无线传感器网络的功率控制技术

    信息技术的高速发展催生了许多新兴的前沿热点研究领域，其中无线传感器网络以其高度的学科交叉性和广泛的应用前景而得到重点关注。

    无线传感器网络综合了传感器技术、微机电技术、无线通信技术和分布式信息处理技术[1]，网络节点能够以协作的方式实时地感知、检测、采集和处理被监控对象的信息，并将这些信息尽可能精确地发送给需要这些信息的用户。

    无线传感器网络具有很广泛的应用前景：军事侦察、环境科学、医疗卫生、工业自动化、商业应用等，因此美国的商业周刊把无线传感器网络誉为21世纪初能够改变人类生活的十大技术之一。

    无线传感器网络不同于其他传统网络，网络节点以自组织(Ad hoc)的方式部署，因此网络必须有很强的自组织性、自适应性和鲁棒性，网络协议和算法都必须是分布式的；另外无线传感器网络属于一种资源受限网络，网络节点的能量、计算能力和存储量都非常有限，尤其是能量的受限，它决定了网络的设计必须以提高系统的能量效率为首要目标。

1 系统设计原则
    无线传感器网络是一种能量受限型网络[2]，一旦节点的电源耗尽会直接影响整个网络功能的实现。这一特点是由其应用环境所决定的：网络节点的使用往往是一次性的，或者由于条件限制，传感节点的电池不可能经常更换，需要能被使用若干年。所以无线传感器网络协议设计的主要目标就是提高系统的能量效率，延长网络的使用寿命[3]。 基于这个目标，各层协议设计的原则为：

    (1)对于网络层而言，提高能量效率可以从几个方面着手：加快网络冗余数据的收敛，以多跳方式转发数据包，选择能量有效路由。

    (2)媒体访问控制(MAC)层的能量效率设计的主要因素包括：减少数据包的竞争冲突，减小控制数据包开销，减少空闲监听时间和避免节点间的串音。

    (3)物理层的能量效率设计是通过对具体物理层技术的改造来实现的，这些技术包括：高能效的调制技术、编码技术、速率自适应技术、协作多输入多输出(MIMO)技术等[2]。

2 功率控制对系统的影响
    在不同的通信系统中，由于系统的应用目的不相同，功率控制技术所起的作用也不尽相同。在码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统和某些Ad hoc网络(如无线局域网)中，功率控制技术能够克服远近效应问题，消除干扰，提高信道的空间复用度，最终目的是为了提高系统的容量；而无线传感器网络的功率控制技术是在不牺牲系统性能的前提下，尽可能地降低节点的发射功率，从而降低节点的能耗，提高网络的生存时间和系统的能量效率。

    功率控制是一个跨层的技术，它不仅能够提高网络层、MAC层和物理层的性能，同时还能提高各层的能量效率。

2.1 功率控制对网络层的影响
    无线传感器网络可以采用多跳和单跳两种路由选择方式。由于在接收端接收灵敏度一定的情况下，发送端无线射频的发射能量与传输距离的α次方(α≥2)成正比[4]，所以多跳路由消耗的能量比单跳路径少。因此为了提高系统的能量效率，无线传感器网络多采用多跳路由方式，尽管多跳方式可能带来更大的处理延迟。如图1所示，节点N1如果要向节点N3发送数据，那么它可以有两种选择：以较大的发射功率(30 mW)直接以单跳的方式向N3发送数据；或者以较小的功率(10 mW)将数据发送给节点N2，然后N2同样以较小的功率把该信息发送给N3，这就是所谓的多跳方式。由于10 mW加10 mW等于20 mW，小于30 mW，可见多跳方式要比单跳方式节约发送端的发射功率。

    功率控制对网络层的另一个影响是决定网络拓扑结构。如果以提高系统的能量效率为目的，就是要维持全网络的最小连通性[4]，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2中可以看出，发射功率太小(见图2(a))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；图2(c)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；图2(b)显示了系统能量效率和网络连通性的折衷方案，以较小的发射功率确保整个网络的连通，即保障最小连通性。

2.2  功率控制对MAC层的影响
    前文已经指出，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3所示，当节点N1和N2、N3和N4之间在通信时，如果N1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。

    功率控制对MAC层的另一个影响是确保每条链路的双向连通性[4]，即链路两端的两个节点能够互相通信。由于现有的大多数MAC层协议都是基于链路具有双向连通性的假设，因此确保双向连通性对协议的实现具有非常重要的意义。然而在实际情况下，由于无线信道的时变性、节点的移动性和节点发射功率的不对称性，不能完全保证链路的双向连通性，所以能自适应于环境变化的功率控制技术就显得非常重要。某些MAC层协议采用了和无线局域网标准一样的请求发送/准备接收(RTS/CTS)握手机制能来解决隐藏终端带来的冲突问题，这种协议也是基于双向连通性假设的。然而功率控制对隐藏终端是有影响的(如图4所示)，由于接收端R的发射功率相对较小，CTS消息不能被隐藏终端H接收，当发送端T向R发送数据包时，H不可能根据CTS消息所包含的信息在这段时间内停止数据的发送，而是有可能以较大的发射功率发送数据，一旦H的功率覆盖范围包含了接收端R，就会在R处产生冲突。

2.3 功率控制对物理层的影响
    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[5](这是由于子信道间的不完全正交引起的，尤其是在基于CDMA的系统中)。以前很多协议的设计都忽略了这个问题，因为它们都是建立在这样一个假设的基础上：节点的发射功率只存在于以该节点为圆心的某个圆内，由于信号的衰减，圆外的功率是可以忽略的，所以该节点只会干扰位于圆内的其他节点，而不会干扰位于圆外的节点。这种假设在网络规模较小，活动链路数较少的情况下能够成立，但是一旦网络中活动链路的数量很大，这种假设就难以体现网络中干扰的实际情况。所以和CDMA蜂窝移动通信系统一样，无线传感器网络也必须引入功率控制技术来降低干扰，同时提高系统的能量效率。

