无线自组织网络中的功率动态分级方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线自组织网络中功率动态分级方法，更确切的说涉及无线通信的单 向链路建立算法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 无线自组织网络无需大量部署基础设施，满足偏远地区通信、紧急事件通信、军事 通信，以及其他一些特殊通信的需求，其技术特点解决了目前主流无线通信网络存在的问 题，推进了普适计算的进程。无线自组织网络是一种带有动态拓扑、多跳及点对点特性的分 布式移动通信网络。无线自组织网络的一个明显特点是它不借助于任何预先部署的基础设 施便可完成网络的构建，其构建成本较低，适合于大多数场景使用。在网络中，移动节点可 以以自组织的形成网络拓扑，并互相传输数据。无线自组织网络的通讯节点一般有手机、笔 记本电脑、智能终端、个人数字助理（PDA)、无线传感器、车载（舰载、机载）计算机等。这些 设备大多体积较小、重量较轻，便于携带，因此可以自由加入或退出网络。无线自组织网络 的自组织特点可以接受设备随时接入网络，这使得网络具有较灵活的组网机制，可以应对 多种服务需求。此外，无线自组织网络还应拥有较好的抗攻击能力，在实际应用中表现了很 强的鲁棒性。以上这些特点决定了无线自组织网络可以使用在许多没有蜂窝系统覆盖的场 景中。
[0003] 从上面的分析可以看出，网络的拓扑演进及控制、传输路由策略的制定、链路利用 率的提高是无线自组织网络中较为关键的技术问题。为了解决这些问题，近年来在无线自 组织网络的研宄领域中，研宄者们从网络拓扑结构的演进规律、高效率路由策略，以及提高 链路利用率等方面做出了不懈的努力，也提出了许多较有成效的理论和应用方法。例如在 拓扑结构方面提出了层次形分簇拓扑，在路由协议方面提出了动态源路由协议、按需平面 距离矢量路由协议和全局最短路径协议等等，在对链路利用率的研宄中提出了ffiLLO报文 机制、黑名单机制等。这些研宄成果的提出有力地解决了网络中存在的一些问题，改善了网 络性能。
[0004] 在以往对移动自组织网络的相关报道中，节点的功率控制方面已有了一些 报 道[①HigakiH.LBSR:routingprotocolforMANETswithunidirectional 1inks[C] ?ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonWirelessand MobileComputing,NetworkingandCommunications. 2007.],[②PiaoJJ,ChangT M.TPSR:TransmissionpowerbasedsourceroutingprotocolformobileAdHoc networkswithunidirectionallinks[C].ProceedingsofInternationalConference onWirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing. 2010，1-4.]， [③MorinoH,MiyoshiT,OgawaM.UnidirectionalAdHocroutingprotocolwith area-controlledfloodingusingoverheardneighbornodeinformation[C]. ProceedingsofInternationalSymposiumonAutonomousDecentralized Systems. 2007,519-525.]，[④郭光伟.基于单向链路的AdHoc路由研究[J].现代计算 机? 2008, 12:63-65.]，[⑤WangZZ，LuJD,TangJJ.Neighbormonitoringmechanism tosolveunidirectionallinkprobleminMANET[C].ProceedingsofInternational ConferenceonWirelessandMobileCommunications. 2007.]，[⑥桑俊俊，石胜飞， 李建中，等.无线传感器网络分布式单向链路检测算法[刀.通信学报.2008,29(11): 165-172. ],[?FangZ,WangffL.Researchonunidirectionallinkroutingalgorithm formobileAdHocnetworks[C].ProceedingsofInternationalConferenceon AdvancedComputerTheoryandEngineering. 2010, 5:287-290.]，[⑧WuXJ，ZhouM H,MengLM,etal.ConnectionstabilityanalyzebasedonLEACHalgorithmfor mobileAdHocnetwork[J].Infornationtechnologyjournal. 