CN103327592A - 一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于节点度的无线传感器网络功率控制方法，通过节点度数来进行发射功率的控制。并提出了剩余电量分级调整的概念，针对不同时间段内，节点电量的剩余情况，确定合理的期望节点度，不同于采用传统基于节点度的算法，能够更好地确保在网络连通的情况下尽可能延长节点生存寿命。同时又将控制理论中的PID闭环控制算法引入功率控制，将确定好的期望节点度作为闭环控制系统输入量来动态调节节点的一跳邻居数，这样做的优点是可以更加迅速地调整至期望节点度数，以达到功率控制的目标，同时，响应时间快，振荡小，稳定性好。

Description

一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法，在无线传感器网络中，可根据不同环境以及节点自身电量剩余情况来动态、平稳地进行节点收发功率的调整。本发明属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

随着信息技术以及互联网的飞速发展，人们对信息技术的依赖越来越高，无线传感器网络技术应运而生。

无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）是一种将传感器、集成电路、无线通信技术以及微型机电技术等融合在一起的新型无线自组织网络。无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技术，与其他无线网络相比，具有精度高、灵活性强、可靠性高、经济性好等优点，因此适用于在环境危险、条件恶劣、人类难以到达以及维护难度高等监测场合。

在各种无线传感器网络应用场合中，无线传感器网络虽然具有很多优点，但是无线节点的能量消耗以及节点的生存时间是衡量无线传感器网络性能的一个重要指标。因此，如何在有限能量情况下，尽可能保证无线传感器网络的连通性和低功耗便成为一个典型的最优化问题。因此，无线传感器网络中的功率控制问题成为该领域的一个研究热点。

无线传感器网络中节点发射功率的控制，也称功率分配问题，是指调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通性的前提下，均衡各个节点的单跳可达邻居数目，同时使得网络中节点的能量消耗最小，延长整个网络的生存时间。

现有的功率控制技术主要分为几种：基于节点度的算法、基于邻近图的算法以及贪心算法等。而其中基于节点度的算法，实现方便，对芯片运算处理要求低，能够更好地达到功率控制的目的。基于节点度的功率控制算法主要以本地平均算法LMA（Localmeanalgorithm）和本地邻居平均算法LMN（Localmeanofneighborsalgorithm）为代表。这两种算法的基本思路就是确定一个节点度上限，确定一个节点度下限，并检测当前节点度，若大于上限，则以一定比例反向调节发射功率，达到降低节点度的效果；若小于节点度下限，则以一定比例正向调节发射功率，以达到提高节点度的效果；若正好处于节点度范围，则调节完毕。该算法简单易行，但缺点也较明显。首先单一比例调节，收敛速度较慢，若实际网络环境复杂，需要较长时间才能达到最优化结果。其次，不能根据实际电量选择合适的节点度，若节点长时间使用后，电量较低，若此时正好调节至节点度范围的上限左右，虽也可满足功率控制，但对电量有所浪费，若能适当降低节点度则功耗控制效果会更好，同时，也能满足网络的连通性。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法。该方法采用了分级调整方案，根据节点度数范围，确定若干节点度数级。同时，根据当前节点电量剩余情况，选择合适的节点度数级，解决了传统节点度算法中，能量浪费的问题。并将选定好的节点度数，作为闭环控制系统的输入量来进行无线传感器网络传输功率的动态调整，解决了传统算法调节缓慢，精度不高等缺点，使节点发射功率快速达到最优化选择结果。

技术方案：本发明的方法强调了对传统基于节点度的功率控制方法的改进，并将控制理论中的PID闭环控制引入该方案中，能够提高功率调节的快速性和稳定性。

一、重要术语：

节点度：一个节点的度数是指距离该节点一跳的所有邻居节点的数目。

PID控制：PID控制是比例-积分-微分控制的意思。P表示按偏差进行比例放大得到一个输出，这个无法消除余差，因此再加上积分，积分是按偏差累积的，只要有偏差就有大于（或小于）0的积分值（就是不会为0）。仅仅这样还不够，因为偏差变化有快慢之分，因此要用微分，微分就是计算偏差变化的速率。同时使用这三种控制规律来控制被控变量就是PID控制。它并不单独表示某一个控制规律，而是同时使用三种控制规律的综合。

二、方法流程

基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法包括以下步骤：

步骤1：预先规划好无线传感器网络的整体布局方案，根据实际网络环境，确定节点度数范围N_min～N_max；其中N_min是指保证网络连通性所需要的最小节点度数，N_max是指以较大功率传输且节点间相互干扰在允许范围内时的最大节点度数；

步骤2：根据无线节点中电池容量大小，选取合适的节点度级数l，若l过小时失去了分级调节的意义，但若l过大时，频繁调节期望的节点度，反而会增加计算量，增加节点电量消耗，结果会适当其反，因此综合考虑，l选取范围为2≤l≤8；

