CN103379608B - 无线传感器网络多级发射功率配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络多级发射功率配置方法,当无线传感器网络中发送节点向接收节点初次发起通信业务时，发送节点测算两通信节点之间的理论通信距离；计算节点所需的理论发射功率，初步选定发射功率等级，每个发射功率级别设有若干发射功率值；发送节点空载接收信号强度指示即RSSI检测，动态调整所需的发射功率级别；在选定的发射功率等级中，采用试探性发射功率控制方法确定最低的有效发射功率值；存储功率设定方法确定的发射功率值，并设定该发射功率发起通信业务；两节点再次发起通信业务，直接获取已存储的发射功率即可，如通信失败，则清除存储的发射功率值，并重新启动多级发射功率配置方法设定适合该条通信链路的发射功率值。

Description

无线传感器网络多级发射功率配置方法
一、技术领域
本发明涉及无线网络发射功率控制技术领域，尤其是无线网络节点发射功率的优化的配置方法。
二、背景技术
无线传感器网络发射功率控制技术的主要目的是在发起通信业务之前设定合理的发射功率，实现以最小的发射功率完成通信任务，进而降低通信过程中的能量消耗，提高整个网络的能量利用率。除此之外，发射功率控制技术还有如下三点重要作用：
（1）调整网络拓扑结构
调整节点发射功率能够改变节点的通信距离，网络连通性也相应的随之改变，设定过小的发射功率可能会导致网络具有较差的连通性，出现彼此无法通信的孤岛节点群，从而影响网络的正常通信。设定过高的发射功率可以保证网络的连通性，但是却会造成能量的浪费，而且会降低频谱的空间复用度，加剧MAC层的竞争冲突。
（2）减少网络竞争冲突
发射功率控制技术可以降低数据包的竞争冲突、提高MAC层（介质访问控制层）能量使用效率。当网络中的两个节点同时发送数据包时会产生冲突，此时两个数据包都有可能遭到损坏，那么节点通信模块在发送和接收数据包上消耗的能量就浪费了。发射功率控制技术在保证节点有一定数量邻居节点的前提下，尽可能的减小冲突域，降低MAC层的冲突概率，提高MAC层能量使用效率。
（3）消除“远近效应”
发射功率控制技术可以有效的降低或者消除网络中的“远近效应”问题。如果网络中多个节点以相同的发射功率同时发送信号，他们彼此就会产生干扰，如果网络拓扑比较密集，通信链路较多，微弱的干扰叠加后也能合成较大的干扰并显著降低网络性能，而采用功率控制技术能够有效的解决这种问题。
本发明中涉及和缩略语和关键术语定义：IEEE Institute of Electrical andElectronics Engineers美国电气和电子工程师协会；MAC Media Access Control媒体接入控制；MTPCM Multi-level Transmission Power Control Method 多级发射功率控制方法；WSN Wireless sensor networks无线传感器网络；TPC Transmission power control发射功率控制；RSSI Received Signal Strength Indication接收信号强度指示。
现有技术中对的发射功率控制技术的实现方案主要有二种：
其一是基于距离的发射功率设定方法，其主要思路是根据网络节点之间的通信距离划分成若干功率等级（一般在5个左右），发射节点在通信之前获取其实际需求的通信距离，根据通信距离和实际通信所需求发射功率之间的关系，选择对应的发射功率进行数据通信。
如图1中的Mesh网络的拓扑结构中，节点的发射功率被分为5个功率等级，根据实际的通信距离选择不同的功率等级，如图1中节点A可以和网络中其他任意节点直接通信，节点A和节点B、C、D、E、F这五个节点的实际通信距离分别标识为等级1，2，1，3，4。基元距离等级为1，表示最近的通信距离范围，如节点A、B之间的距离；等级5表示两通信节点处于最远的距离等级。具体距离功率对照如表1所示，等级1对应通信距离在10米之内，等级2对应10米至20米范围，等级3对应20米至30米范围，等级4对应30米至40米范围，等级5对应40米以上，相应的各网络节点的在不同通信链路上使用的最终功率等级就依据两节点之间的通信距离设定。
