移動多跳無線網(wǎng)絡中鏈路協(xié)同的能效優(yōu)化方法研究

東北大學碩士學位論文摘要PAGEII移動多跳無線網(wǎng)絡中鏈路協(xié)同的能效優(yōu)化方法研究摘要隨著信息新技術的發(fā)展，移動多跳無線網(wǎng)絡已成為下一代無線網(wǎng)絡的重要組網(wǎng)方式。移動多跳無線網(wǎng)絡具有部署快速，組網(wǎng)靈活，接入方便，可擴展性強的特點。由于其網(wǎng)絡拓撲結構隨著網(wǎng)絡節(jié)點的移動而動態(tài)變化，特別是其網(wǎng)絡節(jié)點常常為了適應特殊應用而配備的能量有限，如何在動態(tài)移動的時變網(wǎng)絡環(huán)境下構建高能效的多跳網(wǎng)絡是其面對的重要問題。提高網(wǎng)絡能效可以用更少的能量傳輸更多的信息，達到保證通信質(zhì)量的同時降低系統(tǒng)能量消耗的目的，從而提高系統(tǒng)效率，改善系統(tǒng)性能。本文利用鏈路協(xié)同研究移動多跳無線網(wǎng)絡中的能效協(xié)同優(yōu)化方法，并設計了相應的能效路由算法。本文首先研究了鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議。高能效的路由協(xié)議是降低無線網(wǎng)路能耗的最重要方法之一。設計一種簡單高效的路由協(xié)議使之能感知網(wǎng)絡拓撲結構的變化，快速準確發(fā)現(xiàn)路由，更新鏈路狀態(tài)并動態(tài)維護網(wǎng)絡拓撲的連接。近些年來很多學者做了大量的研究，但是由于很多設計其考慮的模型并不夠細致，它們通過直接變更路由的方式達到能效目的，卻忽略了變更路由所造成的代價，造成了大量的能量消耗。在802.11DCF機制下，本論文仔細的設計了路由發(fā)現(xiàn)和路由維護方案。其中路由發(fā)現(xiàn)方案代價低、速度快，路由維護方案利用鏈路協(xié)同的思想以帶價最小的方式建立高能效的路由。仿真結果表明，本文所提的鏈路協(xié)同能效路由協(xié)議能夠明顯的提高網(wǎng)絡能效。其次，本文研究了鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議。經(jīng)過對節(jié)點在不同工作狀態(tài)下的能耗分析，表明休眠是降低節(jié)點能耗的重要措施。休眠不僅大大降低了空閑監(jiān)聽能耗和不必要的“偷聽”能耗，在一定程度上避免了沖突和干擾。然而節(jié)點關閉射頻導致它不能感知周圍的通信，休眠導致多跳時延加大，重負載下吞吐量降低。因此必須解決節(jié)點的休眠協(xié)調(diào)同步問題。本論文結合路由協(xié)議、休眠機制和同步算法三個方面，將休眠機制劃分為有節(jié)點占用信道時休眠和信道空閑時基于信道平均空閑時間的同步休眠兩部分，利用鏈路協(xié)同的方式實現(xiàn)了移動無線網(wǎng)絡節(jié)點的動態(tài)休眠。仿真結果表明本文所提的鏈路協(xié)同休眠能效路由協(xié)議能夠明顯降低網(wǎng)絡能耗，提高整個網(wǎng)絡能效并降低因休眠造成的時延。最后，本文研究了鏈路協(xié)同的速率自適應機制。在可變速率網(wǎng)絡中，當發(fā)送端使用不同的發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)時鏈路帶寬不同。發(fā)送節(jié)點速率變化時，接收節(jié)點在理想帶寬下接收每bit數(shù)據(jù)所消耗的能量和接收信噪比也會相應的改變。每個節(jié)點所選擇的傳輸策略、所處的位置和所選擇的傳輸速率決定了網(wǎng)絡的性能，如：能耗、能效。在以不同速率發(fā)送信息條件下，其能效大小會有所不同。移動多跳無線網(wǎng)絡中，從源節(jié)點到達目的節(jié)點的路徑中存在多條鏈路，恰當?shù)膮f(xié)調(diào)路徑中節(jié)點的發(fā)送速率和功率是提高整個網(wǎng)絡能效的重要途徑。本文中傳輸策略是在多跳路徑中節(jié)點的發(fā)送速率相同條件下，鏈路之間通過協(xié)同發(fā)送速率的大小來最大化整個網(wǎng)絡的能效。仿真結果表明鏈路協(xié)同的速率自適應機制能夠大幅度的提高整個網(wǎng)絡的能效。關鍵詞：無線網(wǎng)路；移動多跳網(wǎng)絡；能效；協(xié)同優(yōu)化東北大學碩士學位論文Abstract東北大學碩士學位論文AbstractTheResearchofCollaborativeOptimizationofEnergyEfficiencyofLinksinMobileMulti-hopWirelessNetworksAbstractWiththedevelopmentofnewinformationtechnologies,mobilemulti-hopwirelessnetworkshavebecomeanimportantnetworkingmodeofnext-generationwirelessnetworks.Mobilemulti-hopwirelessnetworkshavesuchfeaturesasquickdeployment,strongexpansibility,flexiblenetworking,convenientaccessandsoon,however,theirnetworktopologydynamicallychangeoverthemobilenodes,andareoftenequippedwithlimitedenergyforspecificapplication,howtobuildahighenergy-efficiencymulti-hopnetworksinadynamictime-varyingmobilenetworkenvironmenthasthenbecomeanimportantissue.Improvingnetworkenergyefficiencycanmakenodestransmitmoreinformationwithlessenergy,thusachievingthegoalofcommunicationqualityinsuranceandreducingsystempowerconsumption.Inthemeanwhile,itcanimprovesystemefficiencyandsystemperformance.ThisthesisuseLinkscollaborativetooptimizetheenergyefficiencyinmobilemulti-hopwirelessnetworksanddesignthecorrespondingenergy-efficientroutingalgorithm.Thethesisfirstlystudiestheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinks.Theroutingprotocolwithhighenergyefficiencyisoneofthoseimportantmethodstoreducetheenergyefficiencyofmobilenetwork.Asimpleandhighlyeffectiveroutingprotocolcanmakesenseofthechangesofthenetworktopology,findouttheroutesquicklyandcorrectlyandthenupdatethelinkstate,maintaintheconnectionofnetworktopologydynamically.Inrecentyears,theresearchershavemadelargenumbersofstudiesaboutthat,however,theycausedplentyofenergyconsumptionsincemanymodelsamongthedesignsarenotdelicateenoughinwhichtheyachievethegoalofenergyefficiencybyalteringroutesdirectlyandignorethecostcausedbythealteration.Underthesystemof802.11DFC,thethesiscarefullydesignstheschemeforroutediscoveryandmaintenance.Theroutediscoveryschemehaslowcostandfastspeed;whiletheroutemaintenanceschemeisabletobuiltrouteswithhighenergyefficiencywiththelowestcostbythemeansofcollaborativelinks.Thesimulationresultsshowthattheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinksproposedbyourthesiscansignificantlyimproveupliftnetworkenergy-efficiency.Thethesisthenstudiestheenergy-efficientsleepingprotocolsoflinkcollaborations.Byanalyzingtheenergyconsumptionofdifferentnodesunderdifferentworkingcondition,itimpliesthatdormancyisanessentialmeasuretolowerenergyefficiencyofthenodes.Dormancycannotonlyreduceboththeenergyconsumptionofidlemonitorandunnecessaryoverhear,butalsocangetridoftheconflictsandinterferestoacertainextent.Fornodes,shuttingdowntheirradiofrequency,however,willmakethemunabletosensesurroundingcommunication,andthedormancywillresultinlargermulti-hopdelaysuchthatthethroughoutisloweredunderheavyloads.Soweneedtosolvethecoordinationandsynchronizeproblem.Thethesiscombinethethreeaspectsofrouteprotocols,dormancyschemeandsynchronizationtogether,dividethedormancyschemeintotwoparts,namely,dormantwhentherearenodesoccupyingchannelsandsynchronousdormancybasedonaveragechannelidletimewhenchannelsareidle,andthenachievenodes’dynamicdormancyofmobilewirelessnetwork.Simulationresultsillustratethattheenergy-efficiencydormancyprotocolsofcollaborativelinkscansignificantlyreducethenetworkenergyconsumption,raisenetworkenergy-efficiencyandreducethedelaysbroughtaboutbydormancy.Attheendofthethesis,wemakeresearchabouttherateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinks.Inanetworkwithchangeablerate,thelinkbandwidthvarieswhenusingdifferentsendingpowertosenddata.Whenthesendingratevaries,theenergyconsumedbyreceivingnodeswhentheyreceiveperbitdatainthecaseofidealbandwidthandreceivedSNRwillchangecorrespondingly.Theselectedtransmissionstrategy,positiontogetherwithselectedsendingrateofeachnodewilldeterminethenetworkperformance.Ofcourse,theenergyefficiencywillbedifferentisthecaseofdifferentsendingrate.Inthemobilemulti-hopwirelessnetwork,thereexistmultilinksbetweenoriginnodesanddestinationnodes,propercoordinationonnodes’sendingrateandsendingpowerofthepathisacriticalmeanstoimprovingthewholenetworkenergyefficiency.Thetransmissionstrategyinourthesisistomaximizethewholenetworkenergyefficiencybycoordinatingthesendingrateamonglinksundertheconditionthatthenodesinmulti-hoplinkshavethesamesendingrate.Thesimulationresultsindicatethatrateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinksiscapableofincreasingthewholenetworkenergy-efficiency.Keywords:WirelessNetworks;MobileMultihopNetworks;EnergyEfficiency;CollaborativeOptimization

東北大學碩士學位論文目錄目錄獨創(chuàng)性聲明 I摘要 IIAbstract IV目錄 VII第1章緒論 11.1研究背景及意義 11.1.1研究背景 11.1.2研究意義 11.2研究現(xiàn)狀 21.2.1能效路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀 31.2.2節(jié)能休眠協(xié)議的研究現(xiàn)狀 41.2.3能效速率控制研究現(xiàn)狀 51.3本文的主要工作 51.4課題來源 6第2章移動多跳無線網(wǎng)絡概述 72.1無線多跳網(wǎng)絡概述 72.2移動多跳無線網(wǎng)絡概述 72.3移動多跳無線網(wǎng)絡特點 82.4移動多跳無線網(wǎng)絡的應用 92.5IEEE802.11DCF機制概述 102.6鏈路協(xié)同介紹 122.7本章小結 14第3章鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議 153.1概述 153.2快速建立路徑的路由發(fā)現(xiàn)方案 163.3鏈路協(xié)同的路由維護方案 183.4能效分析方案 203.5仿真結果及分析 223.5.1仿真環(huán)境及參數(shù) 223.5.2能效路由協(xié)議的仿真與分析 223.5.3網(wǎng)絡能耗和能效的仿真與分析 223.6本章小結 34第4章鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議 354.1概述 354.2休眠方案 354.2.1有節(jié)點占用信道時期的休眠方案 364.2.2信道空閑時的休眠策略 374.3鏈路協(xié)同的功率控制方案 384.4同步策略 394.5能效分析方案 404.6仿真結果及分析 424.6.1仿真環(huán)境及參數(shù) 424.6.2能效路由協(xié)議的仿真與分析 424.6.3網(wǎng)路能效、能耗和發(fā)送時間的仿真與分析 434.7本章小結 51第5章鏈路協(xié)同的速率自適應機制 535.1概述 535.2問題闡述 545.3能效最優(yōu)的發(fā)送速率 555.4鏈路協(xié)同的速率控制 585.5仿真結果及分析 595.5.1仿真環(huán)境及參數(shù) 595.5.2鏈路接收信噪比與bit能耗關系的仿真與分析 605.5.3網(wǎng)路能效、能耗和發(fā)送時間的仿真與分析 605.6本章小結 69第6章總結 716.1工作總結 716.2未來展望 72參考文獻 73致謝 73攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文 83攻讀碩士學位期間參與的科研項目 83

東北大學碩士學位論文第1章緒論-PAGE24-緒論研究背景及意義隨著無線移動通信技術的快速發(fā)展，人們對移動通信的依賴性越來越強。由于移動通信技術的迅速發(fā)展與推廣，WiFi、WiMax、無線局域網(wǎng)、藍牙、蜂窩通信系統(tǒng)等移動通信技術不斷豐富和發(fā)展，網(wǎng)絡發(fā)展的熱點問題受到廣泛關注。這些技術極大的方便了人們的生活，同時也使無線移動通信技術得到了快速發(fā)展。但迅速增加的無線設備和通信流量帶來了巨大的能量消耗。因此，通信能耗的標準也逐步嚴格。綠色通信作為未來通信的發(fā)展趨勢，受到越來越多研究人員的關注。特別是對于無線通信，網(wǎng)絡能效是其重要指標，已逐步成為衡量通信機制優(yōu)劣的重要依據(jù)。研究背景移動多跳無線網(wǎng)絡具有無中心、自組織性、分布式和動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲等特點。由于這些特點，移動多跳無線網(wǎng)絡成為目前國內(nèi)外學術界的研究熱點。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡節(jié)點的處理能力和存儲能力等逐漸提高，而現(xiàn)有電池技術遠落后于其他方面。節(jié)點能量受限成為了限制移動多跳無線網(wǎng)絡發(fā)展的一個瓶頸。同時綠色通信作為未來通信的發(fā)展趨勢，受到越來越多研究人員的關注。對于現(xiàn)有快速增長的通信能耗，特別是對于無線通信，網(wǎng)絡能效是其重要指標，已逐步成為衡量通信機制優(yōu)劣的重要依據(jù)。研究意義移動多跳無線網(wǎng)絡的節(jié)點大多依靠電池供電，目前低功耗硬件技術和電池技術難以取得突破性的進展，而且在許多處于無人值守的場景下，不可能更換電池。因此研究適合于移動多跳無線網(wǎng)絡的節(jié)能方案具有重要意義。網(wǎng)絡和計算機技術的快速發(fā)展對無線通信技術提出了更多的要求，相應的帶來了巨大的能耗。路由技術作為移動多跳無線網(wǎng)絡關鍵技術之一[1-3]，得到了廣泛的關注。之前許多的研究都在固定網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡的研究方法基礎上加以改進，但其并不適合移動多跳無線網(wǎng)絡中節(jié)點位置動態(tài)變化、自組織特性和能量受限的問題。簡潔高能效的路由協(xié)議是解決網(wǎng)絡拓撲結構的變化和能耗瓶頸的重要途徑。