Ad Hoc網(wǎng)絡功率控制與跨層優(yōu)化

1 引 言

　　Ad Hoc網(wǎng)絡具有無中心、自組織、布網(wǎng)靈活、快速展開、抗毀性強等特點，在移動計算、分布式計算、搜索救援、軍事行動、環(huán)境污染監(jiān)測等許多領域具有廣泛的應用前景。同時由于其移動終端的能量限制等固有缺陷也給自組網(wǎng)帶來了網(wǎng)絡資源(容量及功耗等)的缺乏。功率控制技術是Ad Hoc網(wǎng)絡中的一種重要的節(jié)能策略，是降低網(wǎng)絡能耗，延長節(jié)點壽命的一種非常重要的方法。AdHoc網(wǎng)絡的功率控制主要是通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點的信號發(fā)射功率，在保證一定通信質(zhì)量的前提下盡量降低信號發(fā)射功率。Ad Hoc。網(wǎng)絡功率控制的意義與作用如下：

1.1 降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡壽命

　　在保證網(wǎng)絡連通的情況下，調(diào)整Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點的傳輸功率可顯著增加網(wǎng)絡吞吐量、減小功耗。無線信道對信號的衰減與傳輸距離成指數(shù)增長，因此減小節(jié)點的傳輸半徑可以使發(fā)射節(jié)點的傳輸能量減少，大大地降低節(jié)點的能耗，延長網(wǎng)絡壽命。

　　無線網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗通?？梢苑譃榕c通信有關的能量消耗和與計算有關的能量消耗。與通信有關的能量消耗是無線網(wǎng)絡接口所消耗的能源，即節(jié)點在收、發(fā)分組以及作為路由器進行分組轉發(fā)時所消耗的能量。與計算有關的能量消耗是指節(jié)點在處理分組和參與網(wǎng)絡管理執(zhí)行網(wǎng)絡協(xié)議、算法等其他任務時消耗的能量，例如CPU、內(nèi)存等其他硬件，數(shù)據(jù)壓縮、前向糾錯算法等軟件(程序)消耗的能量。隨著技術的提高和發(fā)展，計算方面消耗將會越來越小，通信方面的比例將會加大，而研究表明通信方面節(jié)點的發(fā)射狀態(tài)能耗最大，所以發(fā)射節(jié)點進行功率控制就顯得非常重要。

1.2 提高網(wǎng)絡空間復用度

　　采用功率控制，減少節(jié)點的傳輸半徑可降低干擾，使同一鄰居區(qū)域內(nèi)可有更多的傳輸，減小MAC層競爭沖突，提高通信質(zhì)量，提高信道的空間復用度，擴大網(wǎng)絡容量。考慮IEEE 802.11 DCF握手機制，以他作為網(wǎng)絡MAC層協(xié)議，適當?shù)卣{(diào)整控制信號和數(shù)據(jù)信號的發(fā)射功率，以節(jié)省能量。這樣因為傳輸?shù)陌霃阶冃?，覆蓋的周邊節(jié)點數(shù)也變少，而且在相同的條件下，可以同時建立比IEEE 802.11標準更多的通訊對，這對于源節(jié)點與目的節(jié)點距離很近的情況非常有利，如圖1所示，信道利用率是IEEE 802.11協(xié)議的3倍。

　　現(xiàn)有Ad Hoc網(wǎng)絡的功率控制技術研究主要集中在2個方面，即鏈路層的功率控制和網(wǎng)絡層的功率控制。鏈路層的功率控制主要通過MAC協(xié)議完成，根據(jù)每個分組的下一跳節(jié)點的距離、信道狀況等條件來動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。網(wǎng)絡層的功率控制是通過改變發(fā)射功率來動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡的拓撲結構和路由選擇，而使全網(wǎng)的性能達到最優(yōu)。鏈路層的功率控制是一種經(jīng)常性的調(diào)整，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組都可能要進行功率調(diào)整，而網(wǎng)絡層的功率控制則可在一個較長的時間內(nèi)調(diào)整一次，調(diào)整頻率較低。這兩種功率控制機制也可以結合起來應用，用網(wǎng)絡層的功率控制調(diào)整網(wǎng)絡拓撲結構，而在發(fā)送分組時根據(jù)目的節(jié)點的遠近調(diào)整發(fā)送所用的功率。

