一種移動自組網(wǎng)動態(tài)功率控制方法

盧冬梅

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院實訓中心,湖北武漢 430050)

在移動自組網(wǎng)(MANET)中,各節(jié)點長期分布式獨立運行,所攜帶的能量有限,因此如何選擇合適的功率進行數(shù)據(jù)傳輸,有效地使用節(jié)點能量,延長網(wǎng)絡(luò)的壽命,就成為研究中的一個重要問題,它涉及到MANET協(xié)議棧的各個層。MANET功率控制的主要目標包括:降低節(jié)點的能耗,延長節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命;調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率,減少對鄰節(jié)點的干擾,提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本文提出一種交互式的鏈路層功率控制方法(記作IMACTPC),在通信過程中監(jiān)視接收信號功率強度,動態(tài)、對稱地調(diào)整發(fā)送功率,在保證通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能的前提下,節(jié)省發(fā)送功率,提升網(wǎng)絡(luò)的可用性。

1 無線信道與信號功率

1.1 無線信道的傳播特性

在無線信道中,反射、折射的影響不可忽略,在距離上存在信號能量的衰減,一般采用雙線地面(Two-Ray Ground)傳播模型[1]來描述真實環(huán)境下的信道衰落特性。在圖1中,存在從發(fā)送方到接受方的一條直射路徑,和一條由地面反射到接收方的反射路徑,其中信號總強度ETOT由直射信號強度ELOS和反射信號強度Er疊加形成。

圖1 雙線地面?zhèn)鞑ツＰ褪疽鈭D

此傳播模型的接收功率用公式1表示。

其中Pt、Pr分別是發(fā)送功率和接收功率,Gt、Gr分別是發(fā)送天線和接收天線的增益,d為傳輸距離,ht、hr分別是發(fā)送方和接收方的天線高度。

此外在城市地區(qū),電波經(jīng)反射、散射到達接收端時,分解為通過各個路徑到達的多個散射分量,各個分量具有不同的相位,可能在某處各分量強度疊加,而相鄰很近的位置各分量強度彼此消減,因此在很短的距離內(nèi),信號強度可能發(fā)生很大的突變,這種效果被稱為Rayleigh衰落[1],嚴重時會造成臨時的鏈路斷裂。

1.2 節(jié)點的功率級設(shè)定

根據(jù)公式1,取ht=hr=1.5 m,Gt=Gr=1,Pr等于正確接收數(shù)據(jù)包所需最小功率RXThresh(3.652×10-10W),得出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在不同通信半徑內(nèi)正確傳送數(shù)據(jù)包所需的最小Pt,并設(shè)定不同的功率級如下:

1)第1級,Pt=0.01 W,最大通信半徑109 m;

2)第2級,Pt=0.1 W,最大通信半徑193 m;

3)第3級,Pt=1 W,最大通信半徑343 m。

對于典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,如汽車網(wǎng)絡(luò)、野戰(zhàn)集群,節(jié)點在數(shù)秒時間內(nèi)就會產(chǎn)生幾十米到上百米的位移,而在這么大的通信半徑變化范圍內(nèi),對應(yīng)功率級的Pt會相差約一個數(shù)量級,如果一直采用固定的Pt,就不能適應(yīng)傳輸距離變化的影響,距離較小時Pt相對過大會造成能量浪費,距離較大時Pt又會顯得不足。采用分級功率調(diào)節(jié)技術(shù)能夠節(jié)省能耗并提升網(wǎng)絡(luò)性能。當通信距離減小時,可通告對方及自己降低Pt以節(jié)能,并減小對其它節(jié)點的干擾;當通信距離增大時,通告對方及自己適當增大Pt可保持通信連接的穩(wěn)定,避免因信號強度過小所帶來的重新選路和連接等過程。

2 IMAC-TPC功率控制原理與算法

2.1 基于802.11協(xié)議的功率調(diào)控信息設(shè)置

在基于802.11協(xié)議[2]的MANET中,發(fā)送方通過發(fā)送RTS(Request to send)數(shù)據(jù)包向接收方請求建立連接,并獨占無線信道,接收方回復CTS(Clear to send)數(shù)據(jù)包確認無線連接,之后進行data數(shù)據(jù)包的傳輸,對成功接收的data數(shù)據(jù)包,接收方需回復ACK(Acknowledgement)數(shù)據(jù)包進行確認,其它節(jié)點則在RTS及CTS設(shè)定的NAV時間段內(nèi)等待信道空閑。具體流程如圖2所示。

