自組織網絡的功率損耗性能仿真分析

寧學侃（大連91550部隊）

自組織網絡的功率損耗性能仿真分析

寧學侃（大連91550部隊）

現代通信中，自組織網絡以其獨立組網，動態拓撲，多跳路由，具有自愈能力等優勢在民用通信中，都占用重要位置。文章主要從最小功耗路徑選擇的角度，對自組織網絡的功率損耗進行仿真分析。移動Ad Hoc網絡由于其靈活、快速組網的優勢，已經極大地融入現在社會的工作中，對其性能的分析及優化都將是我們以后研究的熱點。

自組織網絡 功率損耗 最佳路由

自1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc網絡”一詞，至2003年 IRTF成立 ANS（Ad Hoc Networks Scalability）研究組，對移動自組織網絡的研究一直是各大研究中心的研究重點。文章通過對自組織網絡功率損耗隨跳數的仿真分析，進一步探討自組織網絡的傳輸性能。

1 自組織網絡定義與特點

自組織網絡就是由一組帶有無線通信收發裝置的（移動）終端節點組成的一個多跳臨時性自治系統；每個（移動）終端同時具有路由器和主機兩種功能：作為主機，終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終端需要運行相應的路由協議；節點間路由通常由多跳（Hop）組成；不需要網絡基礎設施，可以在任何地方、任何地點快速構建。

正因如此，Ad Hoc網絡和其他網絡相比有如下的特點[1,2]：

1）獨立組網。Ad Hoc組網不需要任何預先網絡基礎設施，自由靈活。

2）動態拓撲。移動節點除了開關機之外，還具有任意的移動性，加上無線發送裝置發送功率的變化、無線信道干擾、地形因素等無線傳播條件的影響，導致了網絡拓撲以不可預測的方式任意和快速的改變。

3）自組織。Ad Hoc網絡沒有控制中心，各個節點可以任意地加入或離開網絡，節點故障不會影響到整個網絡。

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

5）終端的局限性。Ad Hoc網絡中的移動用戶終端由于能量、存儲、計算等資源受限，使得Ad Hoc網絡的設計十分困難，減少功耗是路由協議設計的一個非常重要的目標。

6）安全性差。Ad Hoc網絡是一種無線方式的分布式結構，由于無線鏈路的開放性以及移動性導致節點之間信任關系的變化，使得比有線網絡更加容易遭受竊聽、入侵、網絡攻擊和拒絕服務等安全性威脅。

7）可擴展性不強。節點之間的相互干擾造成網絡容量下降，各節點吞吐量隨網絡節點總數的增加而下降。

2 自組織網絡與其他網絡的比較

2.1 Ad Hoc網絡與Sensor網絡

傳感器網絡（Sensor網絡）可以看作是一種特殊類型的Ad Hoc網絡，它是由一組傳感器以Ad Hoc方式構成的有線或無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者[2,3]。

各個無線節點靜態地隨機分布在某一區域，傳感器負責收集區域內的傳感信號，將它們發到網關節點，網關具有更大的處理能力，能進一步處理信息，并且具有更大的發送范圍，可將信息送往某個大型網絡（如Internet）并且到達最終的用戶。

傳感器網絡除了具有Ad Hoc網絡的移動性、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，如需要大規模分布式觸發器，感知數據流巨大等。

2.2 移動Ad Hoc網絡(MANET)與移動IP

移動Ad Hoc網絡（MANET）可以看作是移動通信和計算機網絡的交叉。在Ad Hoc網絡中，使用的分組交換機制，通信的主機一般是便攜式計算機、個人數字助理（PDA）等移動終端設備。Ad Hoc網絡不同于目前因特網環境中的移動IP網絡，見圖1所示。

圖1 移動Ad Hoc網絡(MANET)與移動IP

在移動IP網絡中，移動主機可以通過固定有線網絡、無線鏈路和撥號線路等方式接入網絡，而在Ad Hoc網絡中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網絡中移動主機不具備路由功能，只是一個普通的通信終端。當移動主機從一個區移動到另一個區時并不改變網絡拓撲結構，而Ad Hoc網絡中移動主機的移動將會導致拓撲結構的改變。

3 對無線多跳網絡的功率分析

現有的蜂窩網多是在一個小區中心采用全向天線進行圓周式覆蓋，由于各移動臺收發頻率相同，所以移動臺之間必須通過基站BS（Base Station）中轉才能通信。如圖2中MT（Mobile Terminal） A和MT B所示，為兩個移動臺之間的距離很近，但是距基站距離很遠的特殊情況。

而大多數情況下，移動臺是處于小區內部的，圖3描述的則是一般情況下，MT與傳統蜂窩小區基站BS的上行鏈路的單跳與布置WPs（Wireless Points）后的多跳網絡對比圖。

圖2、圖3這兩種不同情況分別進行分析如下。

3.1 MT在網絡邊緣且距離很近

如圖2所示，假設單蜂窩的小區半徑為r，MT距離最近WP的距離為a1?r(0＜a1≤1)，當兩個移動臺之間的距離 dMTi-MTj?r時，則MT A和MT B之間的通信只需要一個WP完成，則

圖2 網絡邊緣的MT之間的通信

圖3 一般位置下多跳與單跳對比圖

則多跳網絡的相對功率增益為：

3.2 MT在網絡內部一般位置

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是一個常數1，MT A和BS距離最近的無線接入點WPi和WPj的距離均為a1?d， a1與布置的WP的數目有關，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 j有關。

則多跳網絡的功率增益為

3.3 分析

圖4 MT在網絡邊緣且距離很近情況下Pms的分布函數（cdf）

圖4是在dMTi-MTj?r情況下，對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a1越小，多跳網絡的功率增益越大。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，對應的統計均值分別為-34.7dB、-9.6dB、-2.47 dB。當 a1=r的情況，將和單蜂窩的功率接近一致。而a1的大小則是由網絡中所包含的WP的數目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WPs傳輸的上行功率相對于傳統模式的功率增益，這里假定各個WP的位置是固定的，由圖可知，影響系統功率的參數主要有兩個，分別是最大跳數J和網絡中的WP數目K。而在相同跳數的情況下，隨著網絡中的WP數目越多，多跳網絡的功率增益越大，這是因為相同跳數下，WP數目越多，則通信所需距離越近，則節省功率更多。

圖5 一般位置下歸一化上行多跳功率隨最大跳數J和WP數目K的變化圖

4 小結

文章主要介紹了Ad Hoc網絡的網絡特點及其網絡特征，并針對多跳的路由選擇機制，結合無線環境對其跳數、節點數目、功率增益三者之間的關系進行了數值化分析。移動Ad Hoc網絡由于其靈活、快速組網的優勢，已經極大地融入現在社會的工作和生活中，對其性能的分析及優化，將在以后很長的時間范圍內，都將是我們研究的熱點。

[1] 王春江.基于CDMA的移動自組織網絡研究[D],北京:北京郵電大學,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）

寧學侃，工程師，2011年畢業于哈爾濱工程大學，從事遠遙外測工作，E-mail：ningxk@163.com，