《技术报告 - 20111019- WSN的功率控制技术总结报告 - 张震》由会员分享，可在线阅读，更多相关《技术报告 - 20111019- WSN的功率控制技术总结报告 - 张震（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、V0.1 融合网络关键技术WSNWSN 的功率控制技术总结报告的功率控制技术总结报告时间2011-10-19文档编号版本上海无线通信研究中心 研发一部 融合网络组保密融合网络关键技术上海无线通信研究中心 研发一部 融合网络组 保密文档2 of 6内容1 概述.32 功率控制技术的分类.32.1 与路由协议结合的功率控制技术.32.2 基于节点度的功率控制技术.32.3 基于方向的功率控制技术 .32.4 基于临近图的功率控制技术.33 功率控制技术对 WSN 的影响。 .43.1 对网络层的影响.43.2 对物理层的影响.43.3 对 MAC 层的影响.43.4 小结.54 基于功率控制的 M
2、AC 协议（PCSMAC）.5融合网络关键技术上海无线通信研究中心 研发一部 融合网络组 保密文档3 of 61 1 概述概述WSN有很多特点，其中最重要的一个特点就是节点的能量有限性，如何减少各层的功耗是当前的研究重 点，功率控制技术就是其中的方法之一。所谓功率控制，一般是指在保证WSN网络连通的前提下，以延 长网络生命期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟等其它性能，为传感器节点选择合适的发射功率.2 2 功率控制技术的分类功率控制技术的分类 目前业界对 WSN 的功率控制技术的研究主要集中在以下几个方向：2.1 与路由协议结合的功率控制技术基本思想是认为拓扑控制属于网络层，拓扑控制应该与路
3、由协议相结合。代表性的工作有伊利诺斯大学的 Narayanaswamy 等人提出的 COWPOW，Kawadia 和 Kumar 提出的 CLUSTERPOW 等。 COWPOW 的基本思想是所有 的传感器节点使用一致的发射功率，在保证网络连通的前提下，将功率最小化。在节点分布均匀的情况下， COMPOW 具有较好的性能。但是一个相对孤立的节点会导致所有的节点使用很大的功率，所以在节点分布不 均的情况下，它的缺陷是明显的。CLUSTERPOW 是对 COMPOW 的改进。其基本思想是：每个节点运行一个工 作在各个功率层上的路由协议。但是 CLUSTERPOW 的开销太大。2.2 基于节点度的功
4、率控制技术基本思想是给定节点度的上限和下限，动态调整节点的发射功率，使得节点的度数落在上限和下限之 间. 基于节点度的功率控制一般对传感器节点没有太高的要求，但是基于节点度数的算法难于理论分 析，一般不能保证网络的连通性. 具有代表性的基于节点度算法有柏林工业大学的Kubisch 等人提出 的LMA 和LMN等。2.3 基于方向的功率控制技术基本思想是发射功率的选择要保证给定角度的、以节点为顶点的任意锥形区域内至少有一个邻居。基 于方向的算法需要可靠的方向信息，因而需要很好地解决到达角度问题，节点需要配备多个有向天线， 因而对传感器节点提出了较高的要求。代表性的算法有微软研究院的Wattenh
5、ofer 和康奈尔大学的Li 等人提出的CBTC、麻省理工学院的Bahramgiri 等人提出的容错的CBTC等。2.4 基于临近图的功率控制技术基本思想是每个节点根据邻近图中的最远邻接节点来确定发射功率. 经典的邻近图模型有 RNG（Relative Neighborhood Graph），GG（Gabriel Graph），YG（Yao Graph）和 MST（Minimum2009 年1 月Spanning Tree）等。基于邻近图的功率控制的最大缺陷是需要精确的位置 信息。代表性的算法有伊利诺斯大学的Li 和Hou 提出的DRNG 和DLMST等。3 3 功率控制技术对功率控制技术对W
6、SNWSN的影响。的影响。3.1 对网络层的影响融合网络关键技术上海无线通信研究中心 研发一部 融合网络组 保密文档4 of 6功率控制技术可以决定网络拓扑结构，如果以提高系统的能量效率为目的，就要维持全网络的最小连 通性，也就是在节点分布特定的情况下，如何以最小的发射功率确保整个网络的连通性(单向或双向连 通)，从图中可以看出发射功率太小，会导致网络不能连通，若干个节点会形成彼此无法到达的孤岛， 从而使得网络性能受到严重影响；发射功率很大可以保证网络的连通性，但却造成了能量的浪费，而 且降低了频谱的空间复用度，加剧了MAC层的竞争冲突；（b）显示了系统能量效率和网络连通性的折 衷方案，以较小
