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        基于無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制算法

        2018-09-10 10:24:07張豐磊趙興旺
        環(huán)球市場 2018年2期
        關鍵詞:算法

        張豐磊 趙興旺

        摘要: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。

        關鍵詞:網(wǎng)絡能量;功率控制;算法

        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。無線傳感器網(wǎng)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(tǒng),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(jié)點組成的自組織網(wǎng)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(wǎng)絡拓撲結構,為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標定位等其他技術提供支撐。

        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。

        一、關于無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的設計目標

        對于無線傳感器網(wǎng)絡來說,一個良好的網(wǎng)絡拓撲結構能夠有效的提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率;在保證網(wǎng)絡節(jié)點的連通性、降低能量的損耗、延長網(wǎng)絡生命周期、減小節(jié)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(wǎng)絡拓撲結構的設計目標。

        一是保證監(jiān)測區(qū)域覆蓋和網(wǎng)絡連通

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

        二是合理利用能量,延長網(wǎng)絡生命周期

        由于傳感器網(wǎng)路中的節(jié)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(wǎng)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(wǎng)絡連通性和覆蓋質(zhì)量的情況下,盡量合理高效地使用網(wǎng)絡能量,延長整個網(wǎng)絡的生存時間。

        三是減小節(jié)點間的通信干擾,提高網(wǎng)絡通信效率

        一般情況下無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目比較多且布置密集,如果每個節(jié)點都由其自身最大的功率進行通信時,會加劇節(jié)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(fā)射功率,無法保證網(wǎng)絡的連通性質(zhì)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(jié)點和骨干節(jié)點,便于數(shù)據(jù)的傳輸與處理

        在無線傳感器網(wǎng)絡中,數(shù)據(jù)的轉發(fā)需要通過移動的節(jié)點,而移動節(jié)點的確定則是由拓撲控制來選擇確定的。而傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)還需要進行融合,數(shù)據(jù)的融合則需要通過骨干節(jié)點發(fā)給專門收集數(shù)據(jù)的節(jié)點。所以,對無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的優(yōu)化,是對路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸提供很好的基礎。

        二、典型的功率控制算法

        (一)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(diào)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。

        (二)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(localmean algorithm)算 法 和LMN(local mean ofneighbors 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(nèi),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。

        三、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。

        參考文獻:

        [1]徐平平.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.

        [2]張燕.無線傳感器網(wǎng)路、原理、設計和應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

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