表1距离功率对照表
序号 距离/米 发射功率等级
1 0～10 1
2 10～20 2
3 20～30 3
4 30～40 4
5 40～ 5
上述方法是经验式的发射功率控制技术，主要通过测算实际通信距离，并根据距离值来划定功率等级，但功率等级的划分并不是实时获取或者实时计算获得，而是经验式的依照距离功率对照表设定节点的发射功率，该方法虽然可以在一定程度上降低通信过程的能量消耗，但是实际的网络通信环境并非一成不变，经验式获取发射功率的方法忽略了信号干扰、环境屏蔽等因素的影响，无法保证网络的正常连通性和稳定性，网络的通信成功率也会收到很大的影响。
其二是基于试探的发射功率控制（TPC）方法，这是一种高效的功率控制技术。该方法主要是通过多次试探性控制信息交互机制来获取最佳的发射功率。无线传感器网络节点的射频模块允许设定数十个不同的发射功率，具体功率值区间因硬件设计差异而有所区别。网络中发送节点（源节点）向另一接收节点（目标节点）发起通信业务时，源节点首先检索自身的存储发射功率表，若该表中已经存储了该条链路的发射功率，则直接设置确定的发射功率值发起通信业务，若该表中没有对应的发射功率值，源节点则发起控制信息交互过程，控制信息交互过程如图2所示，首先将源节点设定为最高发射功率向目标节点发送功率询问包，目标节点收到该功率询问包后则回复一个确认包，如果源节点收到了反馈的确认包，则认为目标节点成功接收了此次询问包，并确认当前设定的发射功率能够成功完成通信业务，源节点则降低发自身发射功率，并再次尝试发送功率询问包，如果目标节点依然正常接收并回复了确认包，源节点则继续降低自己的发射功率，重复以上操作直到源、目标节点之间的控制信息交互失败或者源节点的发射功率降低到了最低值，此时控制信息交互过程结束，源节点将上一次成功进行功率询问包交互的通信视为有效通信过程，并将此次通信过程使用的发射功率确定为最终的发射功率。
参考图2控制信息交互过程。上述发射功率控制技术虽然可以使得节点获得最低的有效发射功率，但其实现代价较高，最终发射功率的设定需要进行数次甚至数十次的控制信息的交互，这种控制信息交互过程本身就消耗较多得能量，更重要的是该技术同样没有考虑环境干扰，即使在网络干扰突然增大的情况下，网络节点依然使用原先设定的发射发起通信业务，此时通信成功率很难保证。因此在网络环境比较复杂的情况下，该方法并不适用。
三、发明内容
本发明目的是：解决上述现有技术存在的不足，当然也基于并改进现有的两种发射功率设定方法，解决技术问题如下：（1）解决基于距离的发射功率设定方法中设定发射功率精度欠缺问题；（2）解决基于试探的发射功率设定方法中实现过程能量消耗过大的问题；（3）尤其是综合考虑环境干扰对节点通信的影响，动态设定网络节点的发射功率，降低环境干扰对功率设定的影响，提高发射功率设定的成功率。
本发明的技术方案是：无线传感器网络多级发射功率配置方法，无线传感器网络中一个发送节点初次向另一接收节点发起通信时，采用如下步骤：
步骤一，发送节点测算两通信节点之间的理论通信距离；
步骤二，根据理论通信距离，计算节点所需的理论发射功率，初步选定发射功率级别，每个发射功率级别设有若干发射功率值；
步骤三，发送节点空载接收信号强度指示即RSSI检测，动态调整所需的发射功率级别；
步骤四，在选定的发射功率等级中，采用试探性发射功率控制方法确定最低的有效发射功率值；
步骤五，存储该功率设定方法确定的发射功率值，并设定该发射功率发起既定通信业务；
若上述两节点再次发起通信业务，直接获取已存储的发射功率即可，如果通信失败，则清除存储的发射功率值，并重新启动多级发射功率配置方法设定适合该条通信链路的发射功率值。
若上述发送节点与接收节点初次进行通信，则启动该发射功率控制方法。
进一步的，节点的射频模块一般定义20－30个发射功率级别，将这些发射功率值划分为4－6个功率等级，每个功率等级中具有不同的4－7个发射功率值；
进一步的，设定5个功率等级，1dBm～-4.5dBm为最高等级5，-6dBm～-0.5dBm为等级4，-13dBm～-8dBm为等级3，-18dBm～-14dBm为等级2，-28dbm～-19dBm为等级1。
