無線自組網(wǎng)功率優(yōu)化問題研究

雍巍

摘 要：無線自組網(wǎng)采用了網(wǎng)絡(luò)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得它可以進(jìn)行多跳通訊，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織化。本文作者針對無線自組網(wǎng)的發(fā)送速率與發(fā)送功率之間相互影響的特點，從網(wǎng)絡(luò)吞吐率與每比特平均能耗的角度研究了特定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送速率與發(fā)送功率之間的平衡點，并進(jìn)行了仿真分析。證明了對于一個特定的多速率與多功率無線自組網(wǎng)絡(luò)，是存在一個最優(yōu)發(fā)送功率或一個較優(yōu)的發(fā)送功率區(qū)間，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點以該功率或功率區(qū)間發(fā)送分組時，可以得到最小的每比特平均能耗，同時網(wǎng)絡(luò)仍然可以保持較高的吞吐率。

關(guān)鍵詞：無線自組網(wǎng)；多功率；每比特平均能耗；吞吐率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.205

1 緒論

無線自組網(wǎng)絡(luò)（Wireless Ad Hoc Network）簡稱Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，其可以看作是移動通信與電腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的一種新型網(wǎng)絡(luò)形式。該網(wǎng)絡(luò)支持多跳通訊，可以實現(xiàn)臨時性的自我管理。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點可以通過不同的路徑經(jīng)過多跳來實現(xiàn)連接，因此具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。多跳，自組織，無固定的基礎(chǔ)設(shè)施是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的最重要的特點。

信道接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議處在通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件的最底部，運行在物理層之上，它決定什么時候發(fā)送其分組，而且通?？刂茖ξ锢韺拥乃性L問。其性能的好壞會影響整個網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)。在多跳網(wǎng)路中的協(xié)議設(shè)計時遇到的一個十分重要的問題就是如何避免碰撞，因為衡量一個網(wǎng)絡(luò)性能的最重要的指標(biāo)就是其吞吐率，而碰撞恰恰是影響吞吐率最重要的因素。可以說，避免碰撞的思想貫穿于“多跳”分布式網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議演化的始終。無線自組網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制技術(shù)的演化與發(fā)展走過了一個從單信道到雙信道再到多信道的過程。與此同時，多速率技術(shù)（又稱速率自適應(yīng)技術(shù)）和功率控制技術(shù)也被引入信道接入控制協(xié)議中。

2 基于多速率、多功率的MAC協(xié)議的無線自組網(wǎng)功率優(yōu)化

2.1 速率自適應(yīng)技術(shù)

無線自組網(wǎng)中的速率自適應(yīng)技術(shù)簡單的說就是對傳輸速率不斷進(jìn)行動態(tài)地調(diào)整，找到最合適在當(dāng)前信道條件下的傳輸速率，從而使網(wǎng)絡(luò)能一直保持在最大的吞吐率狀態(tài)。速率自適應(yīng)技術(shù)的核心是及時地獲取能夠?qū)崟r反映信道狀態(tài)的信息，做出評估，并在這個基礎(chǔ)上做出速率選擇。

我們知道，信噪比與誤碼率之間呈反比關(guān)系，信噪比越差就越難重現(xiàn)原始信號；如信噪比不變，我們采用越高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端出現(xiàn)的誤碼率就越高。而發(fā)送速率越大，理想情況下吞吐量也越大，但也越容易受到信道噪聲的干擾，增大誤碼率；速率越低，理想情況下吞吐量越小，但傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。由此可知，速率自適應(yīng)技術(shù)實際上可以有兩個優(yōu)化的目標(biāo)：以提高吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)和以節(jié)省能量為優(yōu)化目標(biāo)。本文討論如何在保證高吞吐量的情況下盡可能地節(jié)省能量，即將成功發(fā)射單位比特信息量所消耗的功率盡可能降低。目前比較典型的多速率MAC協(xié)議有：（1）ARF協(xié)議。ARF（All Rate Fallback）協(xié)議支持多速率并被廣泛使用。ARF協(xié)議主要是通過統(tǒng)計信息進(jìn)行判斷，若一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)成功率高，就提速發(fā)送，否則就降速；（2）RBAR協(xié)議。RBAR（Received-Based Auto Rate）協(xié)議的宗旨是由接受節(jié)點通過判斷來告知發(fā)送端要采用什么速率進(jìn)行發(fā)送。RBAR協(xié)議基于IEEE802.11，因而易于實現(xiàn)，代價很小。

2.2 功率控制技術(shù)

功率控制技術(shù)的目的之一當(dāng)然是為了節(jié)省能量，因為節(jié)省能量對于無線自組網(wǎng)絡(luò)非常重要。功率控制問題是指在無線通信中節(jié)點發(fā)送分組要選擇最恰當(dāng)?shù)墓β?。這里講的是恰當(dāng)?shù)墓β剩⒉皇枪β试叫≡胶?。這是因為所選擇的功率不僅要能成功完成發(fā)送分組的任務(wù)之外，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及吞吐率等諸方面。

網(wǎng)絡(luò)層功率控制需要從整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來考慮，通過改變各個節(jié)點的發(fā)送功率來影響具體的通信路由，使得整體網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)。但是對與組織網(wǎng)來說，我們很難預(yù)判節(jié)點的分布狀況。因而我們需要引入一種機(jī)制，讓系統(tǒng)能依據(jù)節(jié)點的分布自動進(jìn)行優(yōu)化，控制好節(jié)點的發(fā)送功率。如果增加發(fā)送功率，可以獲得更大的覆蓋范圍，節(jié)點跳轉(zhuǎn)的次數(shù)也就相應(yīng)可以減少，造成系統(tǒng)的聯(lián)通新得到改善。但是這可能造成信道的空間復(fù)用度降低，反而拖累了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。反之如果降低發(fā)送功率，信道的空間復(fù)用度可以得到改善，但通訊覆蓋范圍降低，通訊的跳轉(zhuǎn)次數(shù)可能會提高，連通性會變差，通訊延時也會增加。所以，在選擇發(fā)送功率時，其實我們必須在跳轉(zhuǎn)次數(shù)和空間復(fù)用度之間進(jìn)行有偏向的取舍。

