(yīng)的，簇間調(diào)度階段可以實(shí)現(xiàn)SAPL的更新過程。

3.2 成簇及簇內(nèi)調(diào)度階段

在成簇和簇內(nèi)調(diào)度階段，除了完成節(jié)點(diǎn)對簇首成簇的選擇任務(wù)外，還需要完成對SAPL表中功率等級Pm的獲取和TDMA的調(diào)度。⑴簇首對MAC命令幀進(jìn)行廣播，通知周圍普通節(jié)點(diǎn)加入；⑵普通節(jié)點(diǎn)則選擇信號強(qiáng)度為最強(qiáng)的簇首作為其自身的簇首，然后，再以功率Pt向簇首發(fā)送一個(gè)入簇消息，同時(shí)將功率Pt的大小記錄在MAC幀中；⑶簇首對其周圍的請求入簇節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行收集，并將接收到的信號的節(jié)點(diǎn)編入該簇，物理層對RSSI值進(jìn)行測試，簇首負(fù)責(zé)對跟該成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)所需要的發(fā)送功率等級Pm進(jìn)行計(jì)算；⑷簇首為所有的成員節(jié)點(diǎn)安排TDMA時(shí)隙，最終完成SAPL表，之后，將該表向其成員節(jié)點(diǎn)、鄰居簇首和sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)，將SAPL中的初始更新標(biāo)志位都設(shè)置為0；⑸在接收到簇首的SAPL表后，sink節(jié)點(diǎn)會通知所有簇首的交疊節(jié)點(diǎn)ID，同時(shí)隨機(jī)選擇一個(gè)簇首并將其作為錨簇首，然后再將其SAPL表的更新標(biāo)志位設(shè)置為1，之后進(jìn)入簇間調(diào)度階段。

3.3 簇間調(diào)度階段

在簇間調(diào)度階段，可以實(shí)現(xiàn)對SAPL表的更新操作，減少簇間干擾。在本階段，主要是通過sink節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)SAPL更新MAC命令幀來完成的。⑴所有簇首在接到sink節(jié)點(diǎn)所廣播的SAPL更新命令幀后，錨簇首則可以將其SAPL表的更新標(biāo)志位設(shè)置為1，之后，在對其自身SAPL表進(jìn)行廣播，而非錨簇首則順序進(jìn)入簇間調(diào)度階段；⑵如果更新標(biāo)志位為1的簇首，接收到更新標(biāo)志位為1或者0的SAPL表，則不進(jìn)行任何操作；如果是更新標(biāo)志位0的簇首接收到更新標(biāo)志位為1的SAPL表，則首先對跟該簇的交疊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查看，如果沒有則舍棄SAPL表，如果有則進(jìn)入TDMA的重新調(diào)度階段；⑶簇首完成了對SAPL表的更新操作后，還應(yīng)該將其更新標(biāo)志位設(shè)置為1，并將更新后的SAPL表項(xiàng)成員節(jié)點(diǎn)、鄰居簇首和sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播和傳送；相應(yīng)的，成員節(jié)點(diǎn)在接收到簇首所傳送的更新標(biāo)志位為1的SAPL表后，則應(yīng)將其作為最終通信標(biāo)準(zhǔn)，而sink節(jié)點(diǎn)則同步實(shí)現(xiàn)SAPL表的更新過程；⑷對于sink節(jié)點(diǎn)，需要通過對所有簇首的SAPL更新標(biāo)志位進(jìn)行檢查，在標(biāo)志位為1的情況下，則結(jié)束簇間調(diào)度，然后，再通過對一個(gè)MAC命令幀的廣播來開啟新的數(shù)據(jù)傳輸階段。

在本文中，所介紹的APCAS算法主要利用通過自適應(yīng)的思想來對功率進(jìn)行控制，達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的目的，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)則可以通過對鄰居節(jié)點(diǎn)SAPL表的監(jiān)聽，來對本簇干擾節(jié)點(diǎn)的TDMA時(shí)隙進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，達(dá)到減少簇間干擾的目的。通過實(shí)驗(yàn)表明，文中所介紹算法能夠有效減少WSN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量消耗，將簇間的干擾減少到較低的水平，跟不采用CDMA技術(shù)的LEACH協(xié)議相比要降低五成，效果非常明顯。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李成岳，陳海鵬，孫恩巖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH路由算法的研究與改進(jìn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010， 23（8）：1163-1167.

[2]張偉華，李臘元，張留敏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議能耗均衡改進(jìn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（11）：1619-1922.