一种无线AdHoc网络中节点功率控制方法与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线adhoc网络(也称移动对等网络、无线自组网络等)中各节点的射频发射功率的控制方法。

背景技术：

无线adhoc网络是由一组移动或静态带有无线收发功能的终端节点组成的，它们之间的通信常常并不需要固定的网络基础设施(例如基站或热点)的支持，每个终端节点可以和无线射频范围内的其他节点直接通信，并且能够通过节点间信息转发(跳)实现更远距离通信。一般来说，adhoc网络中节点间的路由包含多跳(多次转发)，因此这种网络也称多跳无线adhoc网络，无线adhoc网络中的节点同时兼有主机和路由器的功能。

无线adhoc网络主要应用于不能提供固定设施的场合，能量利用问题在网络通信中尤其突出。采用有效的功率控制不仅能降低网络的能量消耗，而且能减少节点间的相互干扰，提高整个网络容量。当前无线adhoc网络的功率控制方法主要是借助于图论的数学模型，控制算法的思想也大多源于图论中的基本算法，在保证网络连通性的基础上对节点间的传输功率进行优化，达到延长整个网络寿命的效果。根据网络中节点使用的功率是否相同，功率控制技术可分为使用相同传输功率的控制方法和使用不同传输功率的控制方法两大类。在使用不同传输功率的控制方法中，根据节点使用控制信息类型的不同，又可大致分为三个类型：

1)基于节点位置信息的控制机制，网络中各个节点需要获取周围节点的精确地理位置信息，一般需要gps(globalpositionsystem)等定位技术的支持，典型的控制算法有r&m(由rodoplu和meng两人提出)算法、lmst(localminimumspanningtree)算法等。

2)基于节点方向信息的控制机制，网络中各个节点需要能估计出邻近节点的相对方向，这对节点的接收天线提出了较高的要求，典型的控制算法有cbtc算法。cbtc(conebasedtopologycontrol)算法是一种基于扇区的控制算法，该算法与后述的yao图的思想较为相近，不同之处在于：在yao图中，当前节点以其为中心将所处平面划分为固定的、等间隔的扇形区域，然后将每个区域中距离自己最近的节点确定为逻辑邻节点；而cbtc算法是在一个确定的传输半径范围(由节点发射功率功率及接收灵敏度确定)内，以当前节点为中心，任意一个确定大小的扇形区域内至少包含一个逻辑邻节点。

3)基于邻节点信息的控制机制，邻节点的信息包括邻节点数量、邻节点id(identity)、接收信号强度或节点间距离等，十分容易获取。典型的控制算法有xtc(xtopologycontrol)算法，xtc算法包括三个步骤：首先，通过邻节点信息交互，每个节点构建邻节点信息表，并按照某种准则对邻节点排序；其次，网络节点通过交互各自邻节点信息表，获得两跳邻节点信息；最后，每个节点根据本地记录的邻节点信息及两跳邻节点信息独立计算局部范围内的网络拓扑，选择合适的本地发射功率。

在使用不同传输功率的控制方法中，常常利用计算几何中的邻近图的方法来构造具有良好能量特性的网络拓扑，这里简单列举常用的几种拓扑构建方法：

1)rng(relativeneighborhoodgraph)：如图1(a)所示，当且仅当以节点u和v为圆心，以边(u，v)为半径的两个圆的公共区域中不包含任何其它节点w时，边(u，v)属于rng图。

2)gg(gabrielgraph)：如图1(b)所示，当且仅当以节点u和v之间边为直径的圆中不包含任何其它节点w时，边(u，v)属于gg图。

3)rdt(restricteddelaunarytriangulation)：如图1(c)所示，对网络顶点集v进行三角剖分，若每个三角形的外接圆中不包含v中的任何其它节点，就称此三角剖分为delaunary三角剖分。考虑到无线adhoc网络中节点发射功率的限制，通常在delaunary三角剖分之后rdt图仅保留那些长度小于节点传输半径的边。

4)yg(yaograph)：如图1(d)所示，节点以其自身为中心将所处平面划分为c(c≥6)个固定的、等间隔的扇形区域，并在每个扇形区域中选择距离自己最近的节点作为邻节点，保留节点与邻节点之间的边。

按上述分类，本发明属于使用不同传输功率的控制方法，也是基于邻节点信息的控制机制，而且只是获取节点间的距离信息，根据周围附近节点到本地节点的距离信息独立计算局部范围内的网络拓扑，选择逻辑邻节点，通过调整本地节点合适发射功率，和这些选择好的逻辑邻节点建立连接。

