基于最小综合发射功率的路由算法的研究

彭 祯

(湖南工程学院计算机与通信学院,湘潭411104)

目前,在移动通信系统以及其它无线网络的覆盖区域内总存在一些‘盲区':可能是所有的信号都不可达;也可能只是高速率业务不可达,但同步信号,信令信号,低速率语音业务信号可达的＇盲区＇.MANET和文献[1][2]提出的一种新的通信技术——多跳移动通信技术,即将MANET网络和蜂窝网有机地融合起来,通过MANET网络的中继节点实现蜂窝系统的无缝覆盖,消除盲点,使得移动终端用户能在任何时候任何地方都可以与其他移动终端进行一种高速率通信.本文主要集中在多跳蜂窝网络路由的研究上,提出了一种多跳蜂窝网络的路由协议算法:基于综合最小功率的稳定路由算法.对于处在蜂窝网基站覆盖盲区的移动终端,如何寻找它的中继节点是路由选择的关键问题.这里,利用综合最小功率作为路由选择最主要的参量.文中的综合最小功率是指将节点与节点间的发射功率和节点到基站的发射功率通过一个α控制参量结合起来得到的最小功率.通过调节α,可以让整个系统的总的发射功率达到最小,从而降低系统的总干扰,对于干扰受限蜂窝系统可达到提高系统容量的目的;同时,调节α还可以控制节点间的发射功率,从而控制节点间的相互干扰.

1 网络系统模型

在该系统模型中,移动终端除了具备用户终端功能外,还具备了中继转发功能.若节点在基站覆盖盲区时,就利用MANET网络的多跳转发机制进行通信.如图1所示,移动终端A检测其与基站信号强度大小,若发现无法直接连接到任何一个基站,则表明它处在基站BS的覆盖范围之外,就会利用MANET网络的通信机制寻找它周围的邻节点.在这里,每个终端保持一个发送逝去时间及到基站的信号强度,通过发送HELLO消息计算它与邻节点的发送逝去时间,然后收集邻节点到基站的信号强度大小,并将这些信息保存在邻节点信息表中.此时如果节点A想与基站进行通信,它就从该邻节点信息表中选取它的下一跳节点,确定了下一跳节点后,就向其发送一个路由请求报文(RREQ),收到该RREQ的节点通过一个路由选择算法决定是继续发送该RREQ还是回复一个路由答复报文(RREP)就此建立一条路由.由图1可以看出,节点A可以利用处在基站覆盖范围以内的移动节点B或是C或是B和C作为中继节点来与基站进行通信.这样,便可在不增加基站发射功率和基站高度的情况下提高基站的覆盖范围和容量.

图1 移劝终端转发示意图

2 基于最小功率的算法分析

当源节点A有数据分组要发送时,首先在邻节点信息表neibr_list中搜寻,若在neibr_list表中存在邻节点满足条件:

节点A就直接向该邻节点发送数据请求帧Data_request.

若在表中,邻节点的S cell_n只满足 S mi n≤S cell_n＜S D_min,那么节点就向满足条件(2)的节点发送RREQ_Next报文;用来判定选取路由的关键项,将节点到基站的信号发射功率和节点之间的发送功率通过该式相结合,可以找到一条相对综合发送功率最小的路由,这样就可以节省节点的电池使用量,延长其使用时间.α是控制参量,取值区间为[0,1].

3 仿真与结论

这里仅对单个小区进行路由仿真分析,分析了路由算法对系统发射功率的影响.在仿真中,为了简便,我们假定MS发送的资源请求信号不会相互冲突,都能够被BS正确的接收,并且在传送中数据包的误包率为0.设置50个仿真节点,这50个节点随机放置在平面中,节点到基站的距离随机设定,范围在500～1300 m之间(这里假设基站的覆盖距离为1000 m),假设节点间的最大通信距离为300 m.通过功率控制机制,使各个节点到达基站的信号功率是相等的.假设移动通信信号的传播模型为自由空间传播损耗模型,则有:

L是路径衰落,L=32.44+20lgf(Hz)+20lgd(m),f是发射波的频率,d是节点之间或是节点到基站的距离.