無線收發(fā)電路有四種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和休眠。大量學者對這四種狀態(tài)的能耗進行了深入研究。文獻[4]的研究表明，“偷聽”會消耗大量的能量。由于無線信號的廣播特性，節(jié)點會收到大量與自己無關的數(shù)據(jù)包，盡管這些包被立即丟棄，但接收電路處理會消耗能量。對短距離傳輸來說，接收數(shù)據(jù)比發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗可能更大。無線網(wǎng)絡節(jié)點不僅在發(fā)送和接收需要消耗能量，射頻即使在空閑狀態(tài)也具有很高的功耗。其能耗幾乎與接收模式下接近。Stemm和Katz的測量表明[5]，工作于915MHz的W.card的空閑監(jiān)聽、接收、發(fā)送的功耗比為1:1.05:1.4；在文獻[6]中該比值為：1:1.2:1.7。例如MicaZ的射頻模塊CC2420發(fā)送時的工作電流為17mA(發(fā)射功率1mW)，接收時為19mA，而休眠時僅需要0.001mA[7]。在文獻[8-9]中給出了幾種常見的無線設備的網(wǎng)絡接口在四種工作狀態(tài)(待機、接收、發(fā)送和睡眠狀態(tài))下的能量消費情況。結果表明，節(jié)點處于發(fā)射狀態(tài)時能量消耗最大，其次是接收狀態(tài)，而在睡眠狀態(tài)時能量消費最小。處于睡眠狀態(tài)的網(wǎng)絡接口的能量消耗大概只有待機狀態(tài)時的二十分之一。降低射頻能耗可以大大降低節(jié)點的能耗，延長網(wǎng)絡壽命。在節(jié)點處于空閑狀態(tài)時，盡可能將其關閉(即置于休眠狀態(tài))以減少空閑監(jiān)聽能耗。無線網(wǎng)絡通信協(xié)議直接控制著射頻模塊的工作。由上面分析可知，將處于空閑狀態(tài)的節(jié)點置于睡眠狀態(tài)能夠顯著的降低節(jié)點能量的消耗，是一種非常有效的節(jié)能方法。研究高效節(jié)能的通信協(xié)議，優(yōu)化射頻的工作狀態(tài)，對于降低網(wǎng)絡能耗具有重要的意義。無線網(wǎng)絡快速發(fā)展受到了電池能量的限制。對于移動多跳無線網(wǎng)絡，高效的傳輸信息具有重要意義，降低傳輸功率是降低網(wǎng)絡能量消耗的重要方法。但是在可變速率的網(wǎng)絡中，降低節(jié)點的傳輸功率會造成節(jié)點傳輸速率的降低，從而可能會導致吞吐量大幅度下降，降低了整個網(wǎng)絡的能效值。因此需要將功率控制與速率控制同時考慮。移動多跳無線網(wǎng)路中，每個節(jié)點在選擇傳輸策略的時，提高網(wǎng)絡能效成為了關鍵的考慮因素。通信策略包括調(diào)整每條鏈路的傳輸速率和每條鏈路節(jié)點的發(fā)送功率。總之，無線網(wǎng)路規(guī)模不斷擴大[10-12]，流量增長迅速，帶來了巨大的能耗。在移動多跳無線網(wǎng)絡中，各種業(yè)務的進行依賴于網(wǎng)絡中的節(jié)點。在能源技術還沒有取得突破前，移動節(jié)點均不得不采用各種形式的電池作為其工作能量的提供者。因而，在能量有限的基礎上，對于各種網(wǎng)絡業(yè)務而言，盡量延長節(jié)點的工作時間是十分必要和必需的。為了達到這一目標，除了通過提高電池容量等硬件措施延長節(jié)點的工作時間外，提高能量的使用效率，是一個切實可行的方法，對此展開研究，具有十分積極和現(xiàn)實的意義。研究現(xiàn)狀近些年能效作為網(wǎng)絡重要的性能指標被學者們廣泛研究。電池能量是制約移動多跳無線網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸，因而高能效通信問題被廣泛研究。提高移動多跳無線網(wǎng)絡能效的方法較多，但主要集中于路由協(xié)議和休眠協(xié)議兩部分，此外也有速率控制，數(shù)據(jù)融合等方法。本文中重點研究了路由協(xié)議、休眠協(xié)議、速率控制這三個方面。能效路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀DSR協(xié)議作為按需路由的源頭性的最重要的路由協(xié)議之一，其主要特點是使用源路由機制進行分組轉(zhuǎn)發(fā)。在2007年DSR協(xié)議被定為標準以后，許多研究機構與學者都對它進行了研究，進而提出許多修改版本，從不同角度對這個協(xié)議進行了完善和改進[13]。雖然DSR的改進協(xié)議都在性能上相比較傳統(tǒng)DSR協(xié)議在性能上都有了顯著的提高，但是DSR協(xié)議仍然存在著一些缺陷：路由緩存失效路由太多，路由縮短效果不理想、節(jié)點耗能太大導致節(jié)點快速死亡的問題。而對于現(xiàn)有很多新提出的能效路由協(xié)議，其考慮的模型并不夠細致。其通過直接的變更路由的方式達到能效的目的，卻忽略了變更路由所造成的代價。因而其不僅提高的能效值有限，而且可能造成更多的能量消耗。在移動的環(huán)境中，由于節(jié)點的移動隨時可能造成原有路徑的中斷，而且DSR路由協(xié)議并沒有考慮路徑的節(jié)能和提高能效的方案，其路由協(xié)議能耗較高，造成了巨大的能量浪費。對于很多能效路由協(xié)議，其單純的尋找能效最優(yōu)的路徑，而忽略了路路由立和路由維持的代價。在移動多跳無線網(wǎng)絡的路由發(fā)現(xiàn)時期，路由發(fā)現(xiàn)包REEQ要以最大功率級別發(fā)送，其能量消耗與數(shù)據(jù)包發(fā)送所消耗的能量相接近[14]。對于DSR及DSR改進算法和AODV等協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段，當源節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送并發(fā)送路由請求包。其鄰居節(jié)點會將先收到的REEQ包廣播轉(zhuǎn)發(fā)，將后來收到的REEQ包丟棄。其路由開銷為。因為能效最優(yōu)的路徑跳數(shù)相對較多[15]，時延較長。對于傳統(tǒng)的能效路由算法[26]，其根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲信息動態(tài)的調(diào)整節(jié)點傳輸路徑。通過對節(jié)點密度進行偵聽，動態(tài)變化傳輸路徑使得當前通信路徑能耗更低。同時節(jié)點通過計算出能夠保持網(wǎng)絡連通所需要的最小的發(fā)射功率，通過使用優(yōu)化的發(fā)射功率，使路由所消耗的總功率最小化。但是文獻[16]中在路由發(fā)現(xiàn)階段，鄰居節(jié)點在收到后來到達的路由請求時包時不能直接丟棄。因為該路徑可能是能效最優(yōu)的路徑。其算法復雜度為。因而，傳統(tǒng)能效方法在路由發(fā)現(xiàn)時期帶來大量的能量消耗。網(wǎng)絡用戶的數(shù)量急劇擴增[17-19]，網(wǎng)絡的結構也變得復雜多變。在多跳無線網(wǎng)絡中對能效的研究近年來已經(jīng)取得了一些成果[20]。M.J.Miller[21]將載波監(jiān)聽用于監(jiān)聽鄰居節(jié)點是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，同時可以判斷鄰居節(jié)點是否停止載波監(jiān)聽進入休眠狀態(tài)。本文中節(jié)點通過監(jiān)聽鄰居發(fā)送的數(shù)據(jù)包而獲得鏈路的能耗信息，為找到能效最優(yōu)的路勁提供了依據(jù)。Hanan.S[22]為隨機接入點建立最短樹從而降低網(wǎng)絡能耗提高網(wǎng)絡的生存時間。T.Zhu[23]等人在無線多跳網(wǎng)絡中使用一種機會轉(zhuǎn)發(fā)傳輸控制消息和數(shù)據(jù)包的機制，引入一個新的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法和高效的自我抑制方案，進一步減少控制消息的開銷。本文中通過在數(shù)據(jù)包中加入能量消耗等相關信息，利用包中所包含的信息發(fā)現(xiàn)能效的路徑。而Tavli.B[24]等通過修改幀中所包含的信息達到發(fā)現(xiàn)能效路由的目的。S.Gobriel[25]等提出了一種延遲轉(zhuǎn)發(fā)的方案，即中間節(jié)點在等待固定時間后才轉(zhuǎn)發(fā)路由請求包。這樣可以在找到能耗最低鏈路的同時減少中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)路由請求包的次數(shù)，降低了路由發(fā)現(xiàn)過程代價。節(jié)能休眠協(xié)議的研究現(xiàn)狀網(wǎng)絡的規(guī)模迅速膨脹[26-28]，休眠是有效的節(jié)能手段，如果節(jié)點只在需要通信時處于活動狀態(tài)，而在其余時間均處于休眠，不僅大大降低了空閑監(jiān)聽能耗和不必要的“偷聽”能耗，而且在一定程度上可以避免沖突和干擾。然而節(jié)點休眠也帶來了一系列的新問題。首先，節(jié)點關閉射頻導致它不能感知周圍的通信，必須對相鄰節(jié)點進行休眠協(xié)調(diào)。一種方式是休眠和喚醒機制中采用的信標采樣(或低功耗監(jiān)聽)，即每個包被發(fā)送時需要先發(fā)送一個很長的信標，以便于接收方在信道檢測時知道有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。這種技術需要節(jié)點在任何時刻聽到通信時都要醒來，而不管是否此次傳輸?shù)哪康牡厥亲约?，消耗了大量的能量。而且在密集多跳網(wǎng)絡中，如果信道采樣率較低，這種技術的端到端的包接收成功率很低[29]。