圖2 基于802.11的媒體接入與數(shù)據(jù)發(fā)送示意圖

在RTS、CTS、data和 ACK四種基本數(shù)據(jù)包中,包含2字節(jié)的幀控制字段。IMAC-TPC功率控制方法對ACK數(shù)據(jù)包中幀控制字段的第13位和第 14位(Power Management Bit和 More Data Bit)進行了新的定義,使其攜帶功率調(diào)控信息(含增大發(fā)送功率級、減小發(fā)送功率級及不改變功率級這三種選項),返回給發(fā)送方。基本的通告方式為:

1)節(jié)點A收到節(jié)點B的DATA包,提取其中的Pr,判斷無線信道的狀況,若需要調(diào)整雙方的Pt,則在發(fā)向B的ACK包中設(shè)置功率調(diào)控指令,以新設(shè)定的Pt將其發(fā)出。B在收到指令后,采用此新Pt發(fā)送后面的DATA包。

2)節(jié)點B收到節(jié)點A的ACK包,提取其中的Pr判斷無線信道的狀況,若需要調(diào)整雙方的Pt,則B在下一個發(fā)向A的DATA包中設(shè)置功率調(diào)控指令,以新設(shè)定的Pt將其發(fā)出。A在收到指令后,采用此新Pt發(fā)送后面的ACK包。

在物理層的數(shù)據(jù)包接收函數(shù)中,節(jié)點根據(jù)接收功率Pr的大小得知鏈路狀況[3][4],并判斷Pr所在的區(qū)間:臨界(剛大于接收閾值)、適合(處于合理范圍)、過大(可降低 Pt以節(jié)省能量),區(qū)間的范圍由多個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)根據(jù)鏈路狀況動態(tài)確定。根據(jù)該區(qū)間修改對應(yīng)節(jié)點的功率信息計數(shù)器,對上一協(xié)議層給出指示,形成功率調(diào)控信息。

2.2 接收數(shù)據(jù)包功率信息的統(tǒng)計處理

當Pr值不在最優(yōu)的區(qū)間MidZone時,有必要調(diào)整傳輸功率,生成提升或降低發(fā)送功率級的指令。因為Rayleigh衰落的影響,接收信號強度會產(chǎn)生隨機的變化,基于少數(shù)的數(shù)據(jù)包的功率值做出調(diào)整決策是不準確的[8]。這里采用統(tǒng)計的方法,記錄N個數(shù)據(jù)包的Pr信息,在其中定義Pr值低于MidZone的數(shù)據(jù)包數(shù)目為LowCnt,Pr值高于MidZone的數(shù)據(jù)包數(shù)目為HighCnt。當物理層接收到數(shù)據(jù)包時,節(jié)點依據(jù)其中的Pr值獲取信道的狀況,判斷Pr是否處于MidZone,如果Pr比MidZone下限低,則 LowCnt加1,如果 Pr比MidZone上限高,則 HighCnt加 1。MidZone區(qū)間的設(shè)定依照如下2個原則:

1)為了盡可能節(jié)能,MidZone的上限不應(yīng)很高,以避免出現(xiàn)過大的Pr和Pt。

2)每次對功率進行調(diào)整,Pt變化約一個數(shù)量級,因此 MidZone的上限不應(yīng)該很小,否則MidZone的區(qū)間大小會過小,Pr會頻繁處于MidZone區(qū)間的上方和下方,導致Pt被頻繁地調(diào)整,影響通信的穩(wěn)定。通過對實際物理信道環(huán)境下的統(tǒng)計得知,大多數(shù) Pr的取值在幾倍到幾百倍的RXThresh范圍之內(nèi),因此可將MidZone設(shè)為[10RXThresh,100RXThresh]。

2.3 功率調(diào)整指令的設(shè)定

隨著不斷取得最新的數(shù)據(jù)包,N個數(shù)據(jù)包的Pr值以FIFO的方式進行更新,每隔0.5 s將兩個計數(shù)器 LowCnt和 HighCnt進行更新。圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖演示了收到數(shù)據(jù)包時的計數(shù)器更新和狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法。一開始節(jié)點處于功率級i的“Normali”狀態(tài),對功率級為 1或 2的節(jié)點,當LowCnt高于0.4 N,提升功率級的必要性增加,因此節(jié)點進入“ToIncreasei”狀態(tài)。當 LowCnt低于0.4 N,節(jié)點返回到“Normali”狀態(tài),當LowCnt大于0.8 N,功率調(diào)整指令被設(shè)定,并用新的更高一級的功率發(fā)送給通信對方,節(jié)點進入“Normal(i+1)”狀態(tài),計數(shù)器 LowCnt被清零。對功率級為2或 3的節(jié)點,當 HighCnt高于0.4 N,降低功率級的必要性增加,因此節(jié)點進入“ToDecreasei”狀態(tài)。當HighCnt低于0.4 N,節(jié)點返回到“Normali”狀態(tài),當 HighCnt大于 0.8 N,功率調(diào)整指令被設(shè)定,并用新的更低一級的功率發(fā)送給通信對方,節(jié)點進入“Normal(i+1)”狀態(tài),計數(shù)器HighCnt被清零。

