1、计算机 外文翻译 外文文献 英文文献 基于拓扑结构的分布式无线传感器网络的功率控制外文出处：Prasan Kumar Sahoo著, Proc of Computing, and Communications Conference, 2005.C 出版社： IEEE，2005年 附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文基于拓扑结构的分布式无线传感器网络的功率控制摘要无线传感器网络由大量的传感器节点电池供电,限制在一定区域内的随机部署的几个应用。由于传感器能量资源的有限,他们中的每一个都应该减少能源消耗,延长网络的生命周期。在这篇文章中,一种分布式算法的基础上,提出了无线传感器网络的构建一种高效
2、率能源树结构,而无需定位信息的节点。节点的能量守恒是由传输功率控制完成的。除此之外,维护的网络拓扑结构由于能源短缺的节点也提出了协议。仿真结果表明,我们的分布式协议可以达到类似集中算法的理想水平的能量守恒，可以延长网络的生命周期比其他没有任何功率控制的分布式算法。关键词：无线网络传感器，分布式算法，功率控制，拓扑结构1.引言近年来在硬件和软件的无线网络技术的发展,使小尺寸、低功耗、低成本、多功能传感器节点1的基础上,由传感、数据处理及无线通信组件组成。这些低能量节点的电池,部署在数百到成千上万的无线传感器网络。在无线传感器网络系统、音视频信号处理系统,使用更高的发射功率和转发数据包相似的路径是
3、种主要消费传感器的能量。除此之外,补充能量的电池更换和充电几百节点上的传感器网络应用的大部分地区,特别是在严酷的环境是非常困难的,有时不可行。因此,节能2,3,4的传感器节点是一个关键问题,如传感器网络的生命周期的完全取决于耐久性的电池。传感器节点一般都是自组织建立了无线传感器网络,监察活动的目标和报告的事件或信息多跳中的基站。有四种主要的报告模式的传感器网络:事件驱动、队列驱动、期刊、查询和混合的报告。在事件驱动模型, 节点报告接收器,同时报告遥感一些事件,例如火灾或水灾而敲响了警钟。定期报告中,节点模型的数据收集和可聚合所需资料,成为集,然后定期的发送到上游。资料相结合的方法,称为数据融合
4、5,6,7和8,从而降低了数量的传输数据。这样的例子,也可应用在这里,如报告的温湿度的地方。所以, 集合到一个单一的类似数据包的数据融合的遥感数据的传送到接收器的多级跳环境中，从而保存能源也是在传感器网络中的重要研究问题。在9的基础上, 对传感器节点的每个单元的电源消耗比较进行分析，它观察耗能接收的电源和空闲状态几乎相同，CPU 的功耗是很低。在文献10的基础上, 在作者建议中的理想的发射功率评估通过节点互动与信号衰减节点的无线传感器网络 MAC 协议的传输功率控制。计算理想的发射功率的反复改进和存储当前的理想发射功率，为每个相邻的节点。在11, 作者介绍了拓扑控制的无线传感器网络，于一体的有
5、效子网和短跃点方法来达到节能降耗的两级策略。分析是在非对称无线链接并不罕见，具有不同的最大传输范围，在异构无线设备的网络拓扑控制的问题。详细分析了在12。因为节点是异构的,他们有不同的最大传输功率和广播范围,需要可调整的功率控制的分布式天线。作者在13中的采取一套主动节点和节点的传播范围，建议尽量减少总功率消耗的无线传感器网络的最小电源配置方法。在14,作者提出了一个分析路由协议的范围的可变传动方案。从他们的分析研究表明,该算法可以提高可变传动范围全面的网络性能。以LEACH 15为基础的算法，这些算法是让一些节点使用较高的发射功率帮助邻居传输数据到了 BS。然而, LEACH需要全球的传感器
6、网络的知识，并且假定每个节点接近BS。在16中,两个局部拓扑结构的控制算法,并提出了异构多跳无线网络的非均匀传输范围。虽然这个协议保护网络的连接和谈论如何控制的拓扑结构,它不谈网络拓扑结构和能耗的密度较大的问题,如无线传感器网络节点。17是跨省电种技术,特设的无线网络无显著降低能耗的能力或连接的网络。这是一个分布式的随机算法,为了节省功率最大对电池进行关闭。但是它使用固定传输功率范围,该算法适用于低密度等IEEE 802.11无线通信网络的节点。在18,提出了构建集中算法进行了静态的无线网络的拓扑结构。根据这一算法的基础上,初步每个节点有它自己的组成部分。然后,它通过合并交互连通到一个整体上。