另一種方式就是周期性讓節(jié)點進入休眠和喚醒狀態(tài)，這種機制需要保證節(jié)點之間的同步，使節(jié)點盡可能多地處于休眠狀態(tài)，而在需要通信時，能夠自動開啟射頻設備，完成數(shù)據(jù)傳輸任務。目前休眠節(jié)能協(xié)議的研究大體上分為三個方面：休眠和喚醒機制，具有低占空比的通信協(xié)議以及利用拓撲管理實現(xiàn)休眠機制[30]。STEM用雙頻無線電工作，一個頻道用于數(shù)據(jù)傳輸，另一個用于喚醒節(jié)點。Tseng等人為了提802.11節(jié)能模式提出了三種休眠方式[31]，這三種都不需要節(jié)點同步，代價是發(fā)送更多的信號和在廣播前發(fā)送更多的喚醒包。GAF[32]利用地理定位信息把網(wǎng)絡分成固定的方格。在每一個方格里面，從路由的觀點看所有的節(jié)點都是平等的，因此在給定的時間內(nèi)，僅需要有一個節(jié)點是活動的。Z.Yuan等人則依據(jù)節(jié)點剩余能量來決定節(jié)點是否進入休眠狀態(tài)[33]。S-MAC休眠時延的方法[34]通過附加控制信息，能在一定程度上實現(xiàn)連續(xù)傳輸，但這些控制信息一方面使協(xié)議非常復雜，健壯性削弱；另一方面增加了能量消耗，也干擾了數(shù)據(jù)包的傳輸，使競爭加劇。采用長消息傳遞機制解決多個分組集中發(fā)送的問題，通過一次RTS/CTS預約，多次數(shù)據(jù)發(fā)送，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突和協(xié)議開銷，降低了射頻轉(zhuǎn)換狀態(tài)的能耗。但局部傳輸效率的提高并不能從根本上解決休眠延遲造成的時延較長的問題，因此對擁塞造成的緩存溢出并沒有很好地解決。拓撲管理中基于經(jīng)典的鄰近圖模型有RNG(relativeneighborhoodgraph)，GG(Gabrielgraph)，DG(Delaunaygraph)，YG(Yaograph)和MST(minimumspanningtree)等。DRNG(directedrelativeneighborhoodgraph)算法和DLSS(directedlocalspanningsubgraph)算法[35]是兩種以鄰近圖的觀點考慮無線傳感器網(wǎng)絡拓撲問題的算法，它們針對節(jié)點發(fā)射功率不一致問題提出了拓撲解決方案。能效速率控制研究現(xiàn)狀之前大量研究的側重點是最小化節(jié)點發(fā)送能耗。V.Rodoplu等[36]研究了在發(fā)送有限數(shù)據(jù)的情況下bit/J容量的效率。S.Verdú[37]研究了寬頻下權衡帶寬與能耗的關系方法，達到最小化每bit能量消耗的目的。E.Uysal-Biyikoglu等[38]在包傳輸時間不同的情況下，通過求解最優(yōu)時序問題來最小化發(fā)送能耗。對于遠距離的信息傳輸來說發(fā)送能量占了能量消耗的主要部分，但是對于短距離的信息傳輸，接收節(jié)點的電路能耗就不能夠忽略了。C.Isheden等在[39]中考慮了更加復雜的電路能耗。文獻中[40-44]每個節(jié)點位于等距離的直線上，但這并不符合實際多跳無線網(wǎng)路的分布情況。其中[42-44]考慮了能量和帶寬的權衡問題，但卻沒有考慮電路能量消耗。KunWang等[45]通過速率自適應的方式來提高802.11無線多跳網(wǎng)絡的能效。其將速率自適應問題轉(zhuǎn)化為速率選擇的背包問題然后通過尋找次優(yōu)解來轉(zhuǎn)化NP-hard問題。B.Alawieh等[46]利用802.11四種接入方案，依據(jù)網(wǎng)絡中的干擾情況自適應的調(diào)整無線多跳網(wǎng)絡中發(fā)送幀的功率和速率。此外也有[47-50]利用速率控制來避免無線AdHoc網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生。文獻[51-52]中自適應速率的方法是利用卡爾曼濾波器來預測信道條件(SNIR)，從而提高網(wǎng)絡的吞吐量更好的利用網(wǎng)路資源。MinaSartipi等[53]研究組播路由中的速率最優(yōu)問題。也有[54-61]研究WLAN中的速率自適應問題。ApoorvaJindal[62]等研究了靜態(tài)802.11多跳無線網(wǎng)絡可以達到的速率范圍。本文的主要工作本文主要研究高能效的移動多跳無線網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡能效方面包括以下幾點：(1)提出了移動多跳無線網(wǎng)絡中鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議，解決了網(wǎng)絡拓撲結構的變化下，快速準確發(fā)現(xiàn)路由，及時更新鏈路狀態(tài)高低能耗動態(tài)維護網(wǎng)絡拓撲的連接問題。(2)提出了移動多跳無線網(wǎng)絡中鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議，大幅度降低了網(wǎng)絡中節(jié)點不必要的空閑監(jiān)聽所消耗的能量。(3)提出移動多跳無線網(wǎng)絡中鏈路協(xié)同的速率自適應機制，通過恰當?shù)膮f(xié)調(diào)路徑中節(jié)點的發(fā)送速率和功率是提高整個網(wǎng)絡能效。(4)采用Matlab2010進行仿真驗證和分析。本文的結構如下所述：第1章簡要闡述移動多跳無線網(wǎng)絡中能效優(yōu)化方法的研究背景、現(xiàn)狀及研究意義，并對本文的結構作出安排。第2章對無線多跳網(wǎng)絡、移動多跳無線網(wǎng)絡、802.11DCF機制、鏈路協(xié)同方案、移動多跳無線網(wǎng)絡應用進行了詳細闡述。第3章在802.11DCF機制下，仔細的設計了移動多跳無線網(wǎng)絡中路由發(fā)現(xiàn)和路由維護方案。方案中能效路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)代價低，速度快，鏈路協(xié)同的路由維護方案可以以帶價最小的方式建立能效的路由提高網(wǎng)絡能效。并將所提出的能效路由協(xié)議與DSR(動態(tài)源路由協(xié)議)，傳統(tǒng)能效路由協(xié)議MTTCP[26]進行了比較。第4章中將休眠劃分為兩個部分。在有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點利用虛擬載波監(jiān)聽時間通過鏈路協(xié)同的方式動態(tài)調(diào)整節(jié)點休眠時長，使得不參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點迅速同時進入休眠狀態(tài)。而在沒有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡中所有節(jié)點利用信道平均空閑時間恰當?shù)男菝吆蛦拘?。算法中我們將休眠機制與功率控制結合，利用高效同步及IP信息減少路由開銷，從而進一步降低了網(wǎng)絡的能耗。最后將所提出的休眠能效路由協(xié)議與第一章三種路由協(xié)議做了相關對比。第5章，在所有節(jié)點以能夠達到信道容量的編碼方式發(fā)送數(shù)據(jù)條件下，當多跳路徑中各節(jié)點具有相同發(fā)送速率時，經(jīng)過推導求得了能夠最小化bit/J的傳輸速率。鏈路之間通過協(xié)同發(fā)送速率的大小來最大化整個網(wǎng)絡的能效。并在前兩章的基礎上，本章對使用速率控制算法和不使用速率控制算法的四種能效路由協(xié)議做了比較。第6章總結全文，回顧了前面所述的研究工作，并對未來的研究方向做了展望。課題來源該課題得到如下項目資助：國家自然科學基金(61071124)、新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-11-0075)、教育部博士點新教師基金(20100042120035)。東北大學碩士學位論文第2章移動多跳無線網(wǎng)絡概述移動多跳無線網(wǎng)絡概述隨著信息技術的快速發(fā)展[63-65]，網(wǎng)絡流量迅速增加，人們對無線通信的需求越來越強。近年來，無線通信技術得到了飛速的發(fā)展和普及。從蜂窩移動通信技術的普及到無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)[66]、藍牙、家庭無線網(wǎng)等技術的大量應用。無線通信技術領域呈現(xiàn)出多種技術共存，新興技術不斷涌現(xiàn)的局面。這使得人與人之間的通信更加方便快捷，同時也使得人們的生活變得更加的豐富多彩。但是，我們通常提到的無線通信技術一般都是集中式的，需要基于預先架設的網(wǎng)絡基礎設施才能運行。如蜂窩移動通信技術需要有基站和移動交換中心等功能設施的支持。無線局域網(wǎng)也需要接入點和有線骨干網(wǎng)的支持。對于一些特殊的應用場合，如臨時性組織的大型會議、災后救援、野外科考等。在這種場合下集中式的通信技術并不勝任且不能迅速的實現(xiàn)和展開。移動多跳無線網(wǎng)絡技術恰恰就可以滿足這種需求。無線多跳網(wǎng)絡概述無線多跳網(wǎng)絡是由很多智能節(jié)點或智能終端相互之間通信構成的，并且用分散方式維持他們之間的通信。網(wǎng)絡中的無線節(jié)點通過無線鏈路相互通信，這些無線鏈路會受到諸如噪聲、衰減、干擾等無線通信的影響，另外在無線多跳網(wǎng)絡中，鏈路的帶寬一般比有線網(wǎng)絡中的帶寬相比低很多。在移動環(huán)境下，網(wǎng)絡的拓撲一般情況下也是在不斷的隨著時間變化的，節(jié)點間的鏈路由于節(jié)點的失效、新節(jié)點的加入和無線環(huán)境的變化而在不斷的動態(tài)變化。