步骤3：通过计算得出节点度数每级权值λ：

λ=(N_max-N_min)/l

步骤:4：根据节点特性，确定可正常工作的节点电量范围E_max～E_min；其中E_max为节点电池空载时的满电电量，E_min为节点电池在负载运行一段时间后也能保证节点正常工作的最小电量；然后根据已选取好的节点度数级l，计算得出节点电量每级权值θ：

θ=(E_max-E_min)/l

步骤5：设定一个定时器，计数器初值为T，即每隔T时间段检测一次节点电量剩余值；

步骤6：检测当前电量剩余值E_now(t)，若E_now(t)≤E_min，表明电池电量处于低电量，不能正常工作，则跳转至步骤11执行；若E_now(t)>E_min，则可计算出当前应选取的期望节点度数N_exp(t)，计算公式如下：

$N_{\exp }\left(t\right)=N_{\max }-\mathrm{\λ}\frac{[E_{\max }-E_{\mathrm{now}}\left(t\right)]}{\mathrm{\θ}}$

其中[E_max-E_now(t)]/θ取整数部分；

步骤7：对于网络中的任一节点A，首先节点A向整个传感器网络广播一个FindMsg消息，如果其余节点能够接收到该消息，则向节点A发送一个应答消息AckMsg。在一定的时间段之内，节点A利用收到AckMsg消息可以计算出和自己一跳相邻的邻居节点数，即当前实际节点度N_now(t)；

步骤8：将当前期望节点度数N_exp(t)作为闭环控制系统的输入量，动态调节当前实际节点度数N_now(t)，使其收敛于N_exp(t)；具体调节过程如下：

将N_exp(t)输入至比较元件，在反馈信号即N_now(t)的作用下，形成偏差信号e(t)=N_exp(t)-N_now(t)；若偏差信号e(t)为0，则PID调节完毕，跳转至步骤10；若偏差信号e(t)不为0，则偏差信号e(t)经过PID调节器，输出控制信号

$m\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{\τd}\frac{d}{\mathrm{dt}}e\left(t\right)]$

其中比例系数K_p、时间常数T_i、τ_d为可调参数；参数需在实际网络情况下根据节点自身性能不断调整获得最佳值，或者根据经验值获得；

步骤9：输出控制信号用于功率调节器，动态地增加或者减少发射功率，调节完后，重新跳转至步骤7执行；

步骤10：节点开始进行数据收发状态，并同时监测定时器值，若定时器值为0，表明需要重新检测电量，则立刻跳转至步骤6执行，并同时将定时器复位；

步骤11：节点的功率调整终止，并通过相应措施发出低电量警报提醒更换电池；

步骤12：以步骤1至步骤11调节其余节点，直至整个传感器网络节点功率调整完毕。

有益效果：本发明提出的一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法，通过节点度数来进行发射功率的控制。并提出了剩余电量分级调整的概念，针对不同时间段内，节点电量的剩余情况，确定合理的期望节点度，不同于采用传统基于节点度的算法，能够更好地确保在网络连通的情况下尽可能延长节点生存寿命。同时又将控制理论中的PID闭环控制算法引入功率控制，将确定好的期望节点度作为闭环控制系统输入量来动态调节节点的一跳邻居数，这样做的有益效果可以更加迅速地调整至期望节点度数，以达到功率控制，同时，响应时间快，振荡小，稳定性好。

附图说明

1．图1所示为整个方法流程图。

2．图2所示为PID调节环节示意图。

具体实施方式

我们假定一个实际使用环境：基于无线传感器网络的矿井瓦斯监控系统。在此系统中，由于环境的恶劣性决定了无线传感器节点的生存寿命在整个系统中的重要性，因此十分有必要进行无线传感器节点的功率控制。具体实施方式如下：

步骤1：根据该监控环境，规划相应的瓦斯传感器布置地点，构建传感器网络。根据传感器网络，确定传感器节点度数范围N_min=5，N_max=10。即节点度在5～10之间都能够保证整个网络的连通性、冗余性、抗干扰性。

步骤2：根据无线节点中电池容量大小，若l过小时失去了分级调节的意义，但若l过大时，频繁调节期望的节点度，反而会增加计算量，增加节点电量消耗，结果会适当其反，因此综合考虑，选取合适的节点度级数l=6。

步骤3：通过计算得出节点度数每级权值λ：

λ=(N_max-N_min)/l=1

步骤:4：根据节点特性，确定可正常工作的节点电量范围E_max=7000mAh，E_min=1000mAh。并根据已选取好的节点度数级l，计算得出节点电量每级权值θ：

θ=(E_max-E_min)/l=1000mAh

步骤5：设定一计时器，用来控制检测电池电量的时间周期。另计时器初始值T=24h

步骤6：检测当前电量剩余值E_now(t)，若E_now(t)≤1000mAh，表明电池电量处于低电量，不能正常工作，则跳转至步骤11执行；若E_now(t)>1000mAh，则可计算出当前应选取的期望节点度数N_exp(t)，计算公式如下：