2 MAC層的功率控制

　　MAC(Medium Access Control)層是數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層，決定節(jié)點如何接入共享的無線信道，并負責向上層提供可靠的點到點連接服務。在MAC層，這類協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要利用控制分組RTS／CTS交換信息，控制分組的交互為功率控制提供了極大的方便，如可以在控制分組中攜帶發(fā)送功率或本節(jié)點的信噪比等參數(shù)，以便為對方進行功率控制提供參考依據(jù)，進行功率調(diào)整。最初，該領域的研究是在IEEE 802.11的標準上進行的，該標準采用CSMA／CA(載波偵聽多址接人／沖突避免)機制來預約信道以進行報文的傳輸，一個報文的發(fā)送流程為：RTS-CTS-DATA-ACK。目前Ad Hoc網(wǎng)絡中的信道接入?yún)f(xié)議按具體的工作方式可分為單信道協(xié)議、雙信道協(xié)議和多信道協(xié)議。

2.1 單信道功率控制協(xié)議

　　MAC協(xié)議的控制分組和數(shù)據(jù)分組都在同一個信道上傳送時，稱為單信道協(xié)議。在單信道功率控制協(xié)議中，控制分組可以用最大功率來發(fā)送，也可以根據(jù)目的節(jié)點的相關信息用相對較小的功率來發(fā)送。發(fā)送節(jié)點可以在控制分組RTS中攜帶發(fā)射功率等參數(shù)信息，接收節(jié)點可在CTS中向對方提供本節(jié)點的信噪比等信息，為對方發(fā)送數(shù)據(jù)分組時選擇發(fā)送功率提供參考依據(jù)。這類協(xié)議是最常見的一類MAC功率控制協(xié)議。

　　文獻[5]中提出的功率控制算法，發(fā)射機可從10個發(fā)射等級中選取1個值，每個節(jié)點都維護1個最近進行過通信的節(jié)點的功率控制表，表中記錄了到各鄰居節(jié)點的功率參數(shù)信息，并且算法對RTS，CTS的分組頭進行修改，加入有關功率的參數(shù)。此協(xié)議可提高網(wǎng)絡吞吐率達15％，同時還可以節(jié)省部分能量。

　　文獻[6]提出一種功率控制的多址接入PCMA(PowerControlled Multiple Access)協(xié)議，他利用功率控制的多址接入機制實現(xiàn)沖突避免，把信道分為一個忙音信道和一個數(shù)據(jù)信道，忙音信道用來傳輸忙音信號，數(shù)據(jù)信道用來傳輸控制分組和數(shù)據(jù)分組(因為控制分組和數(shù)據(jù)分組在一個信道傳輸，所以把他看成是單信道協(xié)議)，根據(jù)收到的控制分組的信號強度來限制隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點的發(fā)射功率，這樣通過調(diào)節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率減少相互干擾，提高網(wǎng)絡的吞吐量，延長網(wǎng)絡壽命。仿真結果表明此協(xié)議在負荷較大的情況下吞吐率可比IEEE 802.11提高近一倍，而他主要問題在于對長距離的通信不公平，因為長距離的無線通信需要更大的功率，這個功率可能被根據(jù)忙音信號所計算的發(fā)送功率上限所約束，使長距離的無線通信無法達成。

