无线自组网功率优化问题研究

雍巍

摘 要：无线自组网采用了网络状的拓扑结构，使得它可以进行多跳通讯，可实现网络自组织化。本文作者针对无线自组网的发送速率与发送功率之间相互影响的特点，从网络吞吐率与每比特平均能耗的角度研究了特定网络的发送速率与发送功率之间的平衡点，并进行了仿真分析。证明了对于一个特定的多速率与多功率无线自组网络，是存在一个最优发送功率或一个较优的发送功率区间，网络内的节点以该功率或功率区间发送分组时，可以得到最小的每比特平均能耗，同时网络仍然可以保持较高的吞吐率。

关键词：无线自组网；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 绪论

无线自组网络（Wireless Ad Hoc Network）简称Ad Hoc 网络，其可以看作是移动通信与电脑网络结合的一种新型网络形式。该网络支持多跳通讯，可以实现临时性的自我管理。网络中任意两个节点可以通过不同的路径经过多跳来实现连接，因此具有很强的鲁棒性和抗毁性。多跳，自组织，无固定的基础设施是Ad Hoc网络的最重要的特点。

信道接入控制（Medium Access Control，MAC）协议处在通讯网络协议栈软件的最底部，运行在物理层之上，它决定什么时候发送其分组，而且通常控制对物理层的所有访问。其性能的好坏会影响整个网络的表现。在多跳网路中的协议设计时遇到的一个十分重要的问题就是如何避免碰撞，因为衡量一个网络性能的最重要的指标就是其吞吐率，而碰撞恰恰是影响吞吐率最重要的因素。可以说，避免碰撞的思想贯穿于“多跳”分布式网络MAC协议演化的始终。无线自组网络的信道接入控制技术的演化与发展走过了一个从单信道到双信道再到多信道的过程。与此同时，多速率技术（又称速率自适应技术）和功率控制技术也被引入信道接入控制协议中。

2 基于多速率、多功率的MAC协议的无线自组网功率优化

2.1 速率自适应技术

无线自组网中的速率自适应技术简单的说就是对传输速率不断进行动态地调整，找到最合适在当前信道条件下的传输速率，从而使网络能一直保持在最大的吞吐率状态。速率自适应技术的核心是及时地获取能够实时反映信道状态的信息，做出评估，并在这个基础上做出速率选择。

我们知道，信噪比与误码率之间呈反比关系，信噪比越差就越难重现原始信号；如信噪比不变，我们采用越高的速率发送数据，接收端出现的误码率就越高。而发送速率越大，理想情况下吞吐量也越大，但也越容易受到信道噪声的干扰，增大误码率；速率越低，理想情况下吞吐量越小，但传输的距离越远。由此可知，速率自适应技术实际上可以有两个优化的目标：以提高吞吐量为优化目标和以节省能量为优化目标。本文讨论如何在保证高吞吐量的情况下尽可能地节省能量，即将成功发射单位比特信息量所消耗的功率尽可能降低。目前比较典型的多速率MAC协议有：（1）ARF协议。ARF（All Rate Fallback）协议支持多速率并被广泛使用。ARF协议主要是通过统计信息进行判断，若一段时间内数据成功率高，就提速发送，否则就降速；（2）RBAR协议。RBAR（Received-Based Auto Rate）协议的宗旨是由接受节点通过判断来告知发送端要采用什么速率进行发送。RBAR协议基于IEEE802.11，因而易于实现，代价很小。

2.2 功率控制技术

功率控制技术的目的之一当然是为了节省能量，因为节省能量对于无线自组网络非常重要。功率控制问题是指在无线通信中节点发送分组要选择最恰当的功率。这里讲的是恰当的功率，并不是功率越小越好。这是因为所选择的功率不仅要能成功完成发送分组的任务之外，还要兼顾网络的联通性、拓扑结构以及吞吐率等诸方面。

网络层功率控制需要从整个网络的拓扑结构来考虑，通过改变各个节点的发送功率来影响具体的通信路由，使得整体网络的性能达到最优。但是对与组织网来说，我们很难预判节点的分布状况。因而我们需要引入一种机制，让系统能依据节点的分布自动进行优化，控制好节点的发送功率。如果增加发送功率，可以获得更大的覆盖范围，节点跳转的次数也就相应可以减少，造成系统的联通新得到改善。但是这可能造成信道的空间复用度降低，反而拖累了整个网络的吞吐率。反之如果降低发送功率，信道的空间复用度可以得到改善，但通讯覆盖范围降低，通讯的跳转次数可能会提高，连通性会变差，通讯延时也会增加。所以，在选择发送功率时，其实我们必须在跳转次数和空间复用度之间进行有偏向的取舍。

一般来说，功率与信噪比之间在数量上是一种线性的关系，于是我们可以得到启示：（1）既然不同的速率有相应于自己的信噪比门限，而由于信噪比与功率之间有着线性关系，则每一个信噪比门限值就会有一个相对应的功率“门限”；（2）既然吞吐量—信噪比图中的相应于一定速率的曲线会出现一个“平台”（最大吞吐量），在这段“平台”中，吞吐量随着信噪比的增加基本不变，那么相应地在吞吐量—功率图中也应该出现类似的“平台”（最大吞吐量），功率进一步增大，吞吐量基本维持不变。