一般來說，功率與信噪比之間在數(shù)量上是一種線性的關(guān)系，于是我們可以得到啟示：（1）既然不同的速率有相應(yīng)于自己的信噪比門限，而由于信噪比與功率之間有著線性關(guān)系，則每一個信噪比門限值就會有一個相對應(yīng)的功率“門限”；（2）既然吞吐量—信噪比圖中的相應(yīng)于一定速率的曲線會出現(xiàn)一個“平臺”（最大吞吐量），在這段“平臺”中，吞吐量隨著信噪比的增加基本不變，那么相應(yīng)地在吞吐量—功率圖中也應(yīng)該出現(xiàn)類似的“平臺”（最大吞吐量），功率進(jìn)一步增大，吞吐量基本維持不變。

所以，我們可以直接從功率出發(fā)，研究吞吐量與功率的關(guān)系，試圖找出吞吐量高、且發(fā)送單位比特能量最省的發(fā)送功率，從而對多速率、多功率的MAC協(xié)議進(jìn)行性能分析與優(yōu)化。

2.3 仿真與結(jié)果分析

GloMoSim是并行可擴(kuò)展離散事件仿真環(huán)境，適合在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真中使用。本文在GloMoSim現(xiàn)有的IEEE 802.11 DCF協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真與研究。選用RABA協(xié)議作為研究對象。我們根據(jù)朗訊的Orinoco系列無線網(wǎng)卡的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計收、發(fā)機(jī)的模型及性能參數(shù)，設(shè)定發(fā)射功率為3dBm。

仿真配置1： 兩個節(jié)點，距離800m，業(yè)務(wù)為CBR，發(fā)包大小1024byte，發(fā)包間隔1ms。

分析：節(jié)點間距加大時，吞吐量隨發(fā)送功率變化圖的規(guī)律基本沒變，但平均能耗隨發(fā)送功率的變化有較大的差異。出現(xiàn)跳躍點處的位置沒變，但“平臺”沒有了，出現(xiàn)了隨著發(fā)送功率逐漸增加其平均能耗也隨之增加的情況。相應(yīng)于吞吐量出現(xiàn)的四段“平臺”，其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始處。而這四個值中最小的一個，不再是最右端的那個，而是倒數(shù)第二個。這說明，并不是總是用最大的速率發(fā)送分組能耗最小。

而當(dāng)我們將間距增加到1200m的時候，隨著速率的提升，其吞吐量仍然維持原先的變化規(guī)律，但平均能耗雖然仍然保留了在距離800m時的分段上的上升趨勢，但最小的能耗點卻再次前移。實際上，此時如能確保使用最低速率發(fā)送分組時的發(fā)送功率，其平均能耗最低。

上述研究表明：在RBAR的基礎(chǔ)上引入功率控制，對于最簡單拓?fù)洌▋蓚€節(jié)點），在距離相對較小的時，多速率傳輸和能耗控制，存在一個最優(yōu)點，使得吞吐量比較大，且平均能耗最小。在兩點相距400m時，這個最優(yōu)點在相對于最高速率的最左端。當(dāng)距離較大時，最優(yōu)點向左移動。在距離為1200m時，則要用最低速率傳輸，此時平均能耗最小。

仿真配置2： 16個節(jié)點，Grid分布，格點距離400m，路由使用主流的動態(tài)源路由（DSR）業(yè)務(wù)類型CBR，隨機(jī)分配五條流。發(fā)包大小1024byte，發(fā)包間隔1ms。

分析表明，在多個節(jié)點的情況下，隨著發(fā)送功率的增加，吞吐量總的呈上升趨勢，但出現(xiàn)的“平臺”變窄，數(shù)量變多。在節(jié)點變多、傳播范圍變大的情況下，發(fā)送功率的加大可使其覆蓋范圍變大，影響了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由選擇；周圍節(jié)點的增多也增加了干擾。所有這些因素造成了吞吐量的變化規(guī)律發(fā)生了改變，但總的趨勢沒有變。圖2中，曲線的最后出現(xiàn)了上升的趨勢。這表明仍然存在有一個最佳大小的功率，能使網(wǎng)絡(luò)的平均能耗達(dá)到最小。

上述研究表明，對于一個多速率、多功率的網(wǎng)絡(luò)，一定存在一個確定的發(fā)送功率或功率區(qū)間，用此大小的功率或功率區(qū)間發(fā)送分組，可以得到最小的平均能耗。當(dāng)然，問題并不那么簡單，結(jié)合功率控制和多速率MAC協(xié)議的主要目標(biāo)就是做到二者兼顧，在相互制約的前提下找到合適的折中。

3 總結(jié)

本文直接從發(fā)送功率出發(fā)，研究了在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜筒煌俾是闆r下網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨發(fā)送功率的變化規(guī)律。研究表明，對于一個多速率、多功率的網(wǎng)絡(luò)，一定存在一個確定的發(fā)送功率，用此大小的功率發(fā)送分組，可以得到最小的平均能耗。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)變多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為復(fù)雜的情況下，其變化規(guī)律發(fā)生了改變。這說明功率因素對網(wǎng)絡(luò)性能的影響確實是多方面的。今后要對各種更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真，以進(jìn)一步探討其間有無規(guī)律可循。

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