无线传感器网络功率控制技术综述

摘要： 随着物联网在中国的发展，无线传感器网络（WSN）已成为当今的一个研究热点，由于WSN是一个能量受限网络，需要降低能量消耗以延长网络的正常使用寿命，功率控制技术正是降低其能量消耗的重要手段。为充分了解WSN功率控制技术研究现状，介绍了网络的功率控制问题，分析了无线传感器网络的功率控制技术，说明了研究基于跨层设计的功率控制技术的必要性。

Abstract: As the development of Internet of Things in China, Wireless Sensor Network（WSN）has become a hot spot of research at present. Reducing energy consumption is needed in order to prolong the life of the network since Wireless Sensor Network is energy restricted. This paper introduces the problems of power control in networks, analyzes the technologies of power control in wireless sensor network, and explains the necessity of researching power control based on cross-layer design for the sake of fully understanding the research status of power control in WSN.

关键词： 无线传感器网络；功率控制；跨层设计

Key words: wireless sensor network；power control；cross-layer design

中图分类号：TN929.5文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0139-02

0 引言

随着物联网在中国的发展，“物物相连，感知世界”的无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）已成为当今国内的一个研究热点。

无线传感器网络采用协作的方式，实时地感知、检测和处理被监测对象的信息，包括传感器技术、微电子技术、无线通信技术和分布式信息处理技术[1]，通过这些技术，将信息及时、精确地发送给Sink节点。

无线传感器网络的网络节点有限，往往需要与其他的实物一起使用一条传输媒介，这种资源受限型网络，只能在满足通信的前提下，通过有效的功率控制，尽量减少节点的能量消耗。这就使无线传感器网络的功率控制技术成为了无线传感器网络研究的核心问题之一。

1 网络中的功率控制问题

无线传感器网络中的功率控制问题是指分布在网络区域内的节点在无线通信过程中选择最恰当的功率级发送、接收分组，同时在网络空闲时通过关闭天线等方式有效地降低自身能量消耗，以达到更长的有效网络使用寿命的目的。由于无线传感器网络沿用了TCPIP的五层协议体系，其协议栈也包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，这与互联网协议栈的五层协议相对应。此外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，如图1所示，功率控制主要是通过结合网络层、数据链路层和物理层等技术来实现，基于上述目标，对应不同层次的功率控制思路如图1所示。

要想提高网络的能量效率，我们可采用如下的方法：加快数据的整理方法，对一些冗余的数据及时进行清理，转发数据包可采用多跳的方式，选择工作效率较高的路由，对于数据链路层而言，提高能量效率的方法包括：减少数据包的竞争冲突，减小控制数据包开销以及减少空闲监听时间和避免节点间的串扰。减少数据包的数量，避免它们之间的冲突，避免节点间的干扰，减少数据包的开销和减少监听时间，有效的提高节点的利用率。而对于物理层面而言，可以通过提高调制技术、编码技术、速率自适应技术、协作多输入多输出（MIMO）技术[3]等来完成。

2 无线传感器网络的功率控制技术

无线传感器网络研究的第一阶段是集中在微电子设计方面，尽量缩小网络节点的体积大小，包括设计微型处理器、存储器和无线收发设备等。目前，很多研究集中于第二阶段，即在现有的节点上，从网络协议方面，面向具体的应用领域，设计合理的协议模型，降低系统的能量消耗，延长整个网络的生存时间。

2.1 链路层功率调控技术 为了提高信息通道的利用率，增加空间复用度，我们可以在链路层功率上进行调整，在IEEE 802.11中，控制数据包和信息数据包往往采用最大功率传输，这样虽能保证网络连接的可靠性，但也造成了网络成本不必要的浪费，在WSN上，我们常采用对两种数据区别对待的方法，控制数据包用较大功率来发送，信息数据包用较小功率来发送，这样的话，就可以在最大程度上来节约成本。我们采用什么样的技术来降低功率，直接关系到我们网络运用的成本的多少，通常我们采用如下几种方法来降低降低网络的能量消耗。

2.1.1 降低功率 在现有的的条件下，我们可以采用降低功率的方法，因为它的网络节点是通过信道估计、拓扑估计或功率信息反馈来完成的，这种方法对网络节点要求没有那么高，在保证有效传输的条件下降低发射功率的富余量，以达到最合理利用能量的目的。

2.1.2 提高信号的有效利用率 在WSN中，我们常用的全向天线，往往是在不需要传输的方向上也发射信号，这样显然造成了能源的浪费，如果改用其他方法，如采用定向天线或智能天线，就可以只在数据传递方向上发射信号，而在接收信号的强度要求不变的情况下，可以大大降低发射节点的能量消耗。

