CN101466135B - 一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法，属于无线通信技术领域，该方法包括：发送节点发出N个数据包到接收节点；根据确认帧的数量计算收包率q；当收包率q高于预设下限qt时，若发射功率P为最小值Pmin，则结束；若P不为最小值，则调低P，根据确认帧的数量计算新收包率q；若收包率q低于预设下限qt，且当前P不为最大值，则调高P，结束；若收包率q低于预设下限qt，且当前P为最大值Pmax，则暂存当前发射功率下的丢包率为qmax；发送节点调低P，并发出N个数据包到接收节点；根据确认帧的数量计算收包率q；若收包率q不低于r*qmax，则根据确认帧的数量计算新收包率q；若收包率q低于r*qmax，则调高P结束。本发明可以保证无线节点以满足应用要求的最小能耗工作，有效延长无线节点的存活时间。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及使用低功耗无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)技术进行通讯、传感、控制的应用场景的节约无线节点能耗的发射功率调节方法，适用于IEEE 802.11，Zigbee等无线协议框架。
背景技术
近年来，无线网络技术发展迅速，基于无线网络的通讯、传感、控制系统具有自组织成网、移动性强、布置灵活等特点，在工业、农业、交通、军事、安全、医疗等各个方面有着极为广阔的应用前景。为了保证系统的灵活性，无线节点大都采用电池供电的方式，随着节点微型化的发展，节点所能携带的电池电量较为有限，系统长时间工作的需求与节点能量有限的矛盾非常突出，如何节能成为无线网络应用中的一个重要问题。
基本的无线节点包含控制器和无线收发器两部分，无线收发器的能耗要远高于控制器本身，因此节能主要体现在无线通讯的设计之中。
当前的节能技术包含三个方面：1)芯片层，通过提高芯片集成度等技术实现低功耗；2)媒体接入控制(MAC)层，采用802.11中的节能模式(PSM)，通过节点间的协作在无任务时进入休眠以节约功耗；3)在MAC层，调低节点的发射功率；第一个方面的技术进步可以让所有应用受益，第二个方面的使用效果与具体应用相关，第三个方面现有的方法是根据无线信道衰减模型计算发射功率，该方法适用于理想环境，主要体现在理论分析层面，并未获得实际应用。本发明属于第三个方面。
对典型无线通讯芯片如TI的CC1000，CC2420等的功耗测试表明，芯片发射功率的变化对节点能耗影响较大，最大发射功率与最小发射功率下的节点能耗差别有5倍之多。在满足通讯要求的前提下，采用较小的发射功率可以有效降低能耗，并且调节发射功率的方法与第一和第二个方面节能技术并不冲突。
发明内容
本发明的目的是为了更进一步降低节点功耗，弥补已有技术的不足，提出一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法，可以保证无线节点以满足应用要求的最小能耗工作，有效延长无线节点的存活时间。
本发明提出的一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)预先设置收包率q的下限为qt，qt是取值0-1之间的小数，获取发送节点发射功率的调节范围，设节点发射功率最小值为Pmin和最大值为Pmax，设置收包阈值系数为r，r是取值0-1之间的小数；
2)将发射功率P设为最大值Pmax；
3)发送节点发出N个数据包到接收节点，N为正整数；发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
4)当收包率q高于预设下限qt时，若此时发射功率P为最小值Pmin，则调节过程结束；若发射功率P不为最小值，则发送节点调低发射功率P，回到第3)步；
5)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P不为最大值，则发送节点调高发射功率P，调节过程结束；
6)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P为最大值Pmax，则发送节点暂存当前发射功率下的收包率为qmax；
7)发送节点调低发射功率P，并发出N个数据包到接收节点；发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
8)若收包率q不低于r*qmax，则回到7)；若收包率q低于r*qmax，则调高发射功率P，调节过程结束。
本发明的特点及效果：
1、根据收包率调整发射功率
无线节点的性能与工艺、布线、天线等密切相关，不一定与芯片手册一致，根据接收阈值计算发射功率的方法并不实用。实际应用中，收包率更为重要，本发明中，接收节点收到数据包以后，将确认帧(接收节点回应给发送节点的数据包，用于告知发送节点当前数据包已经收到)发给发送节点，发送节点计算收包率，把收包率作为调整发射功率的依据，可以保证节点以满足应用要求的最小能耗工作，有效延长节点的存活时间。
2、使用反馈机制调整发射功率
收包率根据接收节点的实际收包情况计算得出，发送节点根据收包率逐步调整发射功率，可以以简单、有效的方式快速、准确地达到满足要求的最小发射功率。
本发明中，发送节点具备调节发射功率的能力，并且发射功率与能耗具有相关性，如WLAN、Zigbee等芯片等都具有此特性。
图1为本方法节约无线节点能耗的发射功率调节方法流程框图。
具体实施方式
本发明提出的一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法，结合附图及实施例详细说明如下：
本方法的一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法流程如图1所示，步骤如下：