    以图5为例，假设网络中有3条活动链路，发送节点以相同的功率发送信号，他们彼此之间会产生干扰。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接收端的信干比。

3 跨层功率控制机制
    功率控制是一个典型的跨层设计问题[6]，从前面的分析可以看出，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、网络层的路由算法结合考虑的。物理层的一个重要特性就是确保比特传输的误码率不超过系统能够承受的特定门限值，为此每条链路的信号干扰噪声比(SINR)也必须大于某个特定门限值βi：

上式中假设有N条活动链路，SINRi代表第i条活动链路的SINR；Pi代表第i条活动链路的平均传输功率；Gij是第i条链路的发送端到第j条链路接收端的链路增益；σ2是接收器的热噪声功率，来自其他链路的干扰之和可以表示为  。

    链路增益Gij与传输距离d的α次方(α≥2)成反比，可以表示为
Gij=k /dα，k为常量。

    物理层的功率控制是为了减小干扰，而MAC层的调度机制则是在此技术上实现全网传输功率的最小化，以提高系统的能量效率。这一调度机制可以抽象为数学上的最优化问题，其目标函数Power_Schedule和约束条件可以表示为：
Power_Schedule：

约束条件：
SINRi≥βi

式(2)中的约束条件除了包含有确保的约束外，考虑到功率控制必须维持网络的最小连通性，所以必须将每条链路的功率限制在一定范围之内。定义           和             为能够维持网络最小连接的第i 条链路平均发射功率的下界和上界值。如式(2)所示，每条链路的发射功率可以被约束在相应范围之内。

    以上的最优化问题只是一个抽象的数学归纳，如果要具体实现还要考虑到以下问题：

    (1)这个最优化问题是否是可解的，如果不可解，能否得到相应的次优化解。

    (2)考虑到优化结果最终还是要用具体的协议来实现，而且由于无线传感器网络的特点决定了协议必须是分布式的，就必须设计出一种分布式功率控制算法使其能够快速地收敛于优化结果[6]。

    (3)由于功率控制技术涉及到跨层的问题，目标函数、约束条件都是从不同层中归纳得到的，因此有必要实现层与层之间的信息及时交互，使得协议能够随时根据系统的状况做出反应，以增强网络的自适应能力。

    (4)由于无线传感器网络是一种资源受限网络，在保证协议功能的前提下，要尽量减少信令开销，简化协议内容。

4 结束语
    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，到目前为止还只是处在理论研究阶段，除了前面分析的内容以外，它还具有某些特征：

    (1)功率控制对提高系统的性能有很大的帮助，但是真正实现它会增加系统的复杂度，从而要求硬件和软件必须具有更高的处理能力。因此一方面要在不牺牲系统性能前提下降低功率控制技术实现的复杂度，另一方面也要期待硬软件技术的进一步发展，只有这样功率控制技术才能被真正应用。

    (2)由于无线传感器网络从某种意义上可以被当作一种特殊的Ad hoc网络，因此可以借鉴Ad hoc网络功率控制的一些成果，但是必须考虑到两者系统设计目标的不同。

    (3)本文对功率控制技术的介绍都是基于系统使用全向天线，相比之下自适应定向天线更能够提高系统性能，所以基于定向天线的功率控制技术是未来的一个新研究方向[5]。由于采用特定数据速率和编码技术可以提高系统的能量效率[2]，所以功率控制还可以和可变数据速率控制技术、编码技术相结合以提高系统性能[5]。

    总之功率控制技术无论是论研究还是实际应用都具有很高的价值。有理由相信随着技术的发展和无线传感器网络的更广泛应用，功率控制技术将得到更大的发展，并被应用到实际系统当中。

5 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] Madan R, Cui S, Lall S. Cross-Layer Design for Lifetime Maximization in Interference-limited Wirless Sensor Networks [DB/OL]. http://wsl.stanford.edu/Publications/.
[4] Kawadia V, Kumar P R. Principles and Protocols for Power Control in Wireless Ad hoc Network [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005,23(1): 76—88.
[5] Krunz M, Muqattash A, Sung-Ju Lee. Transmission Power Control in Wireless Ad hoc Networks: Challenges, Solutions and Open Issues [J]. IEEE Network, 2004,18(9/10):8—14.
[6] ElBatt T, Ephremides A. Joint Scheduling and Power Control for Wireless Ad Hoc Networks [J]. IEEE Tran On Wireless Communications, 2004,3(1): 74—85.

收稿日期：2005-06-16

[摘要] 文章介绍了功率控制技术在无线传感器网络中所起的作用，分析了功率控制对网络层、媒体访问控制(MAC)层和物理层性能的影响，在此基础上归纳出一种以提高网络能量效率为目的，同时能够减小物理层信号间的干扰、保障网络层网络的连通性、减少MAC层数据包竞争冲突率的跨层功率控制机制。

[关键词] 无线传感器网络；功率控制；能量效率；跨层设计

[Abstract] This paper briefly discusses the function of power control technology in wireless sensor network, and analyzes how the power control technology affects the performance of network layer, Media Access Control (MAC) layer and Physical Layer (PHY). Based on these discussions, a cross-layer power control mechanism for energy efficiency is proposed, which is able to decrease the interference between signals of PHY, keep the connectivity of network and reduce the contention collision probability of MAC.

[Keywords] wireless sensor network; power control; energy efficiency; cross-layer design