自組織網(wǎng)絡(luò)的功率損耗性能仿真分析

寧學(xué)侃（大連91550部隊(duì)）

自組織網(wǎng)絡(luò)的功率損耗性能仿真分析

寧學(xué)侃（大連91550部隊(duì)）

現(xiàn)代通信中，自組織網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)立組網(wǎng)，動(dòng)態(tài)拓?fù)?，多跳路由，具有自愈能力等?yōu)勢(shì)在民用通信中，都占用重要位置。文章主要從最小功耗路徑選擇的角度，對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)的功率損耗進(jìn)行仿真分析。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由于其靈活、快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)極大地融入現(xiàn)在社會(huì)的工作中，對(duì)其性能的分析及優(yōu)化都將是我們以后研究的熱點(diǎn)。

自組織網(wǎng)絡(luò) 功率損耗 最佳路由

自1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞，至2003年 IRTF成立 ANS（Ad Hoc Networks Scalability）研究組，對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的研究一直是各大研究中心的研究重點(diǎn)。文章通過(guò)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)功率損耗隨跳數(shù)的仿真分析，進(jìn)一步探討自組織網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

1 自組織網(wǎng)絡(luò)定義與特點(diǎn)

自組織網(wǎng)絡(luò)就是由一組帶有無(wú)線通信收發(fā)裝置的（移動(dòng)）終端節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)；每個(gè)（移動(dòng)）終端同時(shí)具有路由器和主機(jī)兩種功能：作為主機(jī)，終端需要運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，終端需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議；節(jié)點(diǎn)間路由通常由多跳（Hop）組成；不需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可以在任何地方、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建。

正因如此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)相比有如下的特點(diǎn)[1,2]：

1）獨(dú)立組網(wǎng)。Ad Hoc組網(wǎng)不需要任何預(yù)先網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，自由靈活。

2）動(dòng)態(tài)拓?fù)?。移?dòng)節(jié)點(diǎn)除了開(kāi)關(guān)機(jī)之外，還具有任意的移動(dòng)性，加上無(wú)線發(fā)送裝置發(fā)送功率的變化、無(wú)線信道干擾、地形因素等無(wú)線傳播條件的影響，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟圆豢深A(yù)測(cè)的方式任意和快速的改變。

3）自組織。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有控制中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以任意地加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

4）多跳路由。Ad Hoc的多跳路由機(jī)制使得接收端和發(fā)送端可使用比兩者直接通信小得多的功率進(jìn)行通信，因此節(jié)省了能量消耗。

5）終端的局限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)用戶終端由于能量、存儲(chǔ)、計(jì)算等資源受限，使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)十分困難，減少功耗是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的目標(biāo)。

6）安全性差。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)線方式的分布式結(jié)構(gòu)，由于無(wú)線鏈路的開(kāi)放性以及移動(dòng)性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間信任關(guān)系的變化，使得比有線網(wǎng)絡(luò)更加容易遭受竊聽(tīng)、入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊和拒絕服務(wù)等安全性威脅。

7）可擴(kuò)展性不強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾造成網(wǎng)絡(luò)容量下降，各節(jié)點(diǎn)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加而下降。

2 自組織網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的比較

2.1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與Sensor網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)（Sensor網(wǎng)絡(luò)）可以看作是一種特殊類型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，它是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者[2,3]。

各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)靜態(tài)地隨機(jī)分布在某一區(qū)域，傳感器負(fù)責(zé)收集區(qū)域內(nèi)的傳感信號(hào)，將它們發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)具有更大的處理能力，能進(jìn)一步處理信息，并且具有更大的發(fā)送范圍，可將信息送往某個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)（如Internet）并且到達(dá)最終的用戶。

傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、斷接性、電源能力局限等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點(diǎn)，如需要大規(guī)模分布式觸發(fā)器，感知數(shù)據(jù)流巨大等。

2.2 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)與移動(dòng)IP

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）可以看作是移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的交叉。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，使用的分組交換機(jī)制，通信的主機(jī)一般是便攜式計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等移動(dòng)終端設(shè)備。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不同于目前因特網(wǎng)環(huán)境中的移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖1所示。

圖1 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)與移動(dòng)IP

在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)主機(jī)可以通過(guò)固定有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線鏈路和撥號(hào)線路等方式接入網(wǎng)絡(luò)，而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中只存在無(wú)線鏈路一種連接方式。在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)主機(jī)不具備路由功能，只是一個(gè)普通的通信終端。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)從一個(gè)區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)時(shí)并不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)主機(jī)的移動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。