圖3 節(jié)點發(fā)送功率級的轉(zhuǎn)換

2.4 IMAC-TPC功率控制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)

功率控制的處理主要集中在網(wǎng)絡(luò)的物理層和鏈路層[6],因此數(shù)據(jù)包處理的復雜性較低,效率較高。在通信過程中維護的狀態(tài)信息包括:①通信對方節(jié)點標識nid;②應(yīng)采用的功率級powlevel;③數(shù)據(jù)包記錄隊列PrInfoArr[N];④LowCnt計數(shù)器;⑤LowCnt的計數(shù)長度 LowLen;⑥HighC-nt計數(shù)器;⑦HighCnt的計數(shù)長度 HighLen。

數(shù)據(jù)包接收方的處理方法為,根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的Pr修改計數(shù)器,依據(jù)計數(shù)狀態(tài)設(shè)定功率調(diào)控指令和自己的新Pt。第一種通告方式的協(xié)議實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)包接收方的協(xié)議處理過程

3 算法的仿真實驗與結(jié)果分析

3.1 仿真實驗設(shè)計

在NS-2(版本2.28)環(huán)境[7]下分別進行了無功率控制(Pt=0.2818 W,通信半徑250 m),基于沖突的MAC功率控制[2](記為CBPC)和采用IMAC-TPC的通信仿真,其中流量場景設(shè)置為:4個 cbr數(shù)據(jù)源分別啟動于0 s、20 s、40 s、60 s,持續(xù)時間30 s,發(fā)送速率1000包/秒,數(shù)據(jù)包大小為512字節(jié),仿真時間100 s。運動場景分為低密度、中密度和高密度三個,在1200 m*1200 m的范圍內(nèi)分別有20個、60個和100個節(jié)點,節(jié)點隨機移動,速度3 m/s。仿真的物理信道環(huán)境考慮了Rayleigh衰落。

計算以下4個性能指標:1)AvePt-平均發(fā)送功率;2)NetLife-網(wǎng)絡(luò)壽命,指從開始運行到出現(xiàn)第一次節(jié)點能量耗盡的時間;3)PDR-分組抵達率,體現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒β?4)RtCost-路由開銷,為路由控制信令總數(shù)與正確接收的數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值,其值越小則沖突越少。

3.2 仿真結(jié)果

幾個性能指標的仿真結(jié)果如表1所示。從表1看出,IMAC-TPC方法能顯著降低節(jié)點的Pt并提升NetLife;在高密度環(huán)境中由于跳數(shù)多、單跳距離小,節(jié)點更經(jīng)常采用較低功率級,因此高密度環(huán)境下IMAC-TPC在這兩個指標上的優(yōu)勢更加明顯。IMAC-T PC方法按實際需要分配Pt,形成較合理的通信信號覆蓋區(qū)域,能使通信沖突大大減小,因此重新選擇所需的路由信號總數(shù)下降,RtCost減小,而PDR上升;在高密度環(huán)境中由于參與分組轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點增多,通信沖突的可能性更大,因此在高密度環(huán)境中IMAC-TPC的RtCost略有上升。

表1 仿真性能指標結(jié)果

統(tǒng)計不同功率控制條件下,節(jié)1接收數(shù)據(jù)包的接收功率分布區(qū)間,如表2所示。從表2看出,基于IMAC-TPC的功率控制能使接收功率更多的處在合適的區(qū)間,處于臨界及過大區(qū)間的情況相比無功率控制更少。

表2 節(jié)點的接收功率分布

4 結(jié) 語

本文提出的功率控制方法,通過接收數(shù)據(jù)包的信號強度獲取信道狀況,從而客觀地指導數(shù)據(jù)發(fā)送方采用合理的功率進行通信。今后應(yīng)在此基礎(chǔ)上研究并實現(xiàn)針對不同長度、不同類型數(shù)據(jù)包采用不同的處理方法,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓撲和路由選擇進行功率控制的優(yōu)化,并探討更科學可靠的功率消耗數(shù)學模型。

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