無線傳感器網(wǎng)絡功率控制算法研究綜述

矯 樂 苗 卓 郝興浩

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

無線傳感器網(wǎng)絡功率控制算法研究綜述

矯 樂 苗 卓 郝興浩

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

在無線傳感器網(wǎng)絡能量的研究中，功率控制技術是節(jié)省能量的核心技術之一，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存在的不足以及未來的發(fā)展形勢。

網(wǎng)絡能量；功率控制；算法

0.引言

無線傳感器網(wǎng)絡（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，被稱為 21 世紀最重要的技術之一。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。

傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由電池供電，常用于環(huán)境監(jiān)測、健康護理、智能家居等領域，一般不能更換電池，能量有限。功率控制技術是目前節(jié)約網(wǎng)絡能量的一個主要方法。網(wǎng)絡常采用功率控制算法提升網(wǎng)絡性能。從網(wǎng)絡層角度分析，可以將算法分為3種，一是網(wǎng)絡級功率控制算法；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。

1.典型的功率控制算法

1.1 網(wǎng)絡級功率控制算法

（1）COMPOW（Common Power）算法

采用COMPOW算法的網(wǎng)絡節(jié)點首先以大小不同的發(fā)射功率對網(wǎng)絡進行連通并探測網(wǎng)絡環(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)絡平衡并解決網(wǎng)絡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整，浪費能量。

（2）CPC （Common Power Control）算法

采用CPC算法的網(wǎng)絡節(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)點是適合應用在大規(guī)模網(wǎng)絡中；缺點是最佳功率的選擇過程比較復雜。

1.2 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)絡節(jié)點首先為自身設定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)絡吞吐量；缺點是節(jié)點負擔過重，容易退出網(wǎng)絡。

（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（local mean algorithm）算法和LMN（local mean of neighbors 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)絡節(jié)點的度數(shù)在允許的范圍內，二要保證網(wǎng)絡節(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)絡拓撲，節(jié)約網(wǎng)絡能量；缺點是節(jié)點之間的鏈路存在冗余性，網(wǎng)絡連通復雜度高。

1.3 獨立節(jié)點級功率控制算法

（1）BASIC算法

采用BASIC算法的網(wǎng)絡節(jié)點首先以自身節(jié)點允許的最大發(fā)射功率向目的節(jié)點發(fā)射請求發(fā)送幀RTS（Request To Send），目的節(jié)點收到RTS后，計算其與信息源節(jié)點之間的最小發(fā)射功率，以最小發(fā)射功率向信息源節(jié)點發(fā)送允許發(fā)送幀CTS（Clear To Send），然后節(jié)點之間均采用最小發(fā)射功率完成信息傳輸。其優(yōu)點是網(wǎng)絡節(jié)點采用不同的發(fā)射功率，減少能量浪費；缺點是載波偵聽環(huán)帶中的節(jié)點可能收不到請求發(fā)送或允許發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，容易與正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀發(fā)生沖突。

（2）SSEC（Sensor Stable Efficient Clustering）算法

SSEC算法是一種動態(tài)處理網(wǎng)路節(jié)點變化的分簇路由算法。采用SSEC算法的網(wǎng)絡節(jié)點首先為自身節(jié)點設定一個時間值，在時間段內向其他鄰居節(jié)點發(fā)送能量請求消息RTE（Request to Energy），然后將收到的能量消息與自身剩余能量比較，若自身能量高，將設為簇首節(jié)點，否則設為該簇的子節(jié)點，每一輪的工作都將以能量為參考，實行簇首節(jié)點輪換制。該算法的優(yōu)點是有效處理BASIC算法中不能解決的隱蔽終端問題，網(wǎng)絡連通度高；其缺點是節(jié)點發(fā)射功率固定，相互傳輸信息時會造成干擾，傳輸路徑選擇性大，節(jié)點間消耗能量不均等問題。

結語

本文簡單地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡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功率控制技術無論在理論上還是實際應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合，考慮實際應用的環(huán)境，提高網(wǎng)絡的自適應性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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