齊志遠

摘 要：文中特別采用一種自適應(yīng)功率控制和調(diào)度算法，能夠在WSN中基站的輔助下，簇首能夠在對鄰居簇首調(diào)度和功率等級表進行監(jiān)聽的情況下，對簇內(nèi)節(jié)點的發(fā)射功率級和時隙進行自適應(yīng)的安排。

關(guān)鍵詞：WSN；簇間干擾；自適應(yīng)功率控制

1 引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即WSN中，常采用經(jīng)典低功耗自適應(yīng)聚類（LEACH）跨層協(xié)議方法，可以將WSN劃分成多個簇形式，而位于簇內(nèi)的節(jié)點則可以通過時分服務(wù)，即TDMA方式和簇首來實現(xiàn)通信，也就是說，任何成員節(jié)點都只在屬于其自己TDMA的時隙和簇首內(nèi)進行通信，而在其他的時隙內(nèi)則處于休眠狀態(tài)。所以，本文中，針對LEACH協(xié)議中簇間干擾和浪費問題，介紹了一種自適應(yīng)的功率控制和調(diào)度算法。

2 簇間干擾

采用LEACH協(xié)議，有很多優(yōu)點，但并沒有實現(xiàn)對成員節(jié)點發(fā)射功率的優(yōu)化，因為對于簇首較遠的節(jié)點，以及距離簇首節(jié)點較近的節(jié)點，都采用已經(jīng)設(shè)定的最大功率來發(fā)射，這種方法會造成節(jié)點能量的不必要浪費，從而給WSN的生存周期帶來影響。

在經(jīng)典LEACH協(xié)議中，主要采用碼分多址，即CDMA技術(shù)來對簇間的干擾問題進行解決，但是，該算法的原創(chuàng)人員并沒有對簇首安排CDMA擴頻碼的過程進行說明，同時，這種方案還需要對信息進行復(fù)雜的編碼和解碼過程，就要求節(jié)點還必須有特殊硬件的支持。

所以，本文內(nèi)容中介紹了一種基于輔助基站的，能夠?qū)β蔬M行自適應(yīng)控制和調(diào)度的算法，該算法可以確保每個簇首處都保存有一張調(diào)度和功率等級表，也就是SAPL表。平時，整個簇內(nèi)成員節(jié)點都出休眠狀態(tài)下，只有在其自身的TDMA通信時隙醒來時，才會根據(jù)SAPL中的功率分配等級和簇首進行網(wǎng)絡(luò)通信，從而可以為功率浪費問題的解決提供一種途徑。對于網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點，則可以通過對臨近簇首的SAPL和基站告知的交疊節(jié)點ID的監(jiān)聽，來實現(xiàn)對本簇節(jié)點的合理安排，從而有效避免了簇間干擾的發(fā)生。

3 適應(yīng)功率控制及調(diào)度算法APCAS

3.1 算法描述

本文算法中，主要包括簇內(nèi)調(diào)度階段和簇間調(diào)度階段。其中，簇內(nèi)調(diào)度階段可以實現(xiàn)調(diào)度和功率等級表SAPL的獲取過程，相應(yīng)的，簇間調(diào)度階段可以實現(xiàn)SAPL的更新過程。

3.2 成簇及簇內(nèi)調(diào)度階段

在成簇和簇內(nèi)調(diào)度階段，除了完成節(jié)點對簇首成簇的選擇任務(wù)外，還需要完成對SAPL表中功率等級Pm的獲取和TDMA的調(diào)度。⑴簇首對MAC命令幀進行廣播，通知周圍普通節(jié)點加入；⑵普通節(jié)點則選擇信號強度為最強的簇首作為其自身的簇首，然后，再以功率Pt向簇首發(fā)送一個入簇消息，同時將功率Pt的大小記錄在MAC幀中；⑶簇首對其周圍的請求入簇節(jié)點信息進行收集，并將接收到的信號的節(jié)點編入該簇，物理層對RSSI值進行測試，簇首負責對跟該成員節(jié)點進行通信時所需要的發(fā)送功率等級Pm進行計算；⑷簇首為所有的成員節(jié)點安排TDMA時隙，最終完成SAPL表，之后，將該表向其成員節(jié)點、鄰居簇首和sink節(jié)點進行發(fā)送，同時，將SAPL中的初始更新標志位都設(shè)置為0；⑸在接收到簇首的SAPL表后，sink節(jié)點會通知所有簇首的交疊節(jié)點ID，同時隨機選擇一個簇首并將其作為錨簇首，然后再將其SAPL表的更新標志位設(shè)置為1，之后進入簇間調(diào)度階段。

3.3 簇間調(diào)度階段

在簇間調(diào)度階段，可以實現(xiàn)對SAPL表的更新操作，減少簇間干擾。在本階段，主要是通過sink節(jié)點廣播一個SAPL更新MAC命令幀來完成的。⑴所有簇首在接到sink節(jié)點所廣播的SAPL更新命令幀后，錨簇首則可以將其SAPL表的更新標志位設(shè)置為1，之后，在對其自身SAPL表進行廣播，而非錨簇首則順序進入簇間調(diào)度階段；⑵如果更新標志位為1的簇首，接收到更新標志位為1或者0的SAPL表，則不進行任何操作；如果是更新標志位0的簇首接收到更新標志位為1的SAPL表，則首先對跟該簇的交疊節(jié)點進行查看，如果沒有則舍棄SAPL表，如果有則進入TDMA的重新調(diào)度階段；⑶簇首完成了對SAPL表的更新操作后，還應(yīng)該將其更新標志位設(shè)置為1，并將更新后的SAPL表項成員節(jié)點、鄰居簇首和sink節(jié)點進行廣播和傳送；相應(yīng)的，成員節(jié)點在接收到簇首所傳送的更新標志位為1的SAPL表后，則應(yīng)將其作為最終通信標準，而sink節(jié)點則同步實現(xiàn)SAPL表的更新過程；⑷對于sink節(jié)點，需要通過對所有簇首的SAPL更新標志位進行檢查，在標志位為1的情況下，則結(jié)束簇間調(diào)度，然后，再通過對一個MAC命令幀的廣播來開啟新的數(shù)據(jù)傳輸階段。

在本文中，所介紹的APCAS算法主要利用通過自適應(yīng)的思想來對功率進行控制，達到降低節(jié)點發(fā)射功率的目的，系統(tǒng)節(jié)點則可以通過對鄰居節(jié)點SAPL表的監(jiān)聽，來對本簇干擾節(jié)點的TDMA時隙進行自適應(yīng)調(diào)整，達到減少簇間干擾的目的。通過實驗表明，文中所介紹算法能夠有效減少WSN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能量消耗，將簇間的干擾減少到較低的水平，跟不采用CDMA技術(shù)的LEACH協(xié)議相比要降低五成，效果非常明顯。

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