进一步的，在确定最终的发射功率等级之前，源节点进行空载RSSI检测，如果测算的RSSI值高于-95dBm，则认为环境中存在较大信号干扰，于是将发射功率等级调高至最高等级；如果空载RSSI值介于-105dBm～-95dBm，说明环境存在一定的信号干扰，直接将发射功率等级调高一个等级；如果空载RSSI值小于-105dBm，说明环境存在的干扰较小，无需修改发射功率等级。
进一步的，如发射功率的测算值为-5dBm，空载RSSI值为-115dBm，网络坏境较好无需修正发射功率等级。某一节点测算所需的理论发射功率值为-9dBm，若检测到空载RSSI值为-80dBm，则设定发射功率为最高等级5；若检测到空载RSSI值为-100dBm，则将发射功率等级调高为4；若检测到空载RSSI值为-110dBm，则设定发射功率为等级3无需修正。
本发明技术方案的有益效果：
（1）降低发射功率设定过程的能量开销，
其原因是：根据测算的发射功率理论值选定功率等级，迅速缩小发射功率的选定范围，在选定的功率范围内的试探性控制信息交互次数得到了明显减少，从而降低了发射功率设定过程的能量开销。
（2）实现以最低的有效发射功率进行通信，降低节点通信过程中消耗的能量。
本发明方法试图设定最低且保证通信质量的发射功率并存储复用。以此功率进行数据通信，必然会一定程度上降低能量消耗。
（3）降低节点间的通信冲突和串扰保，提高网络节点之间通信成功率。
本发明方法可以调整网络的连通性，减少不必要的通信冲突和串扰，并融入空载RSSI检测机制，根据网络实时干扰情况，修正节点的发射功率等级。
四、附图说明
图1是典型的无线传感器网络Mesh网络拓扑结构图；
图2是现有技术控制信息交互过程流程示意图；
图3本发明发射功率控设定程图。
五、具体实施方式
本发明实施例一：本发明提出了一种分级逼近式发射功率动态设定方法。一般网络节点在硬件初始化的时都将发射功率设置为最大值，网络某节点需要向目标节点发起通信业务时，首先检索自身的发射功率表是否存在该条链路的发射功率，如果检索到了既定的发射功率，则表明该节点已经设定了合适的发射功率值，直接以该发射功率发起通信即可，如果没有检索到该链路的发射功率，则开始本发明技术的功率设定过程。
一般网络节点的射频模块都定义了若干发射功率级别，如某硬件定义了23个发射功率级别，范围从-28dBm到4.5dBm。本发明方案将这23个发射功率值划分为5个功率等级，设定1dBm～-4.5dBm为最高等级5，-6dBm～-0.5dBm为等级4，-13dBm～-8dBm为等级3，-18dBm～-14dBm为等级2，-28dbm～-19dBm为等级1。
本发明具体流程如图3所示，发送节点（源节点）首先通过测算两通信节点的传输延时来估算源、目标节点之间通信距离d，接着根据发射功率和通信距离换算公式（1）得到该通信链路所需发射功率的预测值：
式中，PT表示节点所需的理论发射功率值，Ps表示节点接收信息的功率门限值，L表示系统损耗因子，Gt、Gr分别表示源节点和目标节点的天线增益，λ表示载波波长，n为信道衰减系数，其经典值为2，在本发射功率控制方法中将信道衰减系数设置为经典值2。
根据计算得到的理论功率值PT，将该功率值转换为常用的dBm单位，具体转换公式如下：
根据公式（2）计算值判断源节点在该通信链路上所需的发射功率等级，在确定最终的发射功率等级之前，源节点进行空载RSSI检测，如果测算的RSSI值高于-95dBm，则认为环境中存在较大信号干扰，于是将发射功率等级调高至最大等级；如果空载RSSI值介于-105dBm～-95dBm，说明环境存在一定的信号干扰，直接将发射功率等级调高一个等级；如果空载RSSI值小于-105dBm，说明环境存在的干扰较小，无需修改发射功率等级。如发射功率的测算值为-5dBm，空载RSSI值为-115dBm，网络坏境较好无需修正发射功率等级。某一节点测算所需的理论发射功率值为-9dBm，若检测到空载RSSI值为-80dBm，则设定发射功率为最高等级5；若检测到空载RSSI值为-100dBm，则将发射功率等级调高为4；若检测到空载RSSI值为-110dBm，则设定发射功率为等级3无需修正。