2.2 雙信道功率控制協(xié)議

　　雙信道接入?yún)f(xié)議通常有一個控制信道和一個數(shù)據(jù)信道，在控制信道上傳送控制分組，而在數(shù)據(jù)信道上傳送數(shù)據(jù)分組?？刂菩诺郎系目刂品纸M一般采用最大發(fā)射功率發(fā)送，而對于數(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù)分組，則根據(jù)控制信道上交互控制分組時所得到的信息用最小必須功率發(fā)送，數(shù)據(jù)信道上的ACK分組可以用最小必須功率發(fā)送，也可以用最大功率發(fā)送。文獻[7]提出的一種基于雙忙音信道功率控制機制和文獻[8]提出的功率控制雙信道(Power Controlled Dual Channel，PCDC)協(xié)議都是雙信道接入的功率控制協(xié)議，仿真結果表明他們的節(jié)能效果也很明顯。

2.3 多信道功率控制協(xié)議

　　當協(xié)議使用一個控制信道和多個數(shù)據(jù)信道時稱為多信道協(xié)議。多信道接入?yún)f(xié)議中，控制分組RTS和CTS都在控制信道上傳送，數(shù)據(jù)分組和ACK在由多信道協(xié)議所決定的數(shù)據(jù)信道上傳送。當節(jié)點沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，則需有一個收發(fā)機停留在控制信道，以監(jiān)聽其他節(jié)點之間交互的控制分組。收發(fā)兩端通過交互控制信息可在多個數(shù)據(jù)信道中選擇一個合適的信道，并在切換到所選定的數(shù)據(jù)信道后發(fā)送數(shù)據(jù)分組及ACK。多信道的好處是在同一時刻，在同一通信區(qū)域內(nèi)可以有多對節(jié)點在不同的信道上進行同時通信，在網(wǎng)絡負荷大時比單信道協(xié)議有更高的網(wǎng)絡吞吐率。

　　文獻[9]提出的一種多信道功率控制協(xié)議DCA-PC(Dynamic Channel Assignment with Power Common)將信道分配、媒體接入和功率控制等問題結合起綜合考慮?？刂品纸M及廣播分組在控制信道上用最大功率發(fā)送，而數(shù)據(jù)分組和ACK則在數(shù)據(jù)信道上用最小必須功率發(fā)送?？刂菩诺赖淖饔檬怯脕矸峙鋽?shù)據(jù)信道并且解決使用數(shù)據(jù)信道時的潛在沖突。協(xié)議對信道總數(shù)的需求與網(wǎng)絡拓撲和節(jié)點密度無關，并且適合在節(jié)點密度大的環(huán)境中使用，也無需時鐘同步機制，網(wǎng)絡吞吐率比較高。

3 網(wǎng)絡層的功率控制

　　網(wǎng)絡層的功率控制是通過調(diào)整發(fā)射功率動態(tài)改變網(wǎng)絡的拓撲結構和路由選擇，進而使全網(wǎng)的性能達到最優(yōu)。網(wǎng)絡由于其使用環(huán)境的特殊性，節(jié)點分布的密度有時是無法預料的，這就需要一種機制來自動調(diào)節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率，使其能夠根據(jù)節(jié)點的分布情況自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率。發(fā)送功率大，通信距離就遠，分組平均轉發(fā)的次數(shù)就少，但這樣會使信道的空間復用度降低，使每個節(jié)點的有效帶寬減小。而減小發(fā)射功率，能提高信道的空間復用度，增大節(jié)點的有效帶寬，但分組的平均轉發(fā)次數(shù)要增多，使信道的時間利用率降低。發(fā)射功率的選擇，需要在分組平均轉發(fā)次數(shù)與信道空間復用度之間進行折中，也即通過功率控制選擇基于能耗的路由，達到節(jié)約能量和提升網(wǎng)絡效能的目的。與MAC層的功率控制相比，網(wǎng)絡層的功率控制調(diào)整頻率應相對較低，這樣可以避免頻繁的拓撲變化產(chǎn)生分組延遲以及路由失效而導致重新選路，減小網(wǎng)絡的負載。