7、毕竟,部件连接环和优化的后处理解除功耗的网络。虽然该算法18是专为无线网络拓扑结构的优化,它是一个集中并不能改变发射功率动态。分布式算法在无线传感器网络的传输功率控制提出了19。他们指派一个任意选择的传输功率级传感器节点在可能分裂的网络中。同样,他们提出了全球性的解决方案与不同的传输功率算法, 拓扑结构创造了一个连接的网络和设定不同的传输范围为所有的节点。所以,他们的工作能耗的节点可能更多,因为在无线传感器网络中的节点是相邻的。在无线传感器网络中、通信是能量消耗的主要因素20。然而,传输功率调节控制网络拓扑结构可以延长寿命及提高无线传感器网络的能力。另外,而非控制发射功率水平,总是使用一个固定
8、的高功率水平网络的节点的节点将迅速减少死亡网络的生存时间。收集数据,感觉到最重要的信息可能包含一些要求,提供一种连接网络拓扑结构是非常必要的无线传感器网络。因此,在我们的工作中,我们提出如何控制发射功率水平的每个节点的网络来节约能源。我们提出一个分布式算法,调整传输功率级别的节点动态和构建一棵树和一个中间功率电平拓扑结构之间的最大和最小,在不同的群体,达到一种连接网络的节点。本算法在一种无线传感器网络中没有位置信息,建立连接节点分布式的拓扑结构。接下来的文章是有组织的如下。本协议的系统模型,提出了第二节。我们的分布式控制协议被描述在第3节。性能分析和仿真结果在第4节而结论在第5节。2.系统模型
9、让我们考虑一种单一的多跳的无线传感器网络,传感器和部署在某些随机地理区域,这样小的连通性存在不同组的节点,如图1。它认为水槽内通信范围至少一个节点的网络。在这个网络的连通性孔由于不可抗拒的自然物质间隙小另一批节点之间的差距部署或由于同一地区的节点,因为他们不能与最小传输功率(Pmin)连接。然而,所有的节点要么来自同一或不同的组织使用固定传输功率电平交流和形成一个连接的网络没有任何权力的控制。这个固定传输功率电平可以被假定为最高(Pmax)或最小值和最大值的权力之间的水平。根据我们的实验用云母尘(21)和RF频率866,表1兆赫兹,0被视为最低(Pmin)和3为最高(Pmax)传输功率电平之间
10、的交流,我们认为这种价值节点在我们的文中中。之前的下一章节中,我们定义了一些技术术语用于我们的协议。图1.传感器节点部署和连通性随机孔之间的不同的组节点表1对于不同的电力能源消费水平和相应的交流,得到了来自我们距离的实验结果功率电平0123输出功率 (dBm)13715范围 (m)2.10.23.40.25.90.210.20.2当前消耗 (mA)9.510.815.825.42.1.定义上游和下游的组： 让 G1，G2，G3，. 作为套组节点分布在某一地区。 如果两个组Gi和 Gj，i j，以致控制数据包转发的Gi的任何节点到 Gj，然后Gi被称作为上游组于 Gj , Gj 是下游组对应Gi
11、。例如在图 1中的组 G1 包含接收器节点被认为是上游组组 G2、 G3、 G4，相对于控件作为数据包是最初广播从组包含到其他组网络的接收器。 相对于 G1 下游组 G2、 G3、G4。同样，如果控制数据包 G2 从广播到这些组，在这种情况下 G3、 G4 被视为下游组的 G2，G2 可以组 G3、 G4，一个上游组。 本地跃点计数 (LHC)： 这是表示的控制数据包遍历本地一的组内时它发送到另一个节点的跃点数的计数器。LHC 的控制数据包的值初始化为 0 和的数据包在同一组内的每个后续跳跃 1 递增。一般来说 LHC = LHC + 1。如果节点 A 将数据包转发到 B，并且 B 然后将同一
12、个数据包转发到价值的 LHC 在控制数据包中的 A = 0，B = 1 和 C = 2。 组跃点计数 （GHC）： 这是表示的控制数据包传递到其他传输从一个组时的跃点数的计数器。 GHC的值是唯一的特定组中的所有节点，它会增加 1，如果包传递给另一组。 GHC的值初始化为 0，在一般的GHC = GHC + 1，后续跳跃的数据包从一个组到其他。数学上，让 G = g1，g2 ，gn，作为组中的 n 传感器节点集，m 传感器节点的组处于相同或不同的 m 和 n 的值的另一个组。 如果GHC值 = p，giG, 然后 ，GHC值 = q，其中 p q，作为 G，不同组的节点。 在我们的协议，因为接
13、收器节点启动建设阶段，即在 G1，GHC的 G1 在图 2 中，所有节点的值是 0 和如果数据包从 G1 转发到像 G2 或 G4 的任何其他组，GHC数据包中的值是按 1 递增。 因此，GHC的值 = 1，为 G2 或 G4。 父网关 ID (PGID)： 使连接与一个上游组的节点的组中的所有节点的节点称为父网关和其 ID 称为为 PGID。 节点的每个组中存在只有一个父网关。图 2. 父和子网关的不同组的节点 子网关： 连接到父网关下游组的节点称为子网关。组中存在至少一个子网关。在某些的情况下如果一组都包含唯一的节点的单个节点被视为为该组的父和子网关。图 2，组 G1 的A,B节点分别为D