在無線多跳網(wǎng)絡中，源節(jié)點到目的節(jié)點之間的典型路徑是由多跳組成的，該路徑上的中間節(jié)點需要充當轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。因而，無線多跳網(wǎng)絡中一個節(jié)點需要充當兩種功能，首先節(jié)點可以充當端節(jié)點產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)分組，其次節(jié)點充當路由器對來自其它節(jié)點的數(shù)據(jù)分組進行轉(zhuǎn)發(fā)。無線多跳網(wǎng)絡是一種分散在網(wǎng)絡中每個節(jié)點上的分布式系統(tǒng)，因此高效的路由協(xié)議需要使網(wǎng)絡每個節(jié)點能夠相互協(xié)調(diào)，以多跳的方式相互通信。無線多跳網(wǎng)絡的兩個主要類型是無線AdHoc網(wǎng)絡[67-68]和無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks,WSN)[69-70]，另外無線Mesh網(wǎng)絡[71]也可以歸入無線多跳網(wǎng)絡中。雖然這三種網(wǎng)絡均是無線多跳網(wǎng)絡，但它們都有各自不同的產(chǎn)生背景和特點。移動多跳無線網(wǎng)絡概述移動多跳無線網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的有線和蜂窩網(wǎng)絡相比，移動多跳無線網(wǎng)絡由一組移動的節(jié)點組成，采用分布式管理的自主網(wǎng)絡，不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施。它與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡通信的最大區(qū)別就是不需要中心節(jié)點管理和控制。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點可以任意分布，任意移動。每個節(jié)點都可能隨時進入或離開網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡分布式運行。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展[72-74]，傳統(tǒng)網(wǎng)絡中對連接性和業(yè)務傳輸?shù)幕拘枨?，在移動多跳無線網(wǎng)路中也同樣需要得到滿足。網(wǎng)絡的移動終端具有無線收發(fā)功能。其可以像路由器一樣，根據(jù)路由策略和路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包、維護路由，通過其它節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的同時也為其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡中節(jié)點間的路由通常是多跳的，由于終端的無線傳輸范圍的限制，數(shù)據(jù)的源端與目的端無法直接通信的情況非常常見，這時就需要網(wǎng)絡中的其它節(jié)點充當中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，節(jié)點之間的通信需要其它中間節(jié)點作為中繼節(jié)點。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時兩個需要通信的節(jié)點通過多個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這就使節(jié)點可以同相距很遠的節(jié)點進行通信。具體的工作原理如圖2.1所示，一個典型的AdHoc網(wǎng)絡的邏輯結構。圖中終端A和F無法直接通信，但A和F可以通過路徑A-B-C-F或A-B-C-E-F進行通信。圖2.1多跳網(wǎng)絡的邏輯結構Fig.2.1Logicalstructureofmulti-hopnetworks移動多跳無線網(wǎng)絡特點移動多跳無線網(wǎng)絡具有以下幾個顯著的特點：(1)多跳路由在移動多跳無線網(wǎng)絡中，每個節(jié)點傳輸距離是有限的。如果兩個不在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點要互相通信時，就需要其他中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，從而實現(xiàn)這兩個節(jié)點之間的通信。即要經(jīng)過多跳的路由傳輸數(shù)據(jù)。與普通多跳網(wǎng)絡不同，由于移動多跳無線網(wǎng)絡中節(jié)點既有終端功能又有路由功能，移動多跳無線網(wǎng)絡不是由專門的路由器完成的，而是由網(wǎng)絡中的節(jié)點完成。移動多跳無線網(wǎng)絡的這個特點使得其可以降低終端的發(fā)射功率，達到延長終端工作時間的目的。(2)無中心和自組織移動多跳無線網(wǎng)絡中的各個節(jié)點的地位是平等的，網(wǎng)絡中沒有中心控制節(jié)點。網(wǎng)絡中的節(jié)點可以在任意時刻和任意的地點加入或離開網(wǎng)絡。各個節(jié)點通過網(wǎng)絡協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各個節(jié)點之間的行為。由于各個節(jié)點是獨立運行的，任何節(jié)點出現(xiàn)故障都不會對整個網(wǎng)絡類的運行產(chǎn)生嚴重影響，具有很強的抗毀性。(3)網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化移動多跳無線網(wǎng)絡中，一組節(jié)點可以通過無線信道連接成任意形式的拓撲結構。由于節(jié)點可以以任意大小的速度和移動方式運動，加上無線收發(fā)裝置發(fā)送功率的可變性、無線信道間產(chǎn)生相互干擾、地貌和天氣狀況的影響，移動節(jié)點通過無線信道形成的拓撲結構會隨時隨地的發(fā)生變化，同時其變化的方式和變化的速度都是無法預測的。在網(wǎng)絡拓撲結構中，這些變化主要體現(xiàn)在：節(jié)點的增加、減少，鏈路數(shù)量和分布的變化，網(wǎng)絡拓撲結構的分割與合并等。于普通的網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡的拓撲結構則維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。(4)移動終端能量有限在移動多跳無線網(wǎng)絡中，用戶終端通常有手機、PDA、掌上電腦、筆記本電腦等。這些終端設計的都比較精巧，便于攜帶，但移動設備依靠電池提供能量，因此有限的電池能量會給移動設備的算法設計提出最大的約束條件。近幾十年來，與高速發(fā)展的微處理器芯片技術相比，在限制電池重量的情況下提高電池容量的技術發(fā)展得相當緩慢。在這種情況下，節(jié)省節(jié)點的能量消費變得至關重要。能量節(jié)省問題涉及到無線網(wǎng)絡中的各個層，在每層上都有相應的技術方案。當前的節(jié)能機制主要分為兩大類：一類是無線網(wǎng)卡動態(tài)關閉機制[75]，另一類是功率控制機制[76]。移動多跳無線網(wǎng)絡的應用移動多跳無線網(wǎng)絡易組網(wǎng)、無中心分布式控制、動態(tài)拓撲、魯棒性強等優(yōu)良特性使能夠滿足民用和軍事通信領域等很多場景的應用要求，可以歸納為以下幾類。(1)個域網(wǎng)絡隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展[77-79]，個域網(wǎng)絡PAN(PersonalAreaNetwork)是移動多跳無線網(wǎng)絡的一種形式，這種網(wǎng)絡通信形式可以將個人電子通信設備，如手機、PDA、筆一記本電腦、個人健康監(jiān)護儀、GPS導航儀等連接成網(wǎng)。個域網(wǎng)絡設備發(fā)射功率應盡量小，現(xiàn)有的藍牙和Zigbee等通信技術只適合于小范圍內(nèi)近距離的通信。移動多跳無線網(wǎng)絡可以適用于大范圍的個域網(wǎng)組建。(2)緊急服務和臨時場合在發(fā)生自然災害和各種災難，原有的基礎通信網(wǎng)絡設施被損毀的情況下或在沒有基礎通信網(wǎng)絡設施的臨時場合中，移動多跳無線網(wǎng)絡可以不依賴于任何網(wǎng)絡基礎設施組成一個臨時網(wǎng)絡來協(xié)同工作，提供臨時通信支持。對救災、搶險、野外科考、礦山作業(yè)、臨時展覽慶典和分布式會議等場景和具有重要意義。(3)動態(tài)場景在城市交通、遠距離車隊運輸?shù)裙?jié)點移動性較強的場景，移動多跳無線網(wǎng)絡可以提供動態(tài)組網(wǎng)的通信支持。美國加州大學伯克利分校和哈佛大學研究在高速公路上自動駕駛汽車間的相互通信即是移動多跳無線網(wǎng)絡應用模式以取得初步研究成果。(4)商業(yè)應用移動多跳無線網(wǎng)絡在一些商業(yè)場景下也有廣泛應用，如機場無線網(wǎng)絡、商場中的無線網(wǎng)絡、移動醫(yī)療無線網(wǎng)絡。場景中，用戶可以相互組成網(wǎng)絡，并能夠與這些場景中的固定網(wǎng)絡相連，享受無線自組網(wǎng)絡帶來的方便，如信息共享、醫(yī)療監(jiān)護、位置服務等。