無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中能量有效的協(xié)議設(shè)計(jì).pdf

1、無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在無(wú)需中央管理單元支持的情況下，通過在節(jié)點(diǎn)之間自組建立連接而形成的網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，由于其具有無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)備的支持而構(gòu)建移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的自組性、靈活性和快速性，無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越引起研究人員的興趣。 在無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由電池供電，彼此通過多跳的方式相互通信，所以如何節(jié)省能量消耗成為了一個(gè)非常重要的研究問題。為此本文著重討論在無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中考慮能量效率的協(xié)議設(shè)計(jì)所遇到的問題和

2、相應(yīng)的解決方法。主要內(nèi)容包括：用分布式算法為無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建最小連通支配集問題、分析IEEE802.11協(xié)議的分布式協(xié)作函數(shù)(DCF)訪問控制機(jī)制的能量效率和不同的協(xié)議參數(shù)設(shè)置對(duì)IEEE802.11協(xié)議的能量效率的影響、設(shè)計(jì)能量節(jié)省的MAC層協(xié)議應(yīng)該考慮的問題和解決方法和聯(lián)合考慮能量節(jié)省和功率控制的MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)問題。論文的第一章首先對(duì)相關(guān)背景作了簡(jiǎn)單回顧，接著在第二到第五章針對(duì)每個(gè)問題進(jìn)行了詳細(xì)地討論。 第二章對(duì)如何在

3、無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中用分布式算法創(chuàng)建最小連通支配集的問題進(jìn)行了研究。近幾年來(lái)，研究者提出由屬于連通支配集中(ConnectedDominatingSetCDS)的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建虛擬骨干網(wǎng)來(lái)節(jié)省無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和提高網(wǎng)絡(luò)的性能。總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)支配集滿足這樣的條件：圖中的節(jié)點(diǎn)不是屬于這個(gè)支配集，就是和支配集中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰。而CDS就是連通的支配集。然而，如何尋找最小連通支配集MCDS(MinimumConnectedDomnatin

4、gSet)是圖論中一個(gè)著名的NP-hard問題。因此文獻(xiàn)中提出了創(chuàng)建MCDS的近似算法。然而這些算法不是有較差的近似比，就是有高的時(shí)間和消息復(fù)雜度。論文第二章提出了一種新的分布式近似算法，此算法為無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建最小連通支配集(MinimumConnectedDominatingSet)，簡(jiǎn)稱為MCDS。此算法具有完全局部性，具有常數(shù)的近似比，而且具有O(n)的時(shí)間復(fù)雜度和O(n)的消息復(fù)雜度。在此算法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要一跳鄰居的信

5、息，而且在兩個(gè)不超過三跳距離的dominator節(jié)點(diǎn)之間只找出一條最短的路徑。文中證明了此算法的優(yōu)越性并分析了算法的性能。通過仿真實(shí)驗(yàn)和其他創(chuàng)建MCDS的近似算法相比較，本章提出的算法具有更好的性能，從而能夠節(jié)省更多的能量。 IEEE802.11協(xié)議是在無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的MAC層媒體訪問控制協(xié)議。IEEE802.11協(xié)議的分布式協(xié)作函數(shù)(DistributedCoordinationFunctionDCF)為移動(dòng)設(shè)

6、備共享無(wú)線媒體提供一種基于競(jìng)爭(zhēng)的分布式信道訪問控制機(jī)制。然而，當(dāng)設(shè)備是移動(dòng)的或者是便攜設(shè)備的時(shí)候，由于這些設(shè)備通常是由電池供電，能量消耗成為了一個(gè)需要考慮的主要問題。因此第三章主要分析了IEEE802.11協(xié)議的DCF函數(shù)的能量效率并且提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算IEEE802.11協(xié)議中基本訪問機(jī)制、RTS/CTS訪問機(jī)制和混合訪問機(jī)制的能量效率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，本章還研究了網(wǎng)絡(luò)大小(網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量)，平

7、均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，初始競(jìng)爭(zhēng)窗口大小和最大回退次數(shù)對(duì)IEEE802.11協(xié)議能量效率的影響。 IEEE802.11協(xié)議除了為基于競(jìng)爭(zhēng)的媒體訪問模式規(guī)定了分布式協(xié)作函數(shù)(DCF)之外，還為AdHoc模式提供了稱為獨(dú)立基本服務(wù)集(IBSS)能量節(jié)省模式(PSM)。然而在AdHoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行IEEE802.11協(xié)議的PSM模式時(shí)，仍然會(huì)造成大量的能量浪費(fèi)。因此第四章提出了IEE-MAC，一個(gè)改進(jìn)的能量有效的無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議

8、，該MAC協(xié)議專為基于IEEE802.11的無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。在IEE-MAC協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過在ATIM窗口中交換控制信息來(lái)分布式地創(chuàng)建一個(gè)調(diào)度表。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只是在調(diào)度表指示的規(guī)定時(shí)間內(nèi)蘇醒過來(lái)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸后則進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)保存能量。使用這種機(jī)制，IEE-MAC協(xié)議可以避免在IEEE802.11協(xié)議的PSM模式中存在的沖突、旁聽(overhearing)和空閑偵聽(idlelistening)所造成的能量消耗。除

9、此之外，IEE-MAC還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的通信量來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整ATIM窗口的尺寸，從而在不造成網(wǎng)絡(luò)的吞吐量明顯下降的條件下避免額外的能量消耗。仿真實(shí)驗(yàn)表明本章提出的IEE-MAC協(xié)議和文獻(xiàn)中提出的其它協(xié)議相比，可以取得更好的能量效率和吞吐量。 功率控制可以在增加網(wǎng)絡(luò)容量的情況下節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在IEEE802.11協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)都是使用固定的最大傳輸功率Pmax進(jìn)行控制信息(RTS/CTS)和數(shù)據(jù)的傳輸。這種采用固定最大傳輸

10、功率Pmax傳輸有兩個(gè)缺點(diǎn)：一個(gè)是不能充分利用空間，減少了相鄰節(jié)點(diǎn)之間的并行傳輸，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的容量；另一個(gè)是不管節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際的距離如何，都采用最大的功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯然會(huì)造成能量的浪費(fèi)。因此對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)行功率控制可以解決這兩方面的問題。在文獻(xiàn)中對(duì)單跳環(huán)境下的能量節(jié)省(通過節(jié)點(diǎn)周期睡眠的機(jī)制)和功率控制都分別做了大量的工作，但是還沒有一個(gè)協(xié)議將多跳環(huán)境下的能量節(jié)省和功率控制聯(lián)合起來(lái)考慮。論文第五章提出了一個(gè)單信道環(huán)境下，在多跳無(wú)線AdH

11、oc網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合能量節(jié)省和功率控制的協(xié)議——PSPC。本章首先提出了一個(gè)在無(wú)線多跳AdHoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的時(shí)鐘同步協(xié)議，然后在此同步協(xié)議的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合能量節(jié)省和功率控制的PSPC協(xié)議。在PSPC協(xié)議中每個(gè)周期分為兩個(gè)階段：交換控制信息窗口階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在交換控制信息窗口期間，節(jié)點(diǎn)通過交換控制信息來(lái)估計(jì)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際需要使用的傳輸功率。與此同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)將自己在接收數(shù)據(jù)過程中可以容忍的最大噪聲功率通知給可能造成沖突的相鄰節(jié)點(diǎn)，以便他們