14、,C节点的子网关。 节点能级 (NEL）：当前节点的能量级别称为 NEL。 例如在广播一控制数据包，如果一个节点的能量级别是X，NEL在控制数据包中作为X的单位。父网关功率级(PGPL):任何组的父网关的发射功率水平,它可以与子网关的上游组织连接被称为父网关功率级(PGPL)。自从接收器始终是父网关的组里，它PGPL分配为0。然而,对于其它组中的父网关, PminPGPLPmax,这可能值在1和3之间,按我们的假设。 源 ID (SID)： 如果 A 和 B 是相同或者不相同组中的两个不同传感器节点，将数据包A发送到 B，A节点的ID是源节点，A也是B的源节点。3.分布式的功率控制协议在本节中
15、，我们将提出我们基于拓扑结构协议的功率控制，这是一种动态的拓扑结构。 我们假设在网络中的每个节点具有一个唯一的 ID，他们每个人都知道在拓扑结构之前邻居的 ID。根据我们协议的每个系统模型，由于每个组的节点之间存在的连接孔，我们假设网络可能会断开连接，如果他们使用低传输功率级与另一个节点的一组之间，并且可能会消耗更多的精力，如果他们使用最大传输功率级进行通信。此外，在我们假设传输电源网络中的所有节点级别后部署可能是最大或最小值和最大值之间。因此，我们的协议，在树拓扑构造节点使用最小传动功率级的每个组之间 (Pmin = 0)，整个网络的树拓扑连接在不同组节点中形成并使用有效功率级别 (PTx)
16、，这里(Pmin=0)PTx(Pmax=3)，这个分布式协议的不同阶段在下面将描述。3.1.施工阶段一旦所有的节点部署在网络中, 就通过广播最小发射功率的构造数据包启动施工阶段 (Pmin = 0) 以与邻居直接连接如图 4 (a) 所示。图 3 所示的构造数据包格式和数据包的参数初始化为：SID=Sinks ID, PGID=Sinks ID, NEL为接收的功率级, LHC=0,GHC=0, PGPL=0. 接收器节点通常接收数据，则其 PGPL 分配给 0，这是不同的网络的其他父网关。在接到构造包，在其最小的传输接收器的邻居电源范围 (Pmin = 0)，扫描包的所有参数。 他们等待随机
17、时间Wi，并与接收器连接。让Ni作为第i节点的邻居代号在网络中的N个节点，自收到构建包中, 第i个节点的等待时间可以被看作是:(1)在i是一个小的随机数兼容CSMA-CA机制(22)。然后,他们每个人都重播了构建包使用相同的最小功率电平Pmin = 0到他们的邻居提供必要的参数对应的数据包,等待时间的Ti单位在（2）中得到：(2)第i个节点的当前的能量级为Ei，i是一个非常小的随机数，比如0.00001i0.0001.图 3. 构造数据包的格式为了避免密集网络中的节点之间的数据包碰撞，我们建议接收器还等待Ti单位后广播构造包，然后进入信息阶段 3.2 节中所述。 它是应注意该接收器，必须至少一
18、个传感器节点的最小值或最大传输功率范围内。 但是，如果在接收器没有找到任何Pmin = 0的邻居，它与它的邻居链接进入信息阶段，在经过Ti轮候时间（表 2 和表 3）。表 2接收器与网络的任何节点施工阶段算法算法 1: 施工阶段For the Sink:1.初始化：参数与本地跳数 (LHC) = 0;2. 设置: 传输功率 Pmin=0;3. 广播构造包;4. 等待 Ti 个单位;5. 进入信息阶段;对于i个节点:1. 如果: (接受构造包)2. 3.等待 Wi 个单位;4.扫描每个接受包的 LHC;5.获取连接与发送方的LHC最小值;6. 设置: Pmin=0;7.增量: LHC by 1
19、in the Construct packet;8.广播构造包;9.等待 Ti 个单位;10. 进入信息阶段;11. 12. 否则: 等待 T = (Wi + Ti) 个单位;13. 进入维护阶段, 在3.3.1 (C)节中描述.表 3发件人和接收信息阶段算法算法 2： 信息阶段For any Sender(i):1.如果: (接收构造包)2.3.从构造数据包复制 PGID 和GHC的值;4. 增量: Value of GHC by 1;5.初始化： 所有参数的信息包;6.设置: 传输功率 Pmax=3;7.广播信息包;8.9.否则: 进入维护阶段, 在 3.3.1 (C)节中描述;For a