2.1.3 采用干扰消除技术[4] 节点间能不能正常通信，取决于其接收节点的信干噪比（SINR）是否高于接收门限。衡量信号质量的标准不是信号的接收功率，而是信号的信干比SIR，即接收功率中有用信号的功率与总功率的比值；或者是信噪比SNR，即接收功率中有用信号的功率与噪声功率的比值。在加性高斯白噪声条件下，问题的重点是如何降低干扰噪声。这里需要明确一个问题，降低网络节点的发射功率是一个全网的概念，否则并不一定带来SINR的提高。

2.1.4 基于干扰规避的方法[5] MAC层上的功率控制技术是要解决在共享信道前提下如何保证用户的信干噪比（SINR），保证SINR的一个有效方法是干扰规避机制。当一个节点在进行传输前，通过计算当前的SINR需求后对潜在干扰节点广播一个冲突避免消息，这样其它节点将根据冲突避免消息（CA）来调整自身的发射功率的上限，从而实现功率控制。在使用干扰规避机制后，允许节点在将来的传输中，只要对正在进行的传输不构成冲突，便可进行数据传输。

2.2 网络层功率控制技术 网络层功率控制根据网络层获得的拓扑信息进行相应操作，主要有两个方面的问题：一是在特定的网络中如何使用最小发送功率来构成全连通网络；二是如何调整节点发射功率以提高网络性能[6]。

比较可行的方法是采用分布式启发算法来动态调整节点的发射功率。其基本思想是：当网络拓扑发生变化时，节点利用路由协议获得的邻居节点信息或网络的拓扑信息动态调整发射功率，最终使节点以最小的发射功率来构成一个全连通网络。

另一种方法是节点依据自身运行的链路状态类型路由协议中获得的网络拓扑信息来采取相应操作[7]。最初所有节点都以最大功率发送，并将网络拓扑记录在数据库中。之后，可按前面提到的方法增加或减小节点的发射功率。当新的路由信息到达时，如果获得的拓扑信息表明网络已经分裂，则节点可改为以最大功率发送。如果新的拓扑信息表明网络中存在单向连通链路，节点应增加自己的发射功率，使其变为双向链路，以修复此单向链路。

2.3 跨层功率控制技术 无线传感器网络中的功率控制不单是网络层或MAC层的问题，往往需要涉及物理层、链路层、网络层和传输层等多个层次，属于一个跨层设计的问题。如功率的调节影响信号是否可以正确传输、是否可以有效地到达接收方，从而影响到物理层和MAC层；节点采用过大的功率有可能会阻塞信息的传输，而拥塞控制是传输层的任务。但目前跨层设计的研究受到各种应用场景的限制，研究成果不多，技术不成熟。因此，如何针对不同场景，实现基于跨层设计的功率控制技术，成为需要研究的一个重要问题。

3 结论

功率控制技术在无线传感器网络中的应用是一个新的研究领域。协议的兼容性、实用性、简单性及相关硬件技术的发展将决定今后功率控制协议的研究方向。无线传感器网络从某种意义上可以被当作一种特殊的移动Ad hoc网络，可以借鉴移动Ad hoc网络功率控制的一些研究成果，但是必须考虑到两者系统设计目标的不同。功率控制有助于提高系统的性能，但是引入功率控制会增加系统的复杂度，从而要求硬件必须具有较高的处理能力。由于功率控制几乎涉及到了WSN的各个层次，因此，研究基于跨层设计的功率控制技术就变得尤为重要。功率控制技术只有在不牺牲系统性能的前提下降低其实现的复杂度和硬软件技术的进一步提高，才能被真正应用于实际中。

参考文献：

[1]Akyildiz I F，Su W，Cayirci E．Wireless Sensor Networks：A Survey[J]．Computer Networks，2002，38，（3）：393-422．

[2]Goldsmith A J，Wicker S B．Design Challenges for Energy-Constrained Ad hoc Wireless Network[J]．IEEE Wireless Communications，2002，9，（8）：8-26．

[3]张大踪，杨涛，魏东梅.无线传感器网络的功率控制[J].信号与系统，2007，12，（1）：35-38.

[4]郑少仁，王海涛，赵志峰等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005，（1）.

[5]黎宁，郑少仁.Ad Hoc网络中的功率控制和节能技术[J].中国数据通信，2003，5，（3）：102-106.

[6]朱江，李少谦.无线传感器网络功率控制技术[J].中兴通讯技术，2005，11，（4）：47-50.

[7]李方敏，徐文君，刘新华.无线传感器网络功率控制技术[J].软件学报，2008，19，（3）：716-732.