(5)軍事領域由于移動多跳無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)具有無需基礎設施、抗毀性強、組網(wǎng)靈活性強等特點。移動多跳無線網(wǎng)絡在戰(zhàn)場中可以用于軍載、飛機、單兵等不同的場合。IEEE802.11DCF機制概述IEEE802.11MAC協(xié)議是目前自組織網(wǎng)絡最常用的信道接入?yún)f(xié)議。其定義了兩種接入方式：分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)與點協(xié)調(diào)功能(PCF)[80]。由于點協(xié)調(diào)功能(PCF)需要AP來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡中節(jié)點的信道接入，不適用于AdHoc網(wǎng)絡。因此在AdHoc網(wǎng)絡中的研究所涉及的802.11MAC協(xié)議都是指DCF功能。構成DCF基礎的信道接入?yún)f(xié)議為載波檢測多接入/沖突避免(CSMA/CA)機制。在基于IEEE802.n標準的無線網(wǎng)絡中，由于發(fā)送信號的功率和接收信號的功率之間存在比較大的差異，同時無線媒質(zhì)中傳輸?shù)乃行盘柟蚕硗粋€信道，所以節(jié)點在發(fā)送信號時往往不能同時監(jiān)聽信道。為使發(fā)送節(jié)點能夠知道所發(fā)送的信號是否與信道上傳輸?shù)男盘柊l(fā)生沖突，發(fā)送端采用了沖突避免(CA)方案：在每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，等待一個來自接收端的確認(ACK)。如果沒有收到ACK，那么發(fā)送端必須重發(fā)這個數(shù)據(jù)幀。IEEE802.11DCF的多接入部分又可以分為兩類：基本方案、RTS/CTS方案。當采用基本方案時，如果節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，其首先檢測當前信道是否空閑。(1)如果信道空閑，并且空閑時間的長度達到DIFS，那么這個發(fā)送端就發(fā)送Data，當接收端收到該Data包時，在SIFS時間后應答一個ACK反饋信號，且DIFS>SIFS。(2)如果當前信道不空閑，或者空閑時間小于DIFS，那么發(fā)送端進入沖突避免(CA)狀態(tài)。如圖2.2為基本方案的示意圖。圖2.2基本接入方案Fig.2.2BasicaccessschemeRTS/CTS是另一個可選的接入方案。當采用這種方案時，在信道空閑DIFS時間并且發(fā)送端退避時間為0后，首先發(fā)送一個RTS信令包預約信道，接收端應答一個CTS。收到CTS后，發(fā)送端才開始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，接收端再應答一個ACK。由于RTS較短，RTS沖突對網(wǎng)絡性能造成的損害遠遠小于發(fā)送數(shù)據(jù)所造成的沖突帶來的損害。因此采用RTS/CTS機制可以明顯的提高網(wǎng)絡的性能。但是當DATA的長度比較小時，采用基本方案可以減小發(fā)送RTS/CTS所造成的額外開銷。如圖2.3為RTS/CTS方案的示意圖。圖2.3RTS/CTS接入方案Fig.2.3RTS/CTSaccessschemeIEEE802.11DCF的載波檢測包括物理載波檢測和虛載波檢測兩種。物理載波檢測通過物理層設備對信號的檢測來實現(xiàn)。而虛載波檢測則通過引入NAV(網(wǎng)絡分配向量)參數(shù)來實現(xiàn)。當一個節(jié)點，如節(jié)點A收到其他節(jié)點發(fā)送的Data、RTS和CTS時，A先更新自己的NAV，根據(jù)NAV的值，節(jié)點A可以知道當前的發(fā)送將在什么時候結束，從而通過設置NAV定時器進行有效的退避等待。采用虛載波檢測可以減小WLAN中的隱藏節(jié)點問題。此外，在許多節(jié)省能量消費的方案中，虛擬載波檢測對于確定節(jié)點應該何時從/睡眠0狀態(tài)/醒來0而進入/活躍0狀態(tài)也具有非常重要的意義，流程圖如圖2.4所示。圖2.4802.11DCF流程圖Fig.2.4Flowchartof802.11DCF鏈路協(xié)同介紹(1)協(xié)同的定義協(xié)同是指協(xié)調(diào)兩個或者兩個以上的不同資源或者個體，協(xié)同一致地完成某一目標的過程或能力。協(xié)同是指元素對元素的相干能力，表現(xiàn)了元素在整體發(fā)展運行過程中協(xié)調(diào)與合作的性質(zhì)。結構元素各自之間的協(xié)調(diào)、協(xié)作形成拉動效應，推動事物共同前進，對事物雙方或多方而言，協(xié)同的結果使個個獲益，整體加強，共同發(fā)展。導致事物間屬性互相增強、向積極方向發(fā)展的相干性即為協(xié)同性。研究事物的協(xié)同性，便形成協(xié)同理論。(2)鏈路協(xié)同在本文中按照協(xié)同的范圍，我們將鏈路協(xié)同的范圍劃分為三種。A．局部路徑鏈路協(xié)同圖2.5局部路徑鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.5Localpathcollaborativelinks圖2.5中表示的協(xié)同范圍是路徑中兩條鏈路和。B．整條路徑鏈路協(xié)同圖2.6整條路徑鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.6Entirepathcollaborativelinks圖2.6中表示的協(xié)同范圍是路徑中所有鏈路、、、。C．節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)鏈路協(xié)同圖2.7節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.7Nodewithinthecoveragecollaborativelinks圖2.7中表示的協(xié)同范圍是在覆蓋范圍內(nèi)路徑以為中心，所有處于監(jiān)聽狀態(tài)的節(jié)點與之間的所有鏈路、、。(3)協(xié)同目的和依據(jù)本文中協(xié)同的內(nèi)容包括有協(xié)同相應范圍內(nèi)鏈路中節(jié)點的發(fā)送功率、同步時間、節(jié)點定時器以及鏈路發(fā)送發(fā)送速率等。本章小結本章對無線多跳網(wǎng)絡、移動多跳無線網(wǎng)絡、移動多跳無線網(wǎng)絡應用、802.11DCF機制、鏈路協(xié)同方案進行了詳細闡述。為以下章節(jié)在移動多跳無線網(wǎng)絡中研究并提出高能效方案提供了必要的基礎條件。東北大學碩士學位論文第3章鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議由于無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，帶來了巨大的能量消耗。多跳移動無線網(wǎng)絡是學者們研究的重點。但由于電池技術的發(fā)展相對緩慢，限制了無線網(wǎng)絡的發(fā)展。高效節(jié)能的通信方式能夠有效的緩解電池技術的制約。其中使用高能效的路由協(xié)議是降低無線網(wǎng)路能耗的最重要方法之一。近些年來很多學者做了大量的研究。但是由于很多設計其考慮的模型并不夠細致，其通過直接的變更路由的方式達到能效的目的，卻忽略了變更路由所造成的代價，造成了大量的能量消耗。本章在802.11DCF機制下，仔細的設計了路由發(fā)現(xiàn)和路由維護方案。本章提出的能效路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)代價低，并利用鏈路協(xié)同的路由維護方案以帶價最小的方式建立能效的路由。本章中能效路由協(xié)議是基于單源單目地節(jié)點情況下討論的。將能效路由算法分為快速路由發(fā)現(xiàn)方案和鏈路協(xié)同的路由維護兩部分闡述。在路由發(fā)現(xiàn)階段，我們盡量以最少的發(fā)現(xiàn)時間和最小的發(fā)送能耗快速的建立路由，達到代價最小的目的。在路由維護階段，我們將數(shù)據(jù)包中加入能耗等信息，通過鏈路間通過移除、替換、插入三種協(xié)同方式使節(jié)點能夠迅速的變更為能耗最低的路徑。由于網(wǎng)路中節(jié)點處在動態(tài)變化中，因此良好的路由協(xié)議能夠很好的適應網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。概述在多跳最小能耗路由方案中，信令包的傳輸通常都是以節(jié)點的最大功率級別來發(fā)送的，這樣做可以避免隱藏終端造成的問題。因此，信令包的傳輸會帶來大量的能耗，如圖3.1能效路由協(xié)議示意圖Fig.3.1Schemeofenergy-efficientroutingprotocol802.11中的RTS信令包，同時在更準確的模型下，路由發(fā)現(xiàn)所帶來的能耗要遠大于路徑選擇的能耗。我們將CLEERP劃分為路由發(fā)現(xiàn)階段和路由維護階段兩部分。在路由發(fā)現(xiàn)階段，我們盡量以最少的發(fā)現(xiàn)時間和最小的發(fā)送能耗快速的建立從源節(jié)點到達目的節(jié)點的路由，達到代價最小的目的。在路由維護階段，CLEERP利用數(shù)據(jù)包中包含的能耗等信息，通過鏈路協(xié)同的方式使節(jié)點能夠迅速的找到能耗最低的路徑并能很好的適應網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。