基于無線傳感器網絡的拓撲控制算法

張豐磊 趙興旺

摘要：在無線傳感器網絡能量的研究中，功率控制技術是節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展形勢。

關鍵詞：網絡能量；功率控制；算法

無線傳感器網絡（WSN）是一種用于觀察、檢測、感知并采集信息的監測管理網絡，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，從而真正實現了“普適計算”模式。無線傳感器網絡（WSN）是集信息采集、傳輸以及處理于一體的智能信息管理系統，應用前景廣闊，是目前比較活躍的一個領域。WSN是一種由大量微傳感器節點組成的自組織網絡，拓撲控制是最基本問題之一。拓撲控制就是要研究如何形成一個良好的網絡拓撲結構，為數據融合、路由協議以及目標定位等其他技術提供支撐。

傳感器網絡節點由電池供電，常用于環境監測、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約網絡能量的一個主要方法。網絡常采用功率控制算法提升網絡性能。從網絡層角度分析，可以將算法分為3種，一是網絡級功率控制算法；二是鄰居節點級功率控制算法；三是獨立節點級功率控制算法。其三者的區別主要在于節點發射功率是否統一，是否可以根據實際改變大小。

一、關于無線傳感器網絡拓撲控制的設計目標

對于無線傳感器網絡來說，一個良好的網絡拓撲結構能夠有效的提高路由協議和MAC協議的效率；在保證網絡節點的連通性、降低能量的損耗、延長網絡生命周期、減小節點間的通信干擾、提高通信效率等方面具有很好的作用，所以，在以下幾個方面作為無線傳感器網絡拓撲結構的設計目標。

一是保證監測區域覆蓋和網絡連通

由于覆蓋控制是拓撲控制的基本問題，故網絡覆蓋質量成為首要考慮的目標。即在保證一定覆蓋質量的前提下，也要保證網絡的連通性，這樣才能既能有效的監測目標區域內的問題和現象，又能保證及時的將監測結果傳遞給其它網絡節點，讓其做出處理。

二是合理利用能量，延長網絡生命周期

由于傳感器網路中的節點能量是由電池提供的，能量有限，所以合理利用能量也是保證網路生命周期不可忽視的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網絡連通性和覆蓋質量的情況下，盡量合理高效地使用網絡能量，延長整個網絡的生存時間。

三是減小節點間的通信干擾，提高網絡通信效率

一般情況下無線傳感器網絡中節點數目比較多且布置密集，如果每個節點都由其自身最大的功率進行通信時，會加劇節點間的通信干擾，減低通信效率，同時也會造成能量的浪費；同時如果選擇太小的發射功率，無法保證網絡的連通性質量。所以要在連通性和通信干擾間尋找一個平衡點。

四是確定移動節點和骨干節點，便于數據的傳輸與處理

在無線傳感器網絡中，數據的轉發需要通過移動的節點，而移動節點的確定則是由拓撲控制來選擇確定的。而傳感器網絡中的數據還需要進行融合，數據的融合則需要通過骨干節點發給專門收集數據的節點。所以，對無線傳感器網絡拓撲結構的優化，是對路由協議、數據融合和數據傳輸提供很好的基礎。

二、典型的功率控制算法

（一）網絡級功率控制算法

（1）COMPOW（Common Power）算法

采用COMPOW算法的網絡節點首先以大小不同的發射功率對網絡進行連通并探測網絡環境，然后選擇適合當前環境的最小的發射功率作為所有節點統一的發射功率。其優點是可以使網絡平衡并解決網絡不對稱引起的隱蔽終端問題等；缺點是不能根據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算法的網絡節點首先要確定自身節點與每一個相鄰節點之間的發射功率，將功率大小進行比較，選擇其中能保證網絡連通的最佳發射功率，然后采用洪泛的方式通知所有節點將最佳功率做為全網統一接收發送功率。其優點是適合應用在大規模網絡中；缺點是最佳功率的選擇過程比較復雜。

（二）鄰居節點級功率控制算法

（1）CLUSTERPOW （CLUSTER POWER）算法

采用CLUSTERPOW算法的網絡節點首先為自身設定3個不同大小的發射功率。然后節點根據自身與鄰居節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點并選擇3個功率中最適當的發射功率進行數據傳輸。其優點是功率之間可以相互切換，減少能量消耗，提高網絡吞吐量；缺點是節點負擔過重，容易退出網絡。

（2）基于節點度的算法

基于節點度的算法最典型的是LMA（localmean algorithm）算 法 和LMN（local mean ofneighbors algorithm）算法。算法中節點要根據傳輸的信息或采集信息不斷更改自身節點的發射功率，一要保證網絡節點的度數在允許的范圍內，二要保證網絡節點相互連通。兩個算法除了節點度數的計算方式不同，其余均相同。其優點是優化網絡拓撲，節約網絡能量；缺點是節點之間的鏈路存在冗余性，網絡連通復雜度高。

三、結語

本文簡單地介紹了無線傳感器網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。某些算法的系統分析和工作原理過于理想化。鑒于WSN功率控制技術的發展，未來的研究熱點可能為：算法與其他功能機制的結合，考慮實際應用的環境，提高網絡的自適應性以及系統的穩定性。

參考文獻：

[1]徐平平.無線傳感器網絡[M].北京：電子工業出版社，2016.

[2]張燕.無線傳感器網路、原理、設計和應用[M].北京：機械工業出版社，2015.