2010, 9 (6).],[⑨Zhou K,MengLM,XuZJ,etal.Adynamicclusteringbasedroutingalgorithmfor wirelesssenornetworks[J].Informationtechnologyjournal. 2008, 7(4):694-697.] 通常的做法是赋予通信节点一个固定的发射功率门限，无论节点在何种通信场景下，都不 能超过该功率门限发射数据信息。这样做的好处是可以满足大多数情况下的通信需求，不 会造成太大的通信干扰，并且在一定程度上保护节点的能量，使其不会由于无限制的提高 发射功率而过快消耗剩余能量。
[0005] 目前的普遍做法虽然可以发挥其作用，但无法更有效地对无线自组织网络中的节 点进行发射功率的控制。由于网络中的节点剩余能量不尽相同，如果都以相同的或没有经 过测算的固定发射功率门限来限制节点的通信的话，则有可能出现能量充足的节点无法完 成某些需要较高功率才能完成的通信任务，而能量较少的节点却又可能由于过多的消耗能 量而减少必要的工作时间。
[0006] 针对这一情况，本发明拟设计一种动态确定发射功率门限的方法，根据节点当前 剩余能量的情况精确的确定最大发射功率，以此来更准确的对节点的通信活动进行评估， 从而进一步提高通信能力，并保护节点剩余能量。从而引导中本发明的构思。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种无线自组织网络中的功率动态分级方法。本发明在无 线自组织网络节点通信过程中，为达到通信需要，提出一种功率动态分级方法。该方法在节 点需要提高发射功率进行通信时，提出了一种可以根据节点剩余能量精确地控制节点的发 射功率的策略，从而有效的保护节点的能量，尽可能的延长节点的通信时间。
[0008] 所述的功率动态分级方法利用节点的剩余能量作为分级的衡量标准。剩余能量 的计算米用一阶能量消耗模型[FangZ,WangWL.Researchonunidirectionallink routingalgorithmformobileAdHocnetworks[C].ProceedingsofInternational ConferenceonAdvancedComputerTheoryandEngineering. 2010, 5:287-290.] (first-orderenergyconsumptionmodel)。一阶能量消耗模型是用来分析移动自组织网 络中节点的能耗情况，如图1所示。在这个模型中，节点能耗分为发射能耗和接收能耗两部 分。其中，节点作为发射机时的发射能耗包括发射电路能耗和放大电路能耗两部分。在不同 的链路情况下，发射能耗分为两种方式：一种是空间传输方式，另一种是多径衰落方式。具 体需要选择哪种能耗方式，需要依赖于发射节点和接收节点之间的距离d。当该距离d小于 门限距离屯时，选择空间传输方式作为传输方式；而当距离d大于门限距离屯时，则选择多 径衰落方式作为传输方式。一阶能量消耗模型给出了发射能耗ETx的数学表达式：
[0009]
(1)
[0010] 节点作为接收机时的能耗只与接收电路有关，接收能耗eKx可以表达为：
[0011] ERx(k) =kEer (2)
[0012] 其中ETx是发射能量消耗，EKx是接收能量消耗。E是发射电路能耗，E"是接收 电路能量消耗。k是数据包的比特数。d是发射节点和接收节点之间的距离，即链路长度。 efS和eamp是常数[WuXJ，ZhouMH，MengLM，etal.Connectionstabilityanalyze basedonLEACHalgorithmformobileAdHocnetwork[J].Infornationtechnology journal. 2010, 9 (6). ] 〇
[0013] 根据上面的描述，一个节点在t时刻的剩余能量Mt)可以由式⑶表 达[ZhouK，MengLM，XuZJ，etal.Adynamicclusteringbasedrouting algorithmforwirelesssenornetworks[J].Informationtechnology journal. 2008, 7(4) : 694-697.]:
[0014] Ere (t) =Etotal-A1ETx-A2ERx-A3 (ETx+ERx) (3)
[0015] 其中，Etotal是这个节点的初始能量。Ai代表该节点最为源节点发射的数据量，A2 代表节点作为目的节点接收的数据量。A3代表作为中间节点转发的数据量。
[0016] 根据式（3)，可以获得节点的剩余能量，依据自身的能量消耗情况动态的确定发射 功率门限值，利用节点剩余能量信息来对发射功率门限进行分级：
[0017] 1、对节点j的已消耗