Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能量問題及節(jié)能策略

方勝吉

摘要 人們通常希望移動設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)中的工作時間越長越好。但是，一方面，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn)只能使用容量有限的電池供電，大幅度提高電池的單位容量從技術(shù)方面來說比較困難;另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)終端性能的提升、功能的加強(qiáng)，設(shè)備硬件自身產(chǎn)生的能耗會越來越大，對能量的需求也越來越高。因此，采取各種節(jié)能機(jī)制就成為了延長移動設(shè)備在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中工作時間的一個主要手段，也是本文研究的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】Ad Hoc 節(jié)能機(jī)制 節(jié)能策略

1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗分析

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)由網(wǎng)絡(luò)接口和內(nèi)部器件這兩部分組成，這兩部分在數(shù)據(jù)傳輸時分別有各自的能量消耗，即通信能耗和內(nèi)部器件工作處理能耗。2002年，DeborahEstrin在Mobicom國際會議上做的特邀報告中指出，所謂節(jié)點(diǎn)的能耗，與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)，大范圍的網(wǎng)絡(luò)中，消耗主要是通信能耗;小范圍的則是以內(nèi)部的相關(guān)零部件的工作能量消耗為主體。

一般情況下有4種工作模式（無線接口設(shè)備類），如果按照能量消耗的多少，從低到高可分為：睡眠、空閑、接收和發(fā)送，除去第一種外稱為活動狀態(tài)，活動狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)有一個特點(diǎn)，那就是對在信道上的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，會隨時做出反應(yīng)，而非活動狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，是在設(shè)計中融入了節(jié)能的因素。

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)即使處于空閑狀態(tài)，它的能耗也是很大的，基本與接收狀態(tài)相當(dāng)。這是由于設(shè)備中無線網(wǎng)卡在空閑狀態(tài)雖無數(shù)據(jù)發(fā)送，但是需要時刻監(jiān)聽信道，并對發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)做出反應(yīng)。所以，只有節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)下才能保證節(jié)點(diǎn)能耗最低。

2常見的Ad Hoc節(jié)能措施

2.1網(wǎng)絡(luò)層處理策略

該層的節(jié)能辦法主要從兩方面入手：

（1）功率因素，我們要在路由協(xié)議中有所參考;

（2）通過修改路由協(xié)議影響路由路徑，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

功率控制是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種節(jié)能方式，為了使整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果得到明顯的上升，我們可以選擇動態(tài)的調(diào)整路由器對路徑的選擇方式以及整個網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而降低通信節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。目前，通過修改路由協(xié)議延長網(wǎng)絡(luò)壽命的研究很多，以下給出的幾種節(jié)能策略均屬于該方向：

（1）能量均衡策略：以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池剩余電量為基準(zhǔn)，均衡使用網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量，路由選擇時盡量避免低能量的節(jié)點(diǎn)，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

（2） MBCR策略：路由上所有節(jié)點(diǎn)剩余能量之和稱為節(jié)點(diǎn)剩余總電量，并將其作為度量標(biāo)準(zhǔn)，而從出發(fā)點(diǎn)到目的地所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)，需要由剩電量最多的點(diǎn)形成。

（ 3）MMBCR策略先找到最小電量的點(diǎn)，以此為標(biāo)記，再找與其相關(guān)聯(lián)的最大能量節(jié)點(diǎn)為路徑選擇。

（4） CMMBCR： 一種綜合MBCR和MMBCR產(chǎn)生的策略，就是預(yù)先設(shè)置一能量閾值，節(jié)點(diǎn)上的能量剩余值與閾值比較，大于時，就使用MBCR;否則就用MMBCR.。

2.2 MAC層節(jié)能策略

目前，針對MAC層能耗問題的研究很多，本文著重介紹此類研究中比較集中的兩種機(jī)制。

2.2.1功率控制

在Ad Hoc中，能量消耗，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸，而消耗最大的就是節(jié)點(diǎn)發(fā)送。所以，降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率，減輕節(jié)點(diǎn)間的相互影響和沖突，是一種有效的降耗辦法。

功率控制又可分為兩種，一個是以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的整體控制，通過調(diào)整整個節(jié)點(diǎn)的功率，實(shí)現(xiàn)功率利用率最大化;另一種是以單節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的局部控制，主要以節(jié)點(diǎn)間距離和噪聲為依據(jù)，來控制發(fā)射功率，從而實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用與節(jié)能。

2.2.2無線網(wǎng)卡動態(tài)關(guān)閉機(jī)制

無線網(wǎng)卡動態(tài)關(guān)閉機(jī)制就是盡量使節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，這樣做可以減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽及串音狀態(tài)的能耗。網(wǎng)卡的關(guān)閉策略，在不同的協(xié)議間，在不影響全網(wǎng)性能的情況下，基本都使用同一種方法，就是盡可能長時間休眠。無線網(wǎng)卡關(guān)閉機(jī)制一般可分為

報文時間復(fù)合、時間驅(qū)動和報文驅(qū)動是無線網(wǎng)卡常見的三種關(guān)閉機(jī)制，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分別使用。報文驅(qū)動機(jī)制在負(fù)荷較大的網(wǎng)絡(luò)中使用效果較好，這是由于此時進(jìn)入睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)較多，節(jié)能效果較明顯;時間驅(qū)動機(jī)制與之相反，適用于負(fù)荷較小的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，這是由于在小負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)的每一個beacon周期中，網(wǎng)絡(luò)的流量較小，無用的節(jié)點(diǎn)均在睡眠，所以，效果較好。

2.3越層處理策略

為了取得更多的信息來決定操作動向，越層協(xié)議一般都會被設(shè)置在MAC層上，在這層上，更方便根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層傳來的路由信息做出相應(yīng)處理，SPAN、GAF、PARO、COMPOW等都是此類的協(xié)議。

目前，越層策略主要分為兩種，一種是通過讓無任務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，只留下部分節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)報文的“保留聯(lián)通主干”的機(jī)制;另一種就是按需節(jié)能機(jī)制，它針對在網(wǎng)絡(luò)中并非所有情況下都需要全局連通性這一情況提出的，避免了連通集中存在大量與通信無關(guān)的節(jié)點(diǎn)，造成的不必要的能耗。

3結(jié)束語

本文首先分析了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗特性，然后，介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)能策略，包括網(wǎng)絡(luò)層節(jié)能策略、MAC層節(jié)能策略及跨層節(jié)能策略，為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)能提供參考。

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