[发明专利]基于模糊逻辑的无线传感器网络节点自适应功率控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其将模糊逻辑引用到了无线传感器网络节点的自适应功率控制中。

背景技术

随着微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanism System)、片上系统(SOC，System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)孕育而生，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，在军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域得到了广泛的应用。

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，节点能量有限并且共享传播媒介。这就要求在满足通信需求的前提下，尽量减少传感器节点的能量消耗，同时需要各个节点使用最合适的发射功率来减轻相互干扰。因此，如何降低传感器网络的能量消耗成为该领域的核心问题。在提高电池容量的技术没有取得突破性进展前，减少节点的能量消耗是一个现实可行的途径。另一方面，即使电池容量足够大，也应该采取措施来减少节点间的相互干扰，增加吞吐量。这就对有效的功率控制策略提出了迫切的要求。

现有的无线传感器网络协议算法可以节省全局的能量消耗，延长网络的有效生存时间。以无线传感器网络常用的分簇算法为例，从整体来看，利用某种簇头选择算法进行恰当的簇头选择能很大程度上节省能量。但是，从单个节点的角度讲，分簇后，簇头与簇头、簇头与汇聚节点之间应该以何种功率进行通信是现有研究的热点和难点。大多数情况下，无线传感器网络节点以固定功率发送数据包，这种方式存在一定的缺陷：一方面，若节点以固定的大功率发送数据包会带来很大的干扰和能量浪费；另一方面，若节点以固定的小功率发送数据包容易引起丢包，丢包后的重传降低了数据的实时性且浪费了能量。因此，我们需要一种无线传感器网络中点对点的自适应功率控制算法。

发明内容

本发明的目的是为了解决无线传感器网络节点以固定功率发送数据带来的能量和干扰问题，提供一种无线传感器网络中点对点的自适应功率控制算法，实现动态功率调整，降低网络能量消耗，延长网络生存时间。

本发明所采取的技术方案如下：

所述无线传感器网络自适应功率控制系统由发送节点和接收节点组成。其中，接收节点扮演者控制者的角色，它决定发送节点的发射功率，而发送节点只能被动调整自己的发射功率值。在实际应用中，发送、接收关系是随时变化的，每个传感器节点里既有发送节点的模块，也有接收节点的模块。当它本身需要扮演发送节点的角色时，它就启用发送节点模块，等待对端的控制指令；当它本身需要扮演接收节点的角色时，它就启用接收节点模块，根据接收的服务质量(QoS，Quality of Service)算出对端所需功率调整值。

发送节点包括发送模块、历史功率模块和调整值接收模块。其中，发送模块以历史功率模块提供的参考发射功率发送数据包；调整值接收模块负责实时更新历史功率等级。接收节点包括接收模块、QoS提取模块、模糊计算模块和调整值反馈模块。其中，接收模块工作在物理层，它的作用是接收信号；QoS提取模块负责收集接收端QoS参数；模糊计算模块使用模糊逻辑控制器计算调整值，将计算结果提交给调整值反馈模块；调整值反馈模块负责把功率调整值回复给发送节点。本发明假设通信信道是双向、对称的，所以它们的衰落特性是相关的。在这种情况下，接收节点既然能收到发送节点发送的数据包，那么发送节点也应该能接收到接收节点回馈的调整值。

所述无线传感器网络自适应功率控制系统的核心部分是模糊计算模块，它是根据接收端QoS来计算调整值的关键部分，它的性能对功率控制起到了至关重要的作用。本发明将模糊逻辑引入到传输功率控制中。模糊逻辑最适用于无法用数学模型来描述或者用传统模型会引入复杂的计算的场景。在无线传感器网络中，发送信号的衰减是复杂、不定的，技术人员很难决定某个时刻发送节点合适的发送功率。因此，基于模糊逻辑的方法是切实可行的。