例如圖3.1中，路由發(fā)現(xiàn)階段時，源節(jié)點快速的找到從源節(jié)點到達目的節(jié)點跳數(shù)最少的路徑，中能耗最低的一條路徑；在路由維護階段能夠快速的變更原有路徑為能耗更低的路徑；當原有節(jié)點移動到新的箭頭所指位置后，原有傳輸路徑能夠及時調(diào)整路徑為?？焖俳⒙窂降穆酚砂l(fā)現(xiàn)方案由于路由建立時能量消耗較大，為了降低能量消耗，CLEERP方法采用最快的方式建立從源節(jié)點到達目的節(jié)點的最短路徑。同時，為了最大限度的降低能耗，我們改進了使用路由縮短技術的DSR協(xié)議并利用延時等待的思想。為了保證算法的執(zhí)行，需要在路由請求包REEQ中加入跳數(shù)標記和能量消耗信息。當源節(jié)點緩存中不存在到達目的節(jié)點的路由時，源節(jié)點要向網(wǎng)絡中其它鄰居節(jié)點廣播信息，即發(fā)送路由請求分組RREQ。RREQ分組中主要包括以下內(nèi)容：目的節(jié)點的地址、路由記錄、路由請求ID、跳數(shù)統(tǒng)計、能量消耗信息等。其中<路由記錄>標記了從源節(jié)點到達目的節(jié)點路由的所有中間節(jié)點地址；<路由請求ID>為源節(jié)點，而中間節(jié)點維護<源節(jié)點地址、路由請求ID、跳數(shù)累計、能量消耗>序列，<源節(jié)點地址、路由請求ID、跳數(shù)累計、能量消耗>序列用作快速建立能效路由。當中間節(jié)點接收到廣播RREQ時，會按照如下步驟處理報文：(1) 中間節(jié)點接收到RREQ時，需檢查<源節(jié)點地址，路由請求ID>中是否存在于當前節(jié)點的對列表中。若存在，則證明已經(jīng)處理過該RREQ，以后將不執(zhí)行任何操作，若不存在該序列，則執(zhí)行(2)步驟；(2) 檢査路由記錄中是否存在當前節(jié)點的地址。若存在，則不執(zhí)行任何操作。否則執(zhí)行(3)步驟；(3) 檢查路由信息的<跳數(shù)累計>與節(jié)點緩存中保留的<最小跳數(shù)累計>相比較。如果收到的跳數(shù)累計值大于節(jié)點緩存中的跳數(shù)累計值將不執(zhí)行任何操作；如果收到的跳數(shù)累計值小節(jié)點緩存中的跳數(shù)累計值于或等于則執(zhí)行步驟(4)；(4) 檢查路由信息的<能量消耗>與節(jié)點緩存中保留的最最低路由能耗，能耗高于節(jié)點緩存中保留的能耗最低能耗值將不執(zhí)行任何操作；若小于或等于則執(zhí)行步驟(5)；(5) 若RREQ的目的節(jié)點地址是該節(jié)點，則該節(jié)點為目的節(jié)點，執(zhí)行步驟(6)若RREQ的目的節(jié)點不是該節(jié)點，則執(zhí)行步驟(7)；(6) 如果本次路由請求為第一個到達的路由請求，則初始化一個短暫的等待時間T，并開始倒計時。如果該條路由請求不是第一個到達的路由請求，并且到達時間倒計時大于零，則在目的節(jié)點依據(jù)路由記錄中<能量消耗>與之前收到的路由能耗相比較，保留能耗較低的路徑。當T為零后。目的節(jié)點所保存的路由信息便是源節(jié)點到此節(jié)點的路由。該節(jié)點會向源節(jié)點發(fā)送相應的路由報文RREP，并將該路由信息拷貝到RREP中；(7) 該節(jié)點把自己的地址添加到RREQ的路由記錄字段更新緩存中的<跳數(shù)累計、能量消耗>信息。如果本次路由請求為第一個到達的路由請求，則初始化一個短暫的等待時間T，并開始倒計時。如果該條路由請求不是第一個到達的路由請求，并且到達時間倒計時大于零則當T為零后該節(jié)點向周圍廣播該RREQ報文。表3.1路徑發(fā)現(xiàn)算法Table3.1RoutediscoveralgorithmRoutediscoveralgorithmInput：S(sourcenode),D(destinationnode),(nodematrix),(NodeList),(routrecode),(receivehopcount),(hopcountbufferkeep),(routconsumeenergy),(routconsumeenergy),(routrequestID),(sequencenumber),(transmitCountdown)Output：RoutReceiveRREQReceiveRREQweightmatrixelse,feedbackREEPOutputtheresultsR通過這種尋找路徑的路由方式，源節(jié)點最終會快速找到到達目的節(jié)點能耗較低的路由，偽代碼如表3.1。與DSR和AODV路由發(fā)現(xiàn)的區(qū)別在于中繼節(jié)點目的節(jié)點在收到的路由請求信息時并不是立即轉(zhuǎn)發(fā)，也不是只保留第一個收到的額路由請求，而是只轉(zhuǎn)發(fā)T時間內(nèi)收到的能耗最低的路由請求包。對于在收到第一個到達目的節(jié)點REEQ包時，并不是立即回復REEP包，而是等待一個很短的時間T，回復最短且相對耗最低的路徑。鏈路協(xié)同的路由維護方案源節(jié)點要尋找到達目的節(jié)點的路由時，源節(jié)點首先檢查自身緩存中是否存在到達該目的節(jié)點的路由，當其緩存中有到達目的節(jié)點的路由時，源節(jié)點會選擇一條合適的路徑來發(fā)送分組。由于AdHoc網(wǎng)絡中節(jié)點不斷地移動，且信號容易受到干擾導致鏈路中斷，網(wǎng)絡中的路由失效較快。而路由中任何一段鏈路的失效都將會導致該路由所經(jīng)過的節(jié)點中存在失效路由。同時，在路由發(fā)現(xiàn)階段所建立的路由能耗較高，其并不是能效最優(yōu)的路由，即使能效最優(yōu)的路由也會隨著節(jié)點的移動而變得能耗較高。在移動環(huán)境下，為了保證路由的有效性，節(jié)點通過路由維護過程來監(jiān)測路由中的鏈路是否發(fā)生斷路。算法中我們的路由協(xié)議是通過周期性的廣播路由來更新路由信息。現(xiàn)在按照維護時間可以劃分為周期性更新方式和按需路由維護方法兩種，按照維護方式可以劃分為：逐跳確認機制；端到端確認機制。對于能效路由方案，路由維護除了能夠維護路徑連通外，動態(tài)及時有效的路由維護方案是提高網(wǎng)絡能效的關鍵。CLEERP方法采用按需逐跳確認機制。本算法中鏈路協(xié)同的路由維護是指在保證接收節(jié)點接收信噪比不變的情況下，多跳路徑中每條鏈路中的節(jié)點利用其鄰居節(jié)點對相鄰鏈路能耗的監(jiān)聽，通過移除、插入和替換三種方式獲得能耗最低的傳輸路徑，從而達到能效最優(yōu)的目的。在路由維護過程中為了達到能效的目的，每個節(jié)點及時的更新其路由表，當節(jié)點收到鄰居節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)包時(如RTS、CTS信令包、數(shù)據(jù)包等)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點會將當前鏈路代價和節(jié)點序號、當前時間插入到IP包頭。每個節(jié)點能夠評估到達鄰居節(jié)點的鏈路代價。每個節(jié)點緩存中會在一段時間內(nèi)保存、記錄、動態(tài)更新以上信息。該信息用作節(jié)點鏈路協(xié)同的路由選擇方案，每個節(jié)點能夠監(jiān)測相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)包交換，從而竊聽對應的鏈路成本，并利用鏈路代價來評估一段路徑的消耗。每個節(jié)點依據(jù)包中包含的信息更新其緩存中的相應數(shù)據(jù)(建立一個鄰居節(jié)點鏈路能耗表)。依據(jù)以上保存的鏈路能耗信息，節(jié)點能夠通過移除、替換、插入[14]三種鏈路協(xié)同方式幫助降低路徑能耗，提高網(wǎng)絡能效。(1)移除：如圖3.2中假設從源節(jié)點到達目的節(jié)點的路徑中存在兩跳路徑A-C-B。如果節(jié)點A發(fā)現(xiàn)自己緩存中鏈路能耗表中鏈路A-B的能耗要低于鏈路A-C與鏈路C-B的能耗之和，那么節(jié)點A將會更新自己的路由表。節(jié)點A會將其路由表中的下一跳節(jié)點地址由C改為B。圖3.2移除Fig.3.2Remove(2)替換：圖3.3中，假設從源節(jié)點到達目的節(jié)點的路徑中存在兩跳路徑A-C-B。如果節(jié)點D發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路A-D的能耗與D-B的能耗之和低于鏈路A-C與鏈路C-B的能耗之和，那么節(jié)點D將會將其路由表中的下一跳節(jié)點設置為B，并同時向節(jié)點A發(fā)出請求，請求節(jié)點A將其路由表中下一跳節(jié)點設置為D。此時節(jié)點D協(xié)同鏈路A-D與D-B，使得路徑A-C-B變更為A-D-B。圖3.3替換Fig.3.3Replace(3)插入：圖3.4中如果節(jié)點C發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路A-C與C-B的能耗之和低于A-B的能耗。那么節(jié)點C將會將其路由表中的下一跳節(jié)點設置為B，并同時向節(jié)點A發(fā)出請求，請求節(jié)點A將其路由表中下一跳節(jié)點設置為C。此時節(jié)點C協(xié)同鏈路A-C與C-B，使得路徑A-B變更為A-C-B。圖3.4插入Fig.3.4Insert依據(jù)以上鏈路協(xié)同方法，整條路徑快速的進行局部路由變化，從而使得整條路徑能夠調(diào)整為能耗最低的路徑，其偽代碼如表3.2所示。