技术实现要素：

本发明所描述的adhoc网络中系统整个无线信道的数量为m，并且假定网络中每个节点使用全向天线，当最大通信距离同为rmax时，所有节点是连通的。网络中节点的模块原理框图如图2所示，拥有一个发送通道和n个接收通道，节点可同时和周围k个邻节点建立双向连接，接收通道的数量n大于k、不大于m，剩余通道((n-k)个)继续用于轮流监测系统全部的m个无线信道的状态。同一个信道资源可以通过节点发射功率控制在不同的空间位置被不同的节点复用，一般大于3跳空间距离的节点可占用同一个信道，彼此不会互相干扰，如图3示意，图中节点位置的数字表示该节点占用的信道号，这样用有限的信道资源可以构建更大的网络。网络中的节点定时向周围一定范围内的节点广播控制信息，包括该节点的发射功率、邻节点的信道号、邻节点的信号延时等，邻节点之间利用双方的信号延时信息可以精确计算出两节点之间的距离。

新节点在加入网络之前不发射信号，在系统全部的m个无线信道上搜索周围节点，接收周围节点信号，和网络进行粗同步，收集周围节点的控制信息，分析一跳节点和二跳节点的无线信道占用情况，确定自己的发射信道号，初始化本地路由表，直到能够胜任转发周围节点的报文时才打开发送通道。由于新节点一开始和周围节点没有信息交换，还不能精确测量周围节点的距离，所以该节点只能先根据每个信道上周围节点发射功率和各自检测到的接收功率的比值大小来估算周围节点的距离远近，新节点以估算好的发射功率(加上可靠连接的容限值)和搜索到的周围最近节点先建立双向连接，加入网络，开始精确测量周围节点距离，利用这些精确的距离信息独立计算局部范围内的网络拓扑，选择逻辑邻节点，调整本地节点合适发射功率，融入网络。调整本地节点发射功率的过程如下：

1)根据周围节点离本地节点的远近，找出距离最小的节点，比较其它节点到这两个节点的距离，保留离本地节点距离较近的节点。

2)在保留下的周围节点中，继续找出离本地节点距离最近的节点，再比较其它节点到这两个节点的距离，继续保留下离本地节点距离较近的节点。

3)重复过程2)，直到周围没有离本地节点距离较近的节点可以保留。这最后一次找出的节点到本地节点的距离即为本地节点当前的最大通信距离。本地节点以该通信距离调整发射功率，加上可靠连接的容限值，与周围节点进行通信连接。

由平面几何知识可知，在一个平面上的任意分布的节点，上述过程中本地节点寻找距离最近节点的次数不会大于6，次数的多少可以反应本地节点是否处于网络的边缘位置。由于网络中的节点位置随时变化，所以上述调整本地节点发射功率的过程是一个实时动态的过程，网络中每个节点都实时地采用上述过程计算局部范围内的网络拓扑，调整各自的发射功率。在节点调整各自的发射功率过程中有两种例外情况需要特殊处理：

1)本地节点周围没有搜索到其他节点存在，如图4中节点q，在网络中暂时是一个孤立节点，这种情况下，该节点应逐步增加节点发射功率，直到以最大功率在选好的信道上发射，尽最大能力给周围最大范围的节点发送连接信号。

2)一般在无线adhoc网络中，有很大一部分节点，它们分布于网络的边界上，被称为边缘节点(boundarynode)，如图4中的节点m、节点n、节点o和节点p等都属于边缘节点，其它处于网络内部的节点称为内部节点。边缘节点在网络中除了保持和网络内部节点的连接外，还需要经常加大发射功率尝试和网络外的节点建立新的连接，而加大发射功率就会增加干扰其他节点间通信的范围，如果不额外加大节点发射功率又很容易造成网络分割，如图4中的边缘节点m、n，它们之间的距离小于节点间的最大通信距离，由于功率控制，造成了网络分割，如果没有一方主动加大节点发射功率发送连接信号或者移动靠近一点，有可能双方都不能互相发现，导致网络一直处于分割状态。把上述第一种例外情况的孤立节点也可以归于边缘节点，这样两种例外情况可以统一处理。

实际上，在网络中大部分边缘节点的附近可能不存在新的节点需要连接，加大发射功率不仅影响附近节点通信，而且还可能在白白消耗能源。所以第一步先判断边缘节点；第二步确定边缘节点在什么情况下需要额外加大发射功率。上述功率控制过程中，本地节点寻找距离最近节点的次数可以作为网络中的节点判断自己是否是边缘节点的方法。判定方法如下：

1)0，表示这是一个孤立节点，可以归于边缘节点。

2)1、2，判定为边缘节点。

3)3，可能是边缘节点，也可能是内部节点，可以通过其他辅助方法进一步判判断，或可以直接简单地判定为内部节点。

4)4、5、6，判定为内部节点。

由于网络中节点的移动导致网络结构的变化，网络中的边缘节点也是随时变化的。当网络中的节点判断自己是内部节点时，该节点正常进行功率控制调整。当网络中的节点判断自己是边缘节点时，可以选择下列两种方法中的一种继续判断，如果该节点满足条件，同样该节点只需正常进行功率控制调整，不需要额外加大节点发射功率，去尝试和网络外的节点建立新的连接。