7、的发射功率确保整个网络的连通，即保障最小连通性。3.2 对物理层的影响和CDMA 蜂窝移动通信系统一样无线传感器网络中也会存在所谓的“远近效应”问题：如图假设网络中 有3 条活动链路，如果发送节点以相同的功率发送信号，他们彼此之间就会产生干扰，对接收端N1 而 言，干扰来自N5 和N4，由于N1 离N5 比较近而离N4 比较远，所以可以假设干扰只来自N5 而忽略N4， 虽然对于某一特定接收端而言这些距离较远的活动链路造成的干扰很小，但是如果活动链路数较多， 较小的干扰叠加起来仍然会显著降低网络的性能。采用功率控制技术能有效消除“远近效应”。3.3 对MAC层的影响融合网络关键技术上海无线通信研
8、究中心 研发一部 融合网络组 保密文档5 of 6减少数据包的竞争冲突是提高MAC层能量效率的主要手段之一，这是因为当两个节点传送的数据包发生 冲突时， 两个数据包被损坏，此时节点消耗在发送和接收数据上的能量被浪费掉了，而功率控制可以 降低MAC的冲突率，提高MAC层的能效。对于网络层而言，功率控制是以较小的发射功率保证网络的连 通性，而对于MAC层而言则是在保证节点有一定数量邻居节点的前提下，尽量减小冲突域，从而使冲突 的概率尽可能小。所谓冲突域是由共享同一物理介质并且因为竞争介质 的使用权而可能导致冲突的若干节点组成的，如图所 示，当节点N1 和N2 、N3 和N4 之间在通信时，如果 N
9、1的发送功率很大(如30 mW)，此时可能因为N4 和N3 在相互通信而导致在N4处发生冲突，这样N1和N4就构 成了冲突域，假如4个节点都以较小的功率( 如10 mW) 通信，则它们之间就不会构成冲突域，同时还节省了 能量，如果N1要和N4通信，可将发射功率调大。3.4 小结 从以上分析可以看出，功率控制技术是一个典型的跨 层设计问题，它不仅可以减小物理层信号间的干扰， 提高信号的传输质量和频谱的空间复用度， 而且由 于节点的发射功率大小决定了其邻居节点的数量，网络的连通性等，它还对MAC层和网络层的性能产生 影响，通常功率控制技术都是和物理层的干扰抑制技术，MAC层的调度机制，网络层的路由
10、算法结合考 虑的。4 4 基于功率控制的基于功率控制的MACMAC协议（协议（PCSMACPCSMAC）S-MAC，T-MAC 和D-MAC 的基本思想都是通过周期性的“工作/休眠”状态转换的方法来达到节省能量 的目的，节点始终采用恒定的发射功率传送数据包。S-MAC 协议将时间分为时隙，时隙长度由应用程 序确定，时隙内分为工作阶段和休眠阶段。在休眠阶段，节点关闭射频模块，缓存在这期间采集数据， 在工作阶段集中发送。在工作阶段的开始，发送节点启动同步机制并决定时隙的划分方式，之后通过 (RTS/CTS/DATA/ACK) 四步握手机制发送数据，避免了冲突造成的能量浪费。通过同步消息，相邻节点
11、可以采用相同的工作/休眠策略，新节点也可以加入进来，这种机制在协议中称为虚拟簇。一般来说, RTS、CTS和ACK等控制帧的发送功率要大于DATA信息的发送功率,因为RTS、CTS和ACK等控制 帧不仅要让目标节点接收到,还要让可能存在的干扰节点接收到,当干扰节点接收到这些与自己无关的 控制信息时就会转入睡眠状态,也就不会干扰源节点和目的节点之间的通信了。针对这一问题，Pelin等人提出了采用发射功率控制技术来进一步达到节能的目的，称为PCSMAC。主要 思想是：该协议不仅对每个节点进行功率控制,还对每个节点发送的不同分组也进行不同的控制。 RTS,CTS,ACK等控制帧与DATA信息所采用的发射功率并不完全相同,这样就可以最大限度的节省传感器 节点发射模块能耗的同时还可以保证了较低的数据碰撞几率。融合网络关键技术上海无线通信研究中心 研发一部 融合网络组 保密文档6 of 6参考文献1 Pelin C Nar,Erdal Cayirci.PCSMAC:A Power controlled sensor-MAC protocol for wirele
