無線傳感器網絡多級發射功率配置方法與流程

2023-11-07 16:07:55 2

無線傳感器網絡多級發射功率配置方法一、技術領域本發明涉及無線網絡發射功率控制技術領域，尤其是無線網絡節點發射功率的優化的配置方法。二、

背景技術：
無線傳感器網絡發射功率控制技術的主要目的是在發起通信業務之前設定合理的發射功率，實現以最小的發射功率完成通信任務，進而降低通信過程中的能量消耗，提高整個網絡的能量利用率。除此之外，發射功率控制技術還有如下三點重要作用：（1）調整網絡拓撲結構調整節點發射功率能夠改變節點的通信距離，網絡連通性也相應的隨之改變，設定過小的發射功率可能會導致網絡具有較差的連通性，出現彼此無法通信的孤島節點群，從而影響網絡的正常通信。設定過高的發射功率可以保證網絡的連通性，但是卻會造成能量的浪費，而且會降低頻譜的空間復用度，加劇MAC層的競爭衝突。（2）減少網絡競爭衝突發射功率控制技術可以降低數據包的競爭衝突、提高MAC層（介質訪問控制層）能量使用效率。當網絡中的兩個節點同時發送數據包時會產生衝突，此時兩個數據包都有可能遭到損壞，那麼節點通信模塊在發送和接收數據包上消耗的能量就浪費了。發射功率控制技術在保證節點有一定數量鄰居節點的前提下，儘可能的減小衝突域，降低MAC層的衝突概率，提高MAC層能量使用效率。（3）消除「遠近效應」發射功率控制技術可以有效的降低或者消除網絡中的「遠近效應」問題。如果網絡中多個節點以相同的發射功率同時發送信號，他們彼此就會產生幹擾，如果網絡拓撲比較密集，通信鏈路較多，微弱的幹擾疊加後也能合成較大的幹擾並顯著降低網絡性能，而採用功率控制技術能夠有效的解決這種問題。本發明中涉及和縮略語和關鍵術語定義：IEEEInstituteofElectricalandElectronicsEngineers美國電氣和電子工程師協會；MACMediaAccessControl媒體接入控制；MTPCMMulti-levelTransmissionPowerControlMethod多級發射功率控制方法；WSNWirelesssensornetworks無線傳感器網絡；TPCTransmissionpowercontrol發射功率控制；RSSIReceivedSignalStrengthIndication接收信號強度指示。現有技術中對的發射功率控制技術的實現方案主要有二種：其一是基於距離的發射功率設定方法，其主要思路是根據網絡節點之間的通信距離劃分成若干功率等級（一般在5個左右），發射節點在通信之前獲取其實際需求的通信距離，根據通信距離和實際通信所需求發射功率之間的關係，選擇對應的發射功率進行數據通信。如圖1中的Mesh網絡的拓撲結構中，節點的發射功率被分為5個功率等級，根據實際的通信距離選擇不同的功率等級，如圖1中節點A可以和網絡中其他任意節點直接通信，節點A和節點B、C、D、E、F這五個節點的實際通信距離分別標識為等級1，2，1，3，4。基元距離等級為1，表示最近的通信距離範圍，如節點A、B之間的距離；等級5表示兩通信節點處於最遠的距離等級。具體距離功率對照如表1所示，等級1對應通信距離在10米之內，等級2對應10米至20米範圍，等級3對應20米至30米範圍，等級4對應30米至40米範圍，等級5對應40米以上，相應的各網絡節點的在不同通信鏈路上使用的最終功率等級就依據兩節點之間的通信距離設定。表1距離功率對照表序號距離/米發射功率等級10～101210～202320～303430～404540～5上述方法是經驗式的發射功率控制技術，主要通過測算實際通信距離，並根據距離值來劃定功率等級，但功率等級的劃分並不是實時獲取或者實時計算獲得，而是經驗式的依照距離功率對照表設定節點的發射功率，該方法雖然可以在一定程度上降低通信過程的能量消耗，但是實際的網絡通信環境並非一成不變，經驗式獲取發射功率的方法忽略了信號幹擾、環境屏蔽等因素的影響，無法保證網絡的正常連通性和穩定性，網絡的通信成功率也會收到很大的影響。其二是基於試探的發射功率控制（TPC）方法，這是一種高效的功率控制技術。該方法主要是通過多次試探性控制信息交互機制來獲取最佳的發射功率。無線傳感器網絡節點的射頻模塊允許設定數十個不同的發射功率，具體功率值區間因硬體設計差異而有所區別。