　　文獻[10]提出了一種在節(jié)點位置已知、所有節(jié)點都用同一發(fā)射功率的條件下計算構成全連通網(wǎng)絡所需發(fā)射功率最小值的集中式動態(tài)功率控制算法。當網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時，可使用此算法獲得構成全連通網(wǎng)絡所必須的最小發(fā)射功率。通過采用此方法，在提高網(wǎng)絡吞吐量的同時，也降低了能量的消耗。文獻[11]中提出的COMPOW(Common Power)協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡拓撲選擇一個供網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點共同使用的發(fā)送功率。網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點使用同一發(fā)送功率的好處是，他能保證鏈路的雙向連通性，即如果節(jié)點A發(fā)送的分組能夠被B正確接收到，則B發(fā)送的分組也能夠被A正確接收到。

4 混合功率控制與跨層優(yōu)化

　　在Ad Hoc網(wǎng)絡中，功率控制對各個協(xié)議層均有重要的影響，因此是典型的跨層優(yōu)化問題，適于采用跨層優(yōu)化以優(yōu)化網(wǎng)絡性能指標?？鐚觾?yōu)化通常有2種方式：一是利用在其他協(xié)議層所獲得的信息來改進本層的協(xié)議，典型的情況是低層的信息反饋給高層；二是將幾個協(xié)議合并成一個，如何將Ad Hoc網(wǎng)絡的MAC層、路由層甚至傳輸層捆綁到一個協(xié)議中。網(wǎng)絡層與鏈路層相結合的功率控制算法即混合控制，主要策略是在網(wǎng)絡層運用基于能量耗費的路由選擇算法，在鏈路層采取相應的功率控制策略。

　　文獻[12]提出了一種PARO(Power-Aware RoutingOptimization)協(xié)議，PARO協(xié)議根據(jù)一組路由上每一跳的發(fā)送功率作為參考標準，在一對節(jié)點之間選擇一條總能耗最低的路由；即使某兩節(jié)點間可以直接通信，但如果通過一個中間節(jié)點轉發(fā)能耗更小，則仍然選擇經(jīng)過中間節(jié)點轉發(fā)的路由。而在鏈路層，控制分組用最大功率發(fā)送，數(shù)據(jù)分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。在Ad Hoc網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的路由協(xié)議往往以最少跳數(shù)作為路由設計的指標，這種算法往往導致節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時要用較大功率發(fā)送，因此PARO協(xié)議通過盡可能多地使用轉發(fā)節(jié)點來減小每一跳發(fā)送時的功率，使通信過程中的總能耗最小。PARO是一種按需機制的協(xié)議，并不事先主動維護路由，只是當節(jié)點需要時才啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，由此來減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的能量消耗。PARO是一種最小能量路由算法，與其他路由算法相比，此協(xié)議是以能耗作為選擇路由的指標(Metric)。仿真的結果顯示，PARO要比固定發(fā)射功率的路由算法節(jié)能60％以上，在節(jié)點移動不太快的情況下，網(wǎng)絡性能也較穩(wěn)定，網(wǎng)絡吞吐量沒有明顯的下降。

　　SIMPLE／PARP是一個早期的基于IEEE 802.11的功率控制與跨層優(yōu)化的協(xié)議：其MAC層采用SIMPLE-對于控制報文RTS／CTS以最大傳輸功率發(fā)送，數(shù)據(jù)與確認報文DATA／ACK以所需的最小傳輸功率發(fā)送；網(wǎng)絡層則采用PARP路由協(xié)議一其路由的度量與能量值有關。雖然SIMPLE／PARP可顯著降低功耗，但其代價是網(wǎng)絡吞吐量的下降和報文延時的增加。隨后的PARO協(xié)議將主動式路由協(xié)議PARP改進為按需路由協(xié)議，但他們在預約信道時均采用全網(wǎng)統(tǒng)一發(fā)送功率的策略。