20、ny Receiver(j):1.如果: (接收信息包)2.3. 等待随机兼容CSMA-CA机制;4. 估计自身和每个发送方之间的物理距离;5.在自身和发送方之间估算有效的传输功率 (PTx(ij) 6.设置: 在构造包中PGPL的值为PTx(ij);7.将GHC的值从信息包复制到各自领域的构造数据包;8.初始化: PGID 有自己的 ID;9.进入构造阶段;10.11.否则: 进入维护阶段，在 3.3.1 (C)节有描述.在接到构造包，节点扫描中它的所有参数，并考虑作为其源有最少 LHC 节点。 接收机节点等待无线设备、连接的源和上文所述，然后按照相同的步骤。 直到一个节点不会收到任何构造包
21、进一步与第一个树拓扑构造一个的组的节点之间如根和其他节点为它最小传动功率级中其他节点的接收器与图 4 (b) 所示，此过程会继续进行。我们假定有不同组的节点或一些节点之间的连接孔是无法构建使用 Pmin 的链接，在施工阶段以有限的时间间隔后终止。执行信息阶段后形成树拓扑下一组。它是构造包始终使用最小传动功率级传输，每次 LHC 都加 1，它从一个节点跳到另一个时应注意。在一个组中一些节点也可能是其他的邻居节点已收到相同的构造数据包。然后一个节点决定它自己的源节点的如何？ 3.3.1 (A) 段所述，我们曾讨论在维护阶段的这部分的问题。图 4. (a) 随机分布在面积的传感器节点 (b) 第一个
22、树拓扑结构3.2.信息阶段这一阶段的目的是在整个网络的不同组节点中使用最有效电源级构建分布式的树拓扑。 它通过广播通知数据包使用最大传输功率级 (Pmax = 3)。 通知数据包的格式如图 5 所示。它是应注意每个组的节点具有唯一的父网关。 为例，接收器是其组中的唯一父网关。 所以，之前于广播通知数据包，一个节点将 PGID 的值通知包复制从该构造，可以区别另一个构造包的数据包。此外，GHC构造数据包中的值是加 1，然后添加到通知数据包的相应字段。 代以通知数据包中的所需值，广播使用 Pmax = 3。在接到该数据包，一个节点知道从其标题信息，它是通知数据包，并可兼容CSMA-CA 机制 22
23、 的随机时间的等待。此外，从每个发送方使用下面的公式估计其物理距离。(3)Pr=(d-)Pt,其中Pt是一个节点使用广播通知数据包的发射功率。在我们的协议里，每个节点使用对应于 Pmax = 3的发射功率（Pt）广播一个信息数据包，在表1中，Pr是在接收信息包时节点的接收功率，接收功率用变量d，是路径损耗 (衰减），它满足24的条件，这里，比例常数 被假定为符号起见 1 和 的值通常是为 2 的可用空间。 它是应注意的发送方节点集被视为为按第 2 节中给出的定义在上游的分组。在接到通知包，可以用式 (3) 估计 d 发送方和接收方之间的物理距离。 有效的发射功率 (PTx)，依据它可以上游组中
24、的发送方可以通信可以有如下估计：(4)将发件人广播告知数据包的一组。为网络中的全数字节点考虑 N(5)接收通知数据包的节点集，获取通知数据包后并使用式 (3)，让dij作为发送方Si和接收方Rj的估计距离，i=1,2,m; and j=1,2,n。(6)应注意一个组的节点可能是另一个节点的已收到几个通知数据包。 因此，每个节点使用式 (6) 来找到最短的距离，即 Dij = min(dij)，具有本身 (接收) 组的所有节点 （发送） 之间。 计算的 Dij 值后, 一个节点再次使用称为PTx(ij) 的方程 (3)，来估计有效发射功率之间最接近的发送(i) 及 自身(j)。 从我们的 4 节
25、图 12 中给出的仿真结果证明，我们发现使用最大传输功率级的可能性是非常小的高密度网络。 因此，值得在这里提到的节点数数可能使用最大动力 (Pmax = 3) 作为有效的传输功率与上游组节点通信。 因此，在我们的协议里，有效功率级别PTx(ij) 可能是 1 或 2。然而，在最坏的情况PTx(ij) = 3 可用作可能的有效传输功率级。图 5. 通知数据包的格式随机的时限已经届满后，已经收到通知数据包节点广播构造包使用最小传动功率级的第 3.1 施工阶段中所述。 数据包的 PGPL 字段中给出的上游组可连接节点的有效功率级别。 GHC的值从通知包复制到各自领域的构造包。 节点将自己的 ID 添