在发射功率所属等级确定后，该发明技术开始进行控制信息交互，首先将源节点的发射功率设定为该等级范围内的最大发射功率与目标节点进行控制信息交互，如果控制信息交互成功，则降低发射功率，重复进行控制信息交互，直到控制信息交互失败或者功率已经降低到该等级范围内的最低功率值，此时，我们将最后一次成功进行信息交互的发射功率视为最终发射功率，将该功率值和对应的通信链路存储到节点的发射功率表中，并设定该发射功率发起通信业务。在网络拓扑和环境干扰稳定的情况下，一条通信链路只需进行一次功率设定，源节点再次向目标节点射功率发起通信业务，则直接使用已存储的发射功率发起通信业务，如果通信失败，则源节点清除该条通信链路的发射功率并重新发起发射功率控制方法。
该发明技术在设定发射功率也需要消耗一定能量，在网络数据通信量较少的时候，该发明技术并不会降低能量消耗。但是在一般的WSN中，节点之间的数据通信次数非常频繁，且该方法设定的发射功率可以存储复用，因此随着网络通信量不断增多，该发明技术降低功耗的作用就会越发显著。
应当说明的是：以上实施方案仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制。尽管上述步骤对本发明进行了详细的说明，相关领域的技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体技术进行修改或者对部分技术进行等同替换，而最终达到同样的功率配置效果。因此只要不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (1)

1.无线传感器网络多级发射功率配置方法，其特征是当无线传感器网络中一个发送节点向另一接收节点初次发起通信业务时，采用如下步骤：
步骤一，发送节点测算两通信节点之间的理论通信距离；
步骤二，根据理论通信距离，计算节点所需的理论发射功率，初步选定发射功率级别，每个发射功率级别设有若干发射功率值；
步骤三，发送节点空载接收信号强度指示即RSSI检测，动态调整所需的发射功率级别；
步骤四，在选定的发射功率级别中，采用试探性发射功率控制方法确定最低的有效发射功率值；
步骤五，存储该功率设定方法确定的发射功率值，并设定该发射功率发起既定通信业务；
若上述两节点再次发起通信业务，直接获取已存储的发射功率即可，如果通信失败，则清除存储的发射功率值，并重新启动多级发射功率配置方法设定适合该条通信链路的发射功率值；
网络节点的射频模块都定义20－30个发射功率值，将这些发射功率值划分为4－6个功率级别，每个功率级别中具有不同的4－7个发射功率值；
在确定最终的发射功率级别之前，发送节点进行空载RSSI检测，如果测算的RSSI值高于-95dBm，则认为环境中存在较大信号干扰，于是将发射功率级别调高至最大级别；如果空载RSSI值介于-105dBm～-95dBm，说明环境存在一定的信号干扰，直接将发射功率级别调高一个级别；如果空载RSSI值小于-105dBm，说明环境存在的干扰较小，无需修改发射功率级别；
发送节点首先通过测算发送节点与另一接收节点两通信节点的传输延时来估算发送、接收节点之间通信距离d，接着根据发射功率和通信距离d换算公式(1)得到该通信链路所需发射功率的预测值：
P T = P s G t G r L ( 4 π d λ ) n - - - ( 1 )
式中，PT表示节点所需的理论发射功率值，PS表示节点接收信息的功率门限值，L表示系统损耗因子，Gt、Gr分别表示源节点和目标节点的天线增益，λ表示载波波长，n为信道衰减系数，其经典值为2，在本发射功率控制方法中将信道衰减系数设置为经典值2；
根据计算得到的理论发射功率值PT，将该功率值转换为常用的dBm单位，根据转换后的功率值判断发送节点在该通信链路上所需的发射功率级别，在确定最终的发射功率级别之前，发送节点进行空载RSSI检测。
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