　　在文獻[14]中，提出了一種分布式基于位置信息的拓撲控制算法，算法包括2個階段：第一階段利用位置信息建立并配置鏈路，第二階段節(jié)點應用以功耗作為度量指標的分布式Bellman-Ford最短路徑算法找出最優(yōu)鏈路。該協(xié)議需要節(jié)點配備有GPS(全球定位)系統(tǒng)。在文獻[15]中，通過調(diào)整發(fā)射功率來保證網(wǎng)絡節(jié)點在其每個2π／3的扇區(qū)內(nèi)均至少有1個鄰居節(jié)點，該方案需要節(jié)點增加額外的硬件以支持節(jié)點對方向信息可用性的確認。由于以上算法都采用CSMA／CA機制來接入、預約共享無線信道，因此都無法完全避免由于隱藏終端／暴露終端對于網(wǎng)絡性能的顯著惡化。

　　要消除隱藏終端／暴露終端問題，就必須改變其MAC層的信道預約方式，于是一類稱為干擾感知的MAC層協(xié)議出現(xiàn)了。該類協(xié)議通過廣播CAI(沖突避免信息)來界定鄰近節(jié)點的傳輸功率。公式：SINR(i，j)=P(i，j)／(∑P(i，j)+ηj)，表明節(jié)點j接收到節(jié)點i發(fā)送的報文時信噪比。通過設定一個SINR門限，發(fā)送節(jié)點就可以防止鄰近的節(jié)點干擾正在進行的報文傳輸。由于在干擾門限內(nèi)，允許鄰近節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此增大網(wǎng)絡吞吐量并減少了信道競爭所帶來的排隊延時。PCMA協(xié)議中每個接收節(jié)點通過發(fā)送忙音脈沖來通告其干擾的門限。仿真表明該協(xié)議的吞吐量是IEEE 802.11的2倍。然而該協(xié)議沒有利用跨層優(yōu)化將路由協(xié)議一起捆綁進來，且存在忙音之間的信道競爭問題。PCDC協(xié)議強調(diào)MAC層與網(wǎng)絡層的相互聯(lián)系：通過調(diào)整RREQ報文的發(fā)射功率，MAC層間接影響了網(wǎng)絡層對下一跳路由的選擇。PCDC將可用帶寬分為2個頻率獨立的信道分別用于傳輸控制報文與數(shù)據(jù)報文，其中CAI被插入CTS報文中并以最大功率發(fā)送，節(jié)點收集所得的信息用于建立一個能量有效的鄰居節(jié)點子集，節(jié)點的RREQ報文以維持該子集所需的最小功率來發(fā)送。這樣做的好處是減少功耗、限制子集內(nèi)報文的廣播以增加吞吐量、降低設計的復雜性并減少開銷。仿真表明PCDC可獲得可觀的吞吐量改善及功耗開銷的下降。然而沒有考慮隨著跳數(shù)增加而導致的處理及接收功耗的相應增大。許多新技術相繼應用到Ad Hoc網(wǎng)絡的功率控制設計中：如文獻[17]中將分群(cluster)技術引入功率控制方案中，而文獻[18]則采取聯(lián)合調(diào)度與功率控制的方案。

5 結 語

　　功率控制是一個典型的跨層優(yōu)化問題，優(yōu)良的功率控制設計方案能有效減少Ad Hoc網(wǎng)絡的功耗、增加網(wǎng)絡吞吐量、增大報文發(fā)送率。功率控制對于Ad Hoc網(wǎng)絡性能的提高有顯著的影響，但功率控制中采用跨層優(yōu)化能帶來多大的性能改善尚需進一步的量化。功率控制方案的有效設計，關鍵在于如何說明協(xié)議棧各個層之間的互相關系。新技術的不斷引入也給功率控制的研究帶來新方法與新方向。一些值得關注的研究課題有：干擾感知的功率控制方案的實用性及設計假設尚待評估，如PCDC假設控制信道與數(shù)據(jù)信道具有同樣的信道增益，但控制報文長度遠小于數(shù)據(jù)報文，其在相同無線信道情況下，傳輸控制報文的成功率將大于傳輸數(shù)據(jù)報文；現(xiàn)存的標準和硬件間的兼容性問題；傳輸功率控制與動態(tài)關閉無線網(wǎng)卡機制的結合問題；定向天線技術的引入；基于CDMA組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡功率控制方面的研究；對傳輸功率控制的多速率支持。