網絡中發送節點（源節點）向另一接收節點（目標節點）發起通信業務時，源節點首先檢索自身的存儲發射功率表，若該表中已經存儲了該條鏈路的發射功率，則直接設置確定的發射功率值發起通信業務，若該表中沒有對應的發射功率值，源節點則發起控制信息交互過程，控制信息交互過程如圖2所示，首先將源節點設定為最高發射功率向目標節點發送功率詢問包，目標節點收到該功率詢問包後則回復一個確認包，如果源節點收到了反饋的確認包，則認為目標節點成功接收了此次詢問包，並確認當前設定的發射功率能夠成功完成通信業務，源節點則降低發自身發射功率，並再次嘗試發送功率詢問包，如果目標節點依然正常接收並回復了確認包，源節點則繼續降低自己的發射功率，重複以上操作直到源、目標節點之間的控制信息交互失敗或者源節點的發射功率降低到了最低值，此時控制信息交互過程結束，源節點將上一次成功進行功率詢問包交互的通信視為有效通信過程，並將此次通信過程使用的發射功率確定為最終的發射功率。參考圖2控制信息交互過程。上述發射功率控制技術雖然可以使得節點獲得最低的有效發射功率，但其實現代價較高，最終發射功率的設定需要進行數次甚至數十次的控制信息的交互，這種控制信息交互過程本身就消耗較多得能量，更重要的是該技術同樣沒有考慮環境幹擾，即使在網絡幹擾突然增大的情況下，網絡節點依然使用原先設定的發射發起通信業務，此時通信成功率很難保證。因此在網絡環境比較複雜的情況下，該方法並不適用。三、

技術實現要素：
本發明目的是：解決上述現有技術存在的不足，當然也基於並改進現有的兩種發射功率設定方法，解決技術問題如下：（1）解決基於距離的發射功率設定方法中設定發射功率精度欠缺問題；（2）解決基於試探的發射功率設定方法中實現過程能量消耗過大的問題；（3）尤其是綜合考慮環境幹擾對節點通信的影響，動態設定網絡節點的發射功率，降低環境幹擾對功率設定的影響，提高發射功率設定的成功率。本發明的技術方案是：無線傳感器網絡多級發射功率配置方法，無線傳感器網絡中一個發送節點初次向另一接收節點發起通信時，採用如下步驟：步驟一，發送節點測算兩通信節點之間的理論通信距離；步驟二，根據理論通信距離，計算節點所需的理論發射功率，初步選定發射功率級別，每個發射功率級別設有若干發射功率值；步驟三，發送節點空載接收信號強度指示即RSSI檢測，動態調整所需的發射功率級別；步驟四，在選定的發射功率等級中，採用試探性發射功率控制方法確定最低的有效發射功率值；步驟五，存儲該功率設定方法確定的發射功率值，並設定該發射功率發起既定通信業務；若上述兩節點再次發起通信業務，直接獲取已存儲的發射功率即可，如果通信失敗，則清除存儲的發射功率值，並重新啟動多級發射功率配置方法設定適合該條通信鏈路的發射功率值。若上述發送節點與接收節點初次進行通信，則啟動該發射功率控制方法。進一步的，節點的射頻模塊一般定義20－30個發射功率級別，將這些發射功率值劃分為4－6個功率等級，每個功率等級中具有不同的4－7個發射功率值；進一步的，設定5個功率等級，1dBm～-4.5dBm為最高等級5，-6dBm～-0.5dBm為等級4，-13dBm～-8dBm為等級3，-18dBm～-14dBm為等級2，-28dbm～-19dBm為等級1。進一步的，在確定最終的發射功率等級之前，源節點進行空載RSSI檢測，如果測算的RSSI值高於-95dBm，則認為環境中存在較大信號幹擾，於是將發射功率等級調高至最高等級；如果空載RSSI值介於-105dBm～-95dBm，說明環境存在一定的信號幹擾，直接將發射功率等級調高一個等級；如果空載RSSI值小於-105dBm，說明環境存在的幹擾較小，無需修改發射功率等級。進一步的，如發射功率的測算值為-5dBm，空載RSSI值為-115dBm，網絡壞境較好無需修正發射功率等級。某一節點測算所需的理論發射功率值為-9dBm，若檢測到空載RSSI值為-80dBm，則設定發射功率為最高等級5；若檢測到空載RSSI值為-100dBm，則將發射功率等級調高為4；若檢測到空載RSSI值為-110dBm，則設定發射功率為等級3無需修正。本發明技術方案的有益效果：（1）降低發射功率設定過程的能量開銷，其原因是：根據測算的發射功率理論值選定功率等級，迅速縮小發射功率的選定範圍，在選定的功率範圍內的試探性控制信息交互次數得到了明顯減少，從而降低了發射功率設定過程的能量開銷。（2）實現以最低的有效發射功率進行通信，降低節點通信過程中消耗的能量。