1)预先设置收包率的下限qt(qt与应用具体要求相关，取值为0-1之间的小数，本实施例中设为0.8)；获取发送节点发射功率的调节范围(节点发射功率的最小值Pmin和最大值Pmax都由发送节点芯片自身确定，本实施例选用TI的CC1000芯片，Pmin，Pmax分别为01和255，分别对应-10dBm和20dBm)；设置收包阈值系数r(收包率阈值系数r用于降低对收包率q变化范围的要求，为取值0-1之间的小数，一般视情况设为0.7-0.9，本实施例中设为0.9)，
2)将发射功率P设为最大值Pmax；
3)发送节点发出N个(N为正整数，一般取5-10，本实施例中取为10)数据包到接收节点，发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
4)当收包率q高于预设下限qt时，若此时发射功率P为最小值Pmin，则发送节点调节过程结束；若发射功率P不为最小值，则发送节点调低发射功率P，回到第3)步；
5)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P不为最大值，则发送节点调高发射功率P，调节过程结束；
6)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P为最大值Pmax，则暂存当前发射功率下的收包率为qmax；
7)发送节点调低发射功率P，并发出N个数据包到接收节点，发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
8)若收包率q不低于r*qmax，则回到7)(在调低发射功率的情况下，收包率没有较大变化，说明丢包不是因为发射功率偏低引起，此时选用较低的发射功率)；若收包率q低于r*qmax，则发送节点调高发射功率P，调节过程结束。
发送节点调高调低发射功率的方法，包括但不限于线性调高、线性调低、乘性调高、乘性调低等方法。
本发明采用乘性调高调低的实施例，具体步骤如下：
1)初始发射功率值P设为发射功率的最大值Pmax(P＝Pmax)，并设定当前调节范围的最大值PH和最小值PL分别为Pmax和Pmax(PH＝Pmax，PL＝Pmin)。
2)调高发射功率时，修改当前调节范围的最小值PL为当前发射功率(PL＝P)，并且新的发射功率Pnew取为当前调节范围最大值和当前值的一半(Pnew＝(P+PH)/2)；
3)调低发射功率时，修改当前调节范围的最大值PH为当前发射功率(PH＝P)，并且新的发射功率Pnew取为当前调节范围最小值和当前值的一半(Pnew＝(P+PL)/2)；
若采用线性调高调低步骤如下：
1)初始发射功率值P设为发射功率的最大值Pmax(P＝Pmax)，并设定调节步长ΔP(本实施例中ΔP设为2)。
2)调高发射功率时，新的发射功率Pnew取为当前值加上ΔP(Pnew＝P+ΔP)；
3)调低发射功率时，新的发射功率Pnew取为当前值减去ΔP(Pnew＝P-ΔP)。
Claims (2)
1.一种节约无线节点能耗的发射功率调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)预先设置收包率q的下限为qt，qt是取值0-1之间的小数，获取发送节点发射功率的调节范围，设节点发射功率最小值为Pmin和最大值为Pmax，设置收包阈值系数为r，r是取值0-1之间的小数；
2)将发射功率P设为最大值Pmax；
3)发送节点发出N个数据包到接收节点，N为正整数；发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
4)当收包率q高于预设下限qt时，若此时发射功率P为最小值Pmin，则调节过程结束；若发射功率P不为最小值，则发送节点调低发射功率P，回到第3)步；
5)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P不为最大值，则发送节点调高发射功率P，调节过程结束；
6)若收包率q低于预设下限qt，且当前发射功率P为最大值Pmax，则发送节点暂存当前发射功率下的收包率为qmax；
7)发送节点调低发射功率P，并发出N个数据包到接收节点；发送节点根据确认帧的数量计算收包率q；
8)若收包率q不低于r*qmax，则回到7)；若收包率q低于r*qmax，则调高发射功率P，调节过程结束。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述发送节点调高、调低发射功率的方法，包括线性调高、线性调低、乘性调高、乘性调低之中的任一种方法；
采用所述乘性调高和所述乘性调低的方法，具体包括以下步骤：
1)初始发射功率值P设为发射功率的最大值Pmax：P＝Pmax，并设定当前调节范围的最大值PH和最小值PL分别为Pmax和Pmin：PH＝Pmax，PL＝Pmin；
2)当调高发射功率时，修改当前调节范围的最小值PL为当前发射功率：PL＝P，并且新的发射功率Pnew取为当前调节范围最大值和当前值的一半：Pnew＝(P+PH)/2；
当调低发射功率时，修改当前调节范围的最大值PH为当前发射功率：PH＝P，并且新的发射功率Pnew取为当前调节范围最小值和当前值的一半：Pnew＝(P+PL)/2；
采用所述线性调高和所述线性调低的方法步骤如下：
1)初始发射功率值P设为发射功率的最大值Pmax：P＝Pmax，并设定调节步长ΔP；
2)调高发射功率时，新的发射功率Pnew取为当前值加上ΔP：Pnew＝P+ΔP；
3)调低发射功率时，新的发射功率Pnew取为当前值减去ΔP：Pnew＝P-ΔP。
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