26、加到 PGID 字段声明本身为父网关和其他参数，如 SID，LHC、 GHC和 NEL 也根据定义添加到相应构造包的字段里。Power control based topology construction for the distributed wireless sensor networksAbstractWireless sensor network consists of large number of sensor nodes with limited battery power, which are randomly deployed over certain area for s
27、everal applications. Due to limited energy resource of sensors, each of them should minimize the energy consumption to prolong the network lifetime. In this paper, a distributed algorithm for the multi-hop wireless sensor network is proposed to construct a novel energy efficient tree topology, witho
28、ut having location information of the nodes. Energy conservation of the nodes is accomplished by controlling transmission power of the nodes. Besides, maintenance of the network topology due to energy scarcity of the gateway nodes is also proposed in the protocol. Simulation results show that our di
29、stributed protocol can achieve energy conservation up to an optimum level similar to the centralized algorithm that we have considered and can extend the network lifetime as compared to other distributed algorithms without any power control.Keywords: Wireless sensor network; Distributed algorithm; P
30、ower control; Topology construction1. IntroductionRecent advances in hardware and software for the wireless network technologies have enabled the development of small sized, low-power, low-cost and multi-functional sensor nodes 1, which consist of sensing, data processing and wireless communicating
31、components. These nodes are operated with very low powered batteries and deployed hundreds to thousands in the wireless sensor network (WSN). In wireless sensor network, signal processing, communication activities using higher transmission power and forwarding of similar data packets along the multi-hop paths are main consumers of sensor energy. Besides, replenishing energy by replacing and recharging batteries on hundreds of nodes in most of the sensor networ