本發明方法試圖設定最低且保證通信質量的發射功率並存儲復用。以此功率進行數據通信，必然會一定程度上降低能量消耗。（3）降低節點間的通信衝突和串擾保，提高網絡節點之間通信成功率。本發明方法可以調整網絡的連通性，減少不必要的通信衝突和串擾，並融入空載RSSI檢測機制，根據網絡實時幹擾情況，修正節點的發射功率等級。四、附圖說明圖1是典型的無線傳感器網絡Mesh網絡拓撲結構圖；圖2是現有技術控制信息交互過程流程示意圖；圖3本發明發射功率控設定程圖。五、具體實施方式本發明實施例一：本發明提出了一種分級逼近式發射功率動態設定方法。一般網絡節點在硬體初始化的時都將發射功率設置為最大值，網絡某節點需要向目標節點發起通信業務時，首先檢索自身的發射功率表是否存在該條鏈路的發射功率，如果檢索到了既定的發射功率，則表明該節點已經設定了合適的發射功率值，直接以該發射功率發起通信即可，如果沒有檢索到該鏈路的發射功率，則開始本發明技術的功率設定過程。一般網絡節點的射頻模塊都定義了若干發射功率級別，如某硬體定義了23個發射功率級別，範圍從-28dBm到4.5dBm。本發明方案將這23個發射功率值劃分為5個功率等級，設定1dBm～-4.5dBm為最高等級5，-6dBm～-0.5dBm為等級4，-13dBm～-8dBm為等級3，-18dBm～-14dBm為等級2，-28dbm～-19dBm為等級1。本發明具體流程如圖3所示，發送節點（源節點）首先通過測算兩通信節點的傳輸延時來估算源、目標節點之間通信距離d，接著根據發射功率和通信距離換算公式（1）得到該通信鏈路所需發射功率的預測值：式中，PT表示節點所需的理論發射功率值，Ps表示節點接收信息的功率門限值，L表示系統損耗因子，Gt、Gr分別表示源節點和目標節點的天線增益，λ表示載波波長，n為信道衰減係數，其經典值為2，在本發射功率控制方法中將信道衰減係數設置為經典值2。根據計算得到的理論功率值PT，將該功率值轉換為常用的dBm單位，具體轉換公式如下：根據公式（2）計算值判斷源節點在該通信鏈路上所需的發射功率等級，在確定最終的發射功率等級之前，源節點進行空載RSSI檢測，如果測算的RSSI值高於-95dBm，則認為環境中存在較大信號幹擾，於是將發射功率等級調高至最大等級；如果空載RSSI值介於-105dBm～-95dBm，說明環境存在一定的信號幹擾，直接將發射功率等級調高一個等級；如果空載RSSI值小於-105dBm，說明環境存在的幹擾較小，無需修改發射功率等級。如發射功率的測算值為-5dBm，空載RSSI值為-115dBm，網絡壞境較好無需修正發射功率等級。某一節點測算所需的理論發射功率值為-9dBm，若檢測到空載RSSI值為-80dBm，則設定發射功率為最高等級5；若檢測到空載RSSI值為-100dBm，則將發射功率等級調高為4；若檢測到空載RSSI值為-110dBm，則設定發射功率為等級3無需修正。在發射功率所屬等級確定後，該發明技術開始進行控制信息交互，首先將源節點的發射功率設定為該等級範圍內的最大發射功率與目標節點進行控制信息交互，如果控制信息交互成功，則降低發射功率，重複進行控制信息交互，直到控制信息交互失敗或者功率已經降低到該等級範圍內的最低功率值，此時，我們將最後一次成功進行信息交互的發射功率視為最終發射功率，將該功率值和對應的通信鏈路存儲到節點的發射功率表中，並設定該發射功率發起通信業務。在網絡拓撲和環境幹擾穩定的情況下，一條通信鏈路只需進行一次功率設定，源節點再次向目標節點射功率發起通信業務，則直接使用已存儲的發射功率發起通信業務，如果通信失敗，則源節點清除該條通信鏈路的發射功率並重新發起發射功率控制方法。該發明技術在設定發射功率也需要消耗一定能量，在網絡數據通信量較少的時候，該發明技術並不會降低能量消耗。但是在一般的WSN中，節點之間的數據通信次數非常頻繁，且該方法設定的發射功率可以存儲復用，因此隨著網絡通信量不斷增多，該發明技術降低功耗的作用就會越發顯著。應當說明的是：以上實施方案僅用於說明本發明的技術方案而非對其限制。儘管上述步驟對本發明進行了詳細的說明，相關領域的技術人員應當理解，依然可以對本發明的具體技術進行修改或者對部分技術進行等同替換，而最終達到同樣的功率配置效果。因此只要不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。