1)该节点的本地路由表中，至少有一个公共节点的路由记录。网络中的公共节点可以是网关节点或其他重要节点，是网络中的所有节点必须通过单跳或多跳方式连接上的节点。

2)该节点的本地路由表中，路由节点的数量大于一个确定值h。h值可以是整个网络节点数量(或群组节点数量)的一半或其他值，如果该节点的本地路由表中路由节点的数量大于h，表示该节点连接的网络被分割的可能性很小，即使网络被分割，该节点所连接的网络也是分割网络中的大部分，不需要主动加大发射功率去连接分割网络中的小部分。该功能可以规定由分割网络中的小部分网络的边缘节点承担。

在节点选择上述两种判断方法时，要求整个网络系统中所有节点都必需选择同样的判断方法，不然会产生矛盾。一般选择第一种判断方法，比较简单，公共节点也可以选择群组中一个关键人物的节点。

本发明方案介绍的无线adhoc网络中节点发射功率的控制方法，和现有的方法比较，具有可操作性，简单。特别是本地节点通过寻找周围距离最近节点的方法来确定自己的发射功率，可以和现有的cbtc算法、rdt及yg方法相媲美，但计算的复杂度大大降低。在采用本发明的方案控制无线adhoc网络节点发射功率过程中，各节点需要的知识范围较小，只需要掌握两跳范围内各节点状态信息，节点间控制信息通讯负担低，支持节点自由移动，网络可扩展性强。

附图说明：

图1常见的无线adhoc网络节点邻近图；

图2本发明所描述的网络节点的功能模块原理框图；

图3本发明所描述的网络中节点信道复用示意图；

图4本发明所描述的网络中边缘节点的说明示意图；

图5实例中本地节点s寻找当前的最大通信距离示意图；

图6实际使用的无线adhoc网络示意图；

具体实施例：

下面以一个具体的无线adhoc网络系统来说明本发明介绍的网络中节点功率控制方法的过程，该系统中整个无线信道总数为31，如图2所示的节点的模块有一个发送通道和13个接收通道，采用全向天线。系统限定任意节点只能同时最多和周围6个邻节点建立双向连接，至少剩余7个通道用于轮流监测系统全部的31个无线信道的状态。

如图5所示，新节点s在加入网络之前，根据每个信道上周围节点发射功率和各自检测到的接收功率的比值大小估算出周围节点中的节点a距离本节点最近，根据该距离初始化好本节点的发射功率(加上可靠连接的容限值)，首先和节点a建立连接。立即开始利用报文延时信息精确测量周围节点距离，并和周围节点交换控制信息，调整本节点合适发射功率。详细的功率调整过程如下：

1)测量节点s能接收到信号的周围节点的距离，找出距离最小的节点a(由于采用的测量方法不同及时间变化，节点s加入网络前后测量周围节点的距离可能不一致，以加入网络后的测量值为准)。比较周围节点分别到节点a和到节点s的距离，保留下离本地节点s距离较近的节点。如图5所示，节点b和c，距离节点s较远，被删除。事实上保留节点s和节点a连线的垂直平分线靠节点s侧的节点。需要注意的是，由于节点s周围的节点，节点a可能检测不到，所以在判断距离大小时，这些节点应该判定距离节点s较近。如图5中的节点f、g、h等，节点a可能检测不到，应该判定这些节点距离节点s较近，给予保留。

2)在保留下的周围节点(如图5中所示的保留节点d、e、f、g、h、i、j)中继续找出离本地节点s距离最近的节点e，再比较其它节点分别到节点s和节点e的距离，继续保留下离本地节点s距离较近的节点(如图5中所示的保留节点h、i、j)。

3)重复过程2)，直到周围没有离本地节点距离较近的节点可以保留。如图5中的节点i就是最后一次找出的到节点s最近的节点，节点i到本地节点s的距离即为本地节点s当前的最大通信距离。本地节点s以该通信距离调整发射功率，加上可靠连接的容限值，与周围节点进行通信连接。

定义一个计数器findcounter，初始值为0，上述寻找最近距离节点的过程中，每寻找一次，findcounter加1。过程结束后，根据findcounter值大小判断当前节点是否为边缘节点。判断方法为：当findcounter大于2(等于3、4、5、6)时，当前节点为内部节点；其他情况下判定当前节点为边缘节点。图5中节点s的findcounter值为3，判定节点s为内部节点。

本实施例中，当节点判定自己是边缘节点时，是否需要额外加大发射功率去尝试和网络外的节点建立新的连接，判断方法是看该节点的本地路由表中是否含有至少一个公共节点的路由记录。本实施例中的公共节点为网关节点，如图6示意的一个实际使用的无线adhoc网络，图中的a0、b0、c0节点称为网关节点，它们之间通过更高速网络互连，网关节点的位置可以固定。很容易证明：只要网络中所有节点连接上公共节点，整个网络是连通的。只有没有连接上网络公共节点的边缘节点才需要额外加大发射功率去尝试和网络外的节点建立连接。

综上所述，在本发明方案介绍的无线adhoc网络中节点功率控制方法中，没有复杂的计算方法，大部分算法只是数值比较大小，在网络中节点移动速度较快的情况下也不需要采用高性能的处理器就能胜任。