表3.2路徑維護算法Table3.2RoutemaintenancealgorithmRoutmaintenancealgorithmoneupdateInput：R(routfromsourcetodestination),(linki),(nodenuminroutR),(linkconnectingnodeiandnodei+1),(nodeicovernodematrix)Output：Rforifupdate(R)accordingtoremovealgorithmendifforifupdate(R)accordingtoreplacealgorithmelseifupdate(R)accordingtoalgorithmelsecontinue;endifendforendforOutputtheresults:R能效分析方案由于文章所采用的是802.11DCF中的RTS/CTS機制，所有節(jié)點共用同一個信道，使用緩存機制能夠有效的降低丟包率。當發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果其他節(jié)點也有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，那么該節(jié)點會先將數(shù)據(jù)存于其節(jié)點緩存中，等該節(jié)點占用信道時，將緩存中的數(shù)據(jù)一起發(fā)送。CLEERP算法影響路徑容量的主要因素是節(jié)點間的競爭，體現(xiàn)為路徑上節(jié)點間的相互干擾和節(jié)點發(fā)送信息時候的碰撞。算法中碰撞因素包括來自鄰居節(jié)點的同步碰撞與來自隱藏節(jié)點的異步碰撞且碰撞主要發(fā)生于RTS階段。且假設節(jié)點之間存在有良好的同步和良好的信道復用可以避免傳輸過程中節(jié)點之間的干擾。在無線通信中，信號接收功率與的成正比。(3.1)圖3.5不同發(fā)送功率的可靠接收范圍示意圖Fig.3.5ReliableReceivingrangeofdifferenttransmissionpowerdiagram其中傳播系數(shù)K取決于通信所處環(huán)境。由于路由請求包和信令包(RTS、CTS)是以最大發(fā)送功率發(fā)送的，故接收節(jié)點可以依據(jù)接收功率和路徑信息K求得節(jié)點之間距離d。接收節(jié)點在獲得路徑信息、節(jié)點之間的距離信息后和最小正確接收功率下可以準確的計算出能夠使得接收節(jié)點恰好正確接收條件下發(fā)送節(jié)點所需要的最小發(fā)送功率級別，如公式(3.2)和圖3.5所示。(3.2)算法中我們認為兩個節(jié)點間通信時，節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送與節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)的功率是相同的。因此，節(jié)點2得到的1向2發(fā)送的最小功率與節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送的最小功率相同。網(wǎng)絡中的節(jié)點有三種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑。在網(wǎng)絡中，不參與通信的節(jié)點處于空閑狀態(tài)即偷聽狀態(tài)，能量消耗與發(fā)送狀態(tài)相比為1:1.4。整個網(wǎng)絡的吞吐量為該段時間內(nèi)節(jié)點成功發(fā)送的數(shù)據(jù)量之和。在單位時間t內(nèi)，節(jié)點發(fā)送、接收和休眠的能耗分別為：(3.3)其中、、表示在單位時間t內(nèi)，共有發(fā)個送節(jié)點，個接收節(jié)點，個空閑節(jié)點(監(jiān)聽節(jié)點)。為發(fā)送節(jié)點i的功率。為接收節(jié)點j的功率。為空閑節(jié)點k的功率。在時間內(nèi)整個網(wǎng)絡的能量消耗為：(3.4)CLEERP算法中，在內(nèi)網(wǎng)絡的吞吐量我們定義為內(nèi)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)。我們將其分為兩種：成功傳輸?shù)男畔⒘?bit)和成功發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。因此我們定義了一下兩種能效：成功發(fā)送信息能效和成功發(fā)送信息次數(shù)能效。其中為內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘?。為?nèi)所有節(jié)點成功發(fā)送信息次數(shù)之和。(3.5)(3.6)仿真結果及分析仿真環(huán)境及參數(shù)本算法是在Matlab2010仿真環(huán)境下進行的，仿真中我們設定網(wǎng)絡場景大小為1200M*1200M。節(jié)點包到達速率服從泊松過程，每個節(jié)點在仿真中發(fā)送數(shù)據(jù)20次。節(jié)點隨機分布于網(wǎng)絡中。源節(jié)點、目的節(jié)點隨機選取。物理層發(fā)送速率為2Mbit/s。緩存大小為1Mbit。節(jié)點移動方向隨機選取。在我們的仿真中節(jié)點發(fā)送與接收的能耗之比為：1.4:1.05。其余節(jié)點在不發(fā)信息時處于空閑狀態(tài)。能效路由協(xié)議的仿真與分析(1)路由發(fā)現(xiàn)圖3.6中反映在路由發(fā)現(xiàn)階段中繼節(jié)點和目的節(jié)點在固定等待時間T內(nèi)收到的所有最短路徑。圖3.7中目的節(jié)點選擇了在單位時間T能收到的耗最低的路徑18-5-6-10回復REEP并建立路由。(2)路由維護分析進入路由維持階段，圖3.8、圖3.9中反映了當節(jié)點19發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路19-11的能耗低于鏈路19-20與鏈路20-11能耗之和。節(jié)點19將其路由表中的下一跳節(jié)點數(shù)設置為11，通過路由維護過程，路由變更為19-11。圖3.10、圖3.11中，路徑中兩跳路徑2-7-19。節(jié)點8發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路2-8的能耗與8-19的能耗之和低于鏈路2-7與鏈路7-19的能耗之和，節(jié)點8將其路由表中的下一跳節(jié)點設置為19，并同時向節(jié)點2發(fā)出請求，請求節(jié)點2將其路由表中下一跳節(jié)點設置為8，其兩跳路徑變更為2-8-19。圖3.12、圖3.13中，節(jié)點18發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路17-18與鏈路18-10的能耗之和低于鏈路17-10的能耗。節(jié)點18將其路由表中的下一跳節(jié)點設置為10，并向節(jié)點17發(fā)出請求，請求節(jié)點17將其路由表中下一跳節(jié)點設置為18。路徑變更為17-18-10。圖3.6路由發(fā)現(xiàn)階段節(jié)點在固定時間收到的最短路徑Fig.3.6Afixedtimenodeintheroutreceiveallshortestpathindiscoveryphase圖3.7目的節(jié)點回復的最短能耗最低路徑Fig.3.7Destinationnoderepliesshortestandlowestenergyconsumptionpath圖3.8移除之前路由Fig.3.8Beforeremovingrouting圖3.9移除之后路由Fig.3.9Afterremovingrouting請求節(jié)點2將其路由表中下一跳節(jié)點設置為8。其兩跳路徑變?yōu)?-8-19。節(jié)點18發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路17-18與鏈路18-10的能耗之和低于鏈路17-10的能耗。節(jié)點18將其圖3.10替換之前路由Fig.3.10Routingbeforereplacing圖3.11替換之后路由Fig.3.11Routingafterreplacing路由表中的下一跳節(jié)點設置為10，并同時向節(jié)點17發(fā)出請求，請求節(jié)點17將其路由表中下一跳節(jié)點設置為18。路徑變更為17-18-10。圖3.12插入之前路由Fig.3.12Routingbeforeinserting圖3.13插入之后路由Fig.3.13Routingafterinserting經(jīng)過圖3.8、圖3.9的移除，圖3.10、3.11的替換以及圖3.12、圖3.13的插入三種路由維護方式，建立了能耗最低的傳輸路徑。網(wǎng)絡能耗和能效的仿真與分析隨網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量變化情況分析圖3.14-3.17反映了路由發(fā)現(xiàn)能耗，成功傳輸信息能效和成功發(fā)送次數(shù)能效隨著網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)的變化情況。其中路由發(fā)現(xiàn)能耗為在一次仿真中每個節(jié)點發(fā)送5次數(shù)據(jù)，平均發(fā)送間隔為slot，路由發(fā)現(xiàn)能耗指所有節(jié)點累計路由發(fā)現(xiàn)能耗之和。從圖3.14中可以看出，MTTCP路由發(fā)現(xiàn)時消耗了大量的能量，明顯高于DSR和CLEERP。這是由于在路由發(fā)現(xiàn)階段MTTCP鄰居節(jié)點在收到后來到達的路由請求時包時不能直接丟棄，路由發(fā)現(xiàn)時期復雜度高。圖3.15中，CLEERP算法的能耗略高于DSR因為其路由開銷相對于DSR較大。從圖3.14、