$N_{\exp }\left(t\right)=N_{\max }-\mathrm{\λ}\frac{[E_{\max }-E_{\mathrm{now}}\left(t\right)]}{\mathrm{\θ}}=10-\frac{[700\mathrm{mAh}-E_{\mathrm{now}}\left(t\right)]}{1000\mathrm{mAh}}$

其中[7000mAh-E_now(t)]/1000mAh取整数部分

步骤7：对于网络中的任一节点（不妨标记为A），首先A向整个传感器网络广播一个FindMsg消息，如果其余节点能够接收到该消息，则向A节点发送一个应答消息AckMsg。在一定的时间段之内，A节点利用收到AckMsg消息可以计算出和自己一跳相邻的邻居节点数，即当前实际节点度N_now(t)。

步骤8：将当前期望节点度数N_exp(t)作为闭环控制系统的输入量，动态调节当前实际节点度数N_now(t)，使其收敛于N_exp(t)。具体调节过程如下：

将N_exp(t)输入至比较元件，在反馈信号即N_now(t)的作用下，形成偏差信号e(t)=N_exp(t)-N_now(t)。若偏差信号e(t)为0，则PID调节完毕，跳转至步骤10。若偏差信号e(t)不为0，则偏差信号e(t)经过PID调节器，输出控制信号其中比例系数K_p、时间常数T_i、τ_d根据所选节点具体性能不断调整获得最佳值。

步骤9：输出控制信号用于功率调节器，动态地增加或者减少发射功率。调节完后，重新跳转至步骤7执行。

步骤10：节点开始进行数据收发状态，并同时监测定时器值，若定时器值为0，表明需要重新检测电量，则立刻跳转至步骤6执行，并同时将定时器复位。

步骤11：节点的功率调整终止，并通过相应措施发出低电量警报提醒更换电池。

步骤12：以相同的步骤（步骤1至步骤11）调节其余节点。直至整个传感器网络节点功率调整完毕。

Claims (1)

1.一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：预先规划好无线传感器网络的整体布局方案，根据实际网络环境，确定节点度数范围N_min～N_max；其中N_min是指保证网络连通性所需要的最小节点度数，N_max是指以较大功率传输且节点间相互干扰在允许范围内时的最大节点度数；

步骤2：根据无线节点中电池容量大小，选取合适的节点度级数l，l选取范围为2≤l≤8；

步骤3：通过计算得出节点度数每级权值λ：

λ=(N_max-N_min)/l

步骤:4：根据节点特性，确定可正常工作的节点电量范围E_max～E_min；其中E_max为节点电池空载时的满电电量，E_min为节点电池在负载运行一段时间后也能保证节点正常工作的最小电量；然后根据已选取好的节点度数级l，计算得出节点电量每级权值θ：

θ=(E_max-E_min)/l

步骤5：设定一个定时器，计数器初值为T，即每隔T时间段检测一次节点电量剩余值；

步骤6：检测当前电量剩余值E_now(t)，若E_now(t)≤E_min，表明电池电量处于低电量，不能正常工作，则跳转至步骤11执行；若E_now(t)>E_min，则可计算出当前应选取的期望节点度数N_exp(t)，计算公式如下：

$N_{\exp }\left(t\right)=N_{\max }-\mathrm{\λ}\frac{[E_{\max }-E_{\mathrm{now}}\left(t\right)]}{\mathrm{\θ}}$

其中[E_max-E_now(t)]/θ取整数部分；

步骤7：对于网络中的任一节点A，首先节点A向整个传感器网络广播一个FindMsg消息，如果其余节点能够接收到该消息，则向节点A发送一个应答消息AckMsg。在一定的时间段之内，节点A利用收到AckMsg消息可以计算出和自己一跳相邻的邻居节点数，即当前实际节点度N_now(t)；

步骤8：将当前期望节点度数N_exp(t)作为闭环控制系统的输入量，动态调节当前实际节点度数N_now(t)，使其收敛于N_exp(t)；具体调节过程如下：

将N_exp(t)输入至比较元件，在反馈信号即N_now(t)的作用下，形成偏差信号e(t)=N_exp(t)-N_now(t)；若偏差信号e(t)为0，则PID调节完毕，跳转至步骤10；若偏差信号e(t)不为0，则偏差信号e(t)经过PID调节器，输出控制信号

$m\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{\τd}\frac{d}{\mathrm{dt}}e\left(t\right)]$

其中比例系数K_p、时间常数T_i、τ_d为可调参数；参数需在实际网络情况下根据节点自身性能不断调整获得最佳值，或者根据经验值获得；

步骤9：输出控制信号用于功率调节器，动态地增加或者减少发射功率，调节完后，重新跳转至步骤7执行；

步骤10：节点开始进行数据收发状态，并同时监测定时器值，若定时器值为0，表明需要重新检测电量，则立刻跳转至步骤6执行，并同时将定时器复位；

步骤11：节点的功率调整终止，并通过相应措施发出低电量警报提醒更换电池；

步骤12：以步骤1至步骤11调节其余节点，直至整个传感器网络节点功率调整完毕。

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