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

1、無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由無線移動節(jié)點在無需中央管理單元支持的情況下，通過在節(jié)點之間自組建立連接而形成的網(wǎng)絡(luò)。近年來，由于其具有無需固定基礎(chǔ)設(shè)備的支持而構(gòu)建移動通信網(wǎng)絡(luò)的自組性、靈活性和快速性，無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)越來越引起研究人員的興趣。 在無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點由電池供電，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非常重要的研究問題。為此本文著重討論在無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中考慮能量效率的協(xié)議設(shè)計所遇到的問題和

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)訪問控制機制的能量效率和不同的協(xié)議參數(shù)設(shè)置對IEEE802.11協(xié)議的能量效率的影響、設(shè)計能量節(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)計問題。論文的第一章首先對相關(guān)背景作了簡單回顧，接著在第二到第五章針對每個問題進行了詳細地討論。 第二章對如何在

3、無線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行了研究。近幾年來，研究者提出由屬于連通支配集中(ConnectedDominatingSetCDS)的節(jié)點創(chuàng)建虛擬骨干網(wǎng)來節(jié)省無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和提高網(wǎng)絡(luò)的性能?？偟膩碚f，一個支配集滿足這樣的條件：圖中的節(jié)點不是屬于這個支配集，就是和支配集中的某個節(jié)點相鄰。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)是圖論中一個著名的NP-hard問題。因此文獻中提出了創(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，此算法為無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建最小連通支配集(MinimumConnectedDominatingSet)，簡稱為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)的時間復(fù)雜度和O(n)的消息復(fù)雜度。在此算法中每個節(jié)點只需要一跳鄰居的信

5、息，而且在兩個不超過三跳距離的dominator節(jié)點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。通過仿真實驗和其他創(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)為移動設(shè)

6、備共享無線媒體提供一種基于競爭的分布式信道訪問控制機制。然而，當(dāng)設(shè)備是移動的或者是便攜設(shè)備的時候，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數(shù)學(xué)模型來計算IEEE802.11協(xié)議中基本訪問機制、RTS/CTS訪問機制和混合訪問機制的能量效率。仿真實驗結(jié)果驗證了數(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)點的數(shù)量)，平

7、均數(shù)據(jù)包長度，初始競爭窗口大小和最大回退次數(shù)對IEEE802.11協(xié)議能量效率的影響。 IEEE802.11協(xié)議除了為基于競爭的媒體訪問模式規(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)境中運行IEEE802.11協(xié)議的PSM模式時，仍然會造成大量的能量浪費。因此第四章提出了IEE-MAC，一個改進的能量有效的無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議

8、，該MAC協(xié)議專為基于IEEE802.11的無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在IEE-MAC協(xié)議中，每個節(jié)點通過在ATIM窗口中交換控制信息來分布式地創(chuàng)建一個調(diào)度表。每個節(jié)點只是在調(diào)度表指示的規(guī)定時間內(nèi)蘇醒過來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸后則進入睡眠狀態(tài)來保存能量。使用這種機制，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)中實際的通信量來自適應(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。仿真實驗表明本章提出的IEE-MAC協(xié)議和文獻中提出的其它協(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)點的能量消耗。在IEEE802.11協(xié)議中，節(jié)點都是使用固定的最大傳輸功率Pmax進行控制信息(RTS/CTS)和數(shù)據(jù)的傳輸。這種采用固定最大傳輸

10、功率Pmax傳輸有兩個缺點：一個是不能充分利用空間，減少了相鄰節(jié)點之間的并行傳輸，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的容量；另一個是不管節(jié)點之間實際的距離如何，都采用最大的功率進行數(shù)據(jù)傳輸，顯然會造成能量的浪費。因此對節(jié)點實行功率控制可以解決這兩方面的問題。在文獻中對單跳環(huán)境下的能量節(jié)省(通過節(jié)點周期睡眠的機制)和功率控制都分別做了大量的工作，但是還沒有一個協(xié)議將多跳環(huán)境下的能量節(jié)省和功率控制聯(lián)合起來考慮。論文第五章提出了一個單信道環(huán)境下，在多跳無線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在無線多跳AdHoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的時鐘同步協(xié)議，然后在此同步協(xié)議的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)聯(lián)合能量節(jié)省和功率控制的PSPC協(xié)議。在PSPC協(xié)議中每個周期分為兩個階段：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)點通過交換控制信息來估計傳輸數(shù)據(jù)時實際需要使用的傳輸功率。與此同時接收節(jié)點將自己在接收數(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，以便他們