所以，我们可以直接从功率出发，研究吞吐量与功率的关系，试图找出吞吐量高、且发送单位比特能量最省的发送功率，从而对多速率、多功率的MAC协议进行性能分析与优化。

2.3 仿真与结果分析

GloMoSim是并行可扩展离散事件仿真环境，适合在无线网络协议仿真中使用。本文在GloMoSim现有的IEEE 802.11 DCF协议的基础上进行仿真与研究。选用RABA协议作为研究对象。我们根据朗讯的Orinoco系列无线网卡的标准设计收、发机的模型及性能参数，设定发射功率为3dBm。

仿真配置1： 两个节点，距离800m，业务为CBR，发包大小1024byte，发包间隔1ms。

分析：节点间距加大时，吞吐量随发送功率变化图的规律基本没变，但平均能耗随发送功率的变化有较大的差异。出现跳跃点处的位置没变，但“平台”没有了，出现了随着发送功率逐渐增加其平均能耗也随之增加的情况。相应于吞吐量出现的四段“平台”，其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始处。而这四个值中最小的一个，不再是最右端的那个，而是倒数第二个。这说明，并不是总是用最大的速率发送分组能耗最小。

而当我们将间距增加到1200m的时候，随着速率的提升，其吞吐量仍然维持原先的变化规律，但平均能耗虽然仍然保留了在距离800m时的分段上的上升趋势，但最小的能耗点却再次前移。实际上，此时如能确保使用最低速率发送分组时的发送功率，其平均能耗最低。

上述研究表明：在RBAR的基础上引入功率控制，对于最简单拓扑（两个节点），在距离相对较小的时，多速率传输和能耗控制，存在一个最优点，使得吞吐量比较大，且平均能耗最小。在两点相距400m时，这个最优点在相对于最高速率的最左端。当距离较大时，最优点向左移动。在距离为1200m时，则要用最低速率传输，此时平均能耗最小。

仿真配置2： 16个节点，Grid分布，格点距离400m，路由使用主流的动态源路由（DSR）业务类型CBR，随机分配五条流。发包大小1024byte，发包间隔1ms。

分析表明，在多个节点的情况下，随着发送功率的增加，吞吐量总的呈上升趋势，但出现的“平台”变窄，数量变多。在节点变多、传播范围变大的情况下，发送功率的加大可使其覆盖范围变大，影响了网络的拓扑结构和路由选择；周围节点的增多也增加了干扰。所有这些因素造成了吞吐量的变化规律发生了改变，但总的趋势没有变。图2中，曲线的最后出现了上升的趋势。这表明仍然存在有一个最佳大小的功率，能使网络的平均能耗达到最小。

上述研究表明，对于一个多速率、多功率的网络，一定存在一个确定的发送功率或功率区间，用此大小的功率或功率区间发送分组，可以得到最小的平均能耗。当然，问题并不那么简单，结合功率控制和多速率MAC协议的主要目标就是做到二者兼顾，在相互制约的前提下找到合适的折中。

3 总结

本文直接从发送功率出发，研究了在不同网络拓扑和不同速率情况下网络吞吐量随发送功率的变化规律。研究表明，对于一个多速率、多功率的网络，一定存在一个确定的发送功率，用此大小的功率发送分组，可以得到最小的平均能耗。而当网络节点数变多，网络拓扑较为复杂的情况下，其变化规律发生了改变。这说明功率因素对网络性能的影响确实是多方面的。今后要对各种更为复杂的网络拓扑进行仿真，以进一步探讨其间有无规律可循。

参考文献：

[1]林丛，向勇.支持功率和速率控制的自组网MAC协议研究[J].Computer Applications Aug，2008.

[2]李宾.无线局域网多速率和多信道MAC协议研究[D].厦门大学， 2008（01）.

[3]王青山.无线自组网中多速率问题的研究[D].中国科学技术大学，2007（05）.

[4]王琦.基于多速率的无线移动 Ad Hoc网络的研究[D].合肥工业大学，2010（06）.

[5]朱颖峰.Ad Hoc网络协议栈跨层设计研究[D].南京航空航天大学，2009（12）.

[6]朱青.多跳Ad Hoc网络多信道MAC协议功率控制机制研究[D]. 南京航空航天大学，2010（12）.

[7]王悦.Ad Hoc网络中功率控制MAC协议的研究[D].西安电子科技大学，2007（01）.

[8]吕博.Ad Hoc网络多速率MAC协议的研究[D].哈尔滨工程大学， 2011（03）.

[9]孙飞鹏，徐明.Ad Hoc 网络功率控制与跨层优化[J].计算机应用技术，2008（08）.

[10]朱梅丽.AD Hoc 网络控制帧速率自适应机制研究[D].暨南大学，2010（06）.

[11]李科艳.WLAN mesh网络多信道多速率分布式接入协议设计与建模研究[D].南京航空航天大学，2010.