图2 系统总发射功率与的关系曲线图

这里假设了基站和节点的接收机功率Pr(dBm),通过公式(3)可以求出节点发射机的功率Pt(dBm).知道了发射机功率大小就可以算出系统的总发射功率大小(system total power).

在前面提出的条件(1)和条件(2)所涉及到的α是求取综合功率的关键参数,通过改变α的值,可以得到不同的综合功率的大小.

节点的发射功率和节点到基站的发射功率,即综合功率.算法会选择综合功率最小的节点作为其下一跳路由节点.从图2中可看出,当α取0.3～0.6之间某一数值时,系统中链路的平均发射功率将会减小,当α=0.5时链路的平均发射功率达到最小,此时系统的总发射功率将会达到最小.

如图4所示,纵坐标表示取的不同取值所对应的系统总发射功率的大小.当α=1时,路由选择过程只会考虑节点到基站的发射功率大小,所选的路由节点是到基站的发射功率最小的节点,没有考虑到节点与节点之间的功率的大小,这样就忽略了节点间发射功率对整个系统的影响.而当节点间发射功率很大的时候,节点的发射功率是无法忽视的.在路由选择过程中,为了找寻到基站发射功率最小的节点,所选路由的跳数往往可能会比较多,这就使得链路间的发射功率的和很大,而导致系统的总发射功率变大.

MPR(最小功率路由算法)的主要目标是为了节省节点的能源来延长电池的使用寿命,所以主要是考虑节点到节点之间发射功率的大小.在进行路由选择时,它首先选择节点间发射功率最小的节点,最后才考虑节点到基站的发射功率的大小.

CMPSR中引入的综合功率参量同时考虑了这两种发射功率的大小,它选出的路由节点都是综合功率最小的节点,当α=0.5时可使得链路上的发射功率之和达到最小.当节点数目足够多时,我们可以通过调节α的值得到这个系统的最小发射总功率,也可以使得链路上节点间的发射功率达到最小,实现节省电池能源的目的.而系统的总发射功率减小,会使系统中某一节点来自其他节点的干扰减小,这样系统的容量就会得到提高.图5给出了10次仿真CMPSR系统发射总功率相对MPR的发射总功率下降分贝图(Pt CMRSP-P tMRP),可以看出,CMPSR系统发射总功率相对而言有了一定程度的降低.

图5 系统功率百分比图

相对MPR,CMPSR在路由选择时,考虑综合发射功率最小的节点,只要找到到基站的发射功率小于门限值的综合发射功率最小的节点,路由就建立,也限制了路由的跳数,因而具有更低的路由延时和系统发射总功率,同时,通过调节α的值,还可以起到控制节点间的相互干扰的目的.

[1]M.S.Corson J.Macker.Mobile Ad Hoc Networking(MANET)Routing Protocol Performance Issres and E-valuation Considersion[Z].IETF RFC 2501,Internet Engineering Task Force,Jan.1999.

[2]Ying-Dar Lin,Yu-Ching Hsu.Multihop Cellular:A New Architecture for Wireless Communications[C].Proceedings of the IEEE INFOCOM,Tel Aviv(Israel),2000,3:Piscataway(NJ,USA):IEEE,2000,3:1273-1282.

[3]Yukiko Nasu,Shigeru Shimamoto.A Study on Multihop Communication Model Considering Pass Times through the Outside of the Range[J].IEICE Society,2003,7(22):269.

[4]A.A.N.Ananda Kusuma and Lachlan L.H.Andrew.Minimum Power Routing for Multihop Cellular Networks[J].EEE Personal Communications,2001,10:10-17.

[5]T.Rouse,I.Band,and S.McLaughlin.Capacity and power investigation of opportunity driven multiple access(ODMA)networks in TDD-CDMA based systems[C].Proc.IEEEInt.Conf.Commun.(ICC),2002:3202-3206.