一种基于链路级功率控制的分簇路由算法

作者:刘新华;李方敏;方艺霖;马小林;旷海兰 刊名:计算机科学 上传者:林泉

【摘要】针对非均匀网络环境下链路层的能耗控制问题,提出了一种基于链路级功率控制的分簇路由算法(CLPC算法)。CLPC算法基于最优连通功率成簇,并利用双信道机制和干扰反制策略在网络层解决链路层的冲突重传及信道访问公平性等问题,以期达到提高网络整体性能的目的。最优连通功率机制可以减少网络中节点间的冲突域,降低节点间的竞争强度;双信道机制则通过控制信道和数据信道分别对数据分组和控制分组进行收发,来降低数据传输的冲突概率,提高信道的空间复用率;干扰反制策略通过对具有高发射功率的干扰节点进行反制,来保障低发射功率的节点在共享信道上的公平性。实验仿真结果表明,CLPC算法进一步提高了网络的能量有效性和网络有效吞吐量。

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1引言在无线传感器网络中,网络层的路由机制对系统的整体性能有着非常重要的影响。网络层需要解决的是通过全局或局部信息来决策和优化路由问题。从网拓扑的结构来分,路由协议大致可以分为两类:平面路由协议和分簇(层次)路由协议。对于平面路由协议来说,网络中所有节点地位平等,不存在等级和层次的差异,它的主要优点是实现简单、扩展性好、易于维护并具有较好的鲁棒性;它的缺点在于网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同工作算法复杂,对网络动态变化的反应速度较慢等。而分簇路由协议则在能量有效性、网络拓扑控制、数据融合等方面特别是网络的扩展性上表现出良好的优越性,成为无线传感器网络路由协议中重点研究的方向[1-4]。在无线传感器网络中,如何高效使用节点的有限能量获得网络的最大生命周期成为无线传感器网络设计的首要核心问题。就传感器节点而言,节点能量的消耗主要分为3部分:数据采集模块能量消耗(传感器)、数据处理模块能量消耗(MCU)和无线通信模块能量消耗。其中,无线通信模块的能量消耗要明显高于传感器和MCU的能量消耗。据估计,传感器节点传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量[5]。因此,如何减少无线通信模块的能量消耗成为降低能耗的关键问题。功率控制可以通过某种设定的控制策略来动态调整节点的发射功率,从而降低节点发射功率的富余量,以减少节点进行信息发送时的能量消耗。从路由层的角度来看,功率控制主要体现在对节点的发射功率控制上,即网络中的节点采用何种发射功率级别来影响和优化分簇路由算法。从链路层的角度来看,功率控制主要体现在如何减少节点间的相互干扰和提高信道的空间复用度。然而,无论路由层和链路层采用何种功率控制,其最终目的均是尽量提高信道的空间复用率、降低信道的竞争强度和维持信道的公平性,从而在能量消耗、吞吐量及传输延时等方面取得更好的性能。链路层的功率控制通常不会对网络拓扑和路由施加实质性的影响。但是反过来,网络的拓扑结构和路由特性却会影响到链路层的功率控制,因此,基于跨层设计方法从网络层的角度来研究链路级的功率控制机制,是提高网络整体性能、满足用户对不同服务目的和网络质量要求的重要手段。针对非均匀网络环境下链路层的能耗控制问题,提出了一种基于链路级功率控制的分簇路由算法(clusteringalgo-rithmbasedonlinkpowercontrol,CLPC)。CLPC算法基于最优连通功率成簇,并利用双信道机制和干扰反制策略在网络层解决链路层的冲突重传及公平性等问题,以期达到提高网络整体性能的目的。最优连通功率机制可以减少网络中节点间的冲突域,降低节点间的竞争强度;双信道机制则通过控制信道和数据信道分别对数据分组和控制分组进行收发,以降低数据传输的冲突概率,提高信道的空间复用率;干扰反制策略通过对具有高发射功率的干扰节点进行反制来保障低发射功率的节点在共享信道上的公平性。本文第2节对路由层和链路层的功率控制问题进行了分析和探讨;第3节阐述了CLPC算法中拟采用的功率控制算法;第4节给出了CLPC分簇算法的详细描述;第5节给出CLPC算法仿真实验及分析结果;最后对全文的研究工作进行了总结。2路由层和链路层的功率控制问题2.1分簇算法的功率控制问题在无线传感器网络分簇算法中,功率控制主要体现在对节点的发射功率控制上,分簇算法的功率控制主要表现在以下3个方面。(1)簇的成员节点数量控制在节点分布均匀的网络中,若通过簇头选择算法使簇头节点亦均匀分布,则采用统一的发射功率,所有簇的成员节点数将会维持同一水平,这样可使每一轮

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