3 對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的功率分析

現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)多是在一個(gè)小區(qū)中心采用全向天線進(jìn)行圓周式覆蓋，由于各移動(dòng)臺(tái)收發(fā)頻率相同，所以移動(dòng)臺(tái)之間必須通過(guò)基站BS（Base Station）中轉(zhuǎn)才能通信。如圖2中MT（Mobile Terminal） A和MT B所示，為兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的距離很近，但是距基站距離很遠(yuǎn)的特殊情況。

而大多數(shù)情況下，移動(dòng)臺(tái)是處于小區(qū)內(nèi)部的，圖3描述的則是一般情況下，MT與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)基站BS的上行鏈路的單跳與布置WPs（Wireless Points）后的多跳網(wǎng)絡(luò)對(duì)比圖。

圖2、圖3這兩種不同情況分別進(jìn)行分析如下。

3.1 MT在網(wǎng)絡(luò)邊緣且距離很近

如圖2所示，假設(shè)單蜂窩的小區(qū)半徑為r，MT距離最近WP的距離為a1?r(0＜a1≤1)，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的距離 dMTi-MTj?r時(shí)，則MT A和MT B之間的通信只需要一個(gè)WP完成，則

圖2 網(wǎng)絡(luò)邊緣的MT之間的通信

圖3 一般位置下多跳與單跳對(duì)比圖

則多跳網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)功率增益為：

3.2 MT在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部一般位置

如圖3所示，假定上行鏈路MT A和BS之間的距離為d，這里假定d是一個(gè)常數(shù)1，MT A和BS距離最近的無(wú)線接入點(diǎn)WPi和WPj的距離均為a1?d， a1與布置的WP的數(shù)目有關(guān)，假定WPi和WPj之間共有 j跳，且每一跳的距離相等，為a2?d (0＜a2≤1)，在d一定的條件下， a2與 a1、跳數(shù) j有關(guān)。

則多跳網(wǎng)絡(luò)的功率增益為

3.3 分析

圖4 MT在網(wǎng)絡(luò)邊緣且距離很近情況下Pms的分布函數(shù)（cdf）

圖4是在dMTi-MTj?r情況下，對(duì)于歸一化多跳功率的cdf的仿真圖，從圖中可以看出，MT與WP之間的距離參數(shù)a1越小，多跳網(wǎng)絡(luò)的功率增益越大。圖中三條曲線所顯示的分別是a1＜＜r、a1≈r/2、 a1≈r的三種情況，對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)均值分別為-34.7dB、-9.6dB、-2.47 dB。當(dāng) a1=r的情況，將和單蜂窩的功率接近一致。而a1的大小則是由網(wǎng)絡(luò)中所包含的WP的數(shù)目K決定的，K越大，則a1越小，

圖5所示的是一般情況下，MT A與BS之間通過(guò)WPs傳輸?shù)纳闲泄β氏鄬?duì)于傳統(tǒng)模式的功率增益，這里假定各個(gè)WP的位置是固定的，由圖可知，影響系統(tǒng)功率的參數(shù)主要有兩個(gè)，分別是最大跳數(shù)J和網(wǎng)絡(luò)中的WP數(shù)目K。而在相同跳數(shù)的情況下，隨著網(wǎng)絡(luò)中的WP數(shù)目越多，多跳網(wǎng)絡(luò)的功率增益越大，這是因?yàn)橄嗤鴶?shù)下，WP數(shù)目越多，則通信所需距離越近，則節(jié)省功率更多。

圖5 一般位置下歸一化上行多跳功率隨最大跳數(shù)J和WP數(shù)目K的變化圖

4 小結(jié)

文章主要介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)特征，并針對(duì)多跳的路由選擇機(jī)制，結(jié)合無(wú)線環(huán)境對(duì)其跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、功率增益三者之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值化分析。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由于其靈活、快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)極大地融入現(xiàn)在社會(huì)的工作和生活中，對(duì)其性能的分析及優(yōu)化，將在以后很長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，都將是我們研究的熱點(diǎn)。

[1] 王春江.基于CDMA的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)研究[D],北京:北京郵電大學(xué),2005.

[2]Tilak S,Abu-Ghazaleh NB,Heinzelman W.A taxonomy of wireless micro-sensor network models.Mobile Computing and Communications Review,2002,1 (2):1-8.

[3]Mahfoudh S,Minet P.An energy efficient routing based on OLSR in wireless Ad hoc and sensor networks.In:The 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications-Workshops,Japan,March 2008.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.001.012

2013-10-23）

寧學(xué)侃，工程師，2011年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，從事遠(yuǎn)遙外測(cè)工作，E-mail：ningxk@163.com，地址：大連市沙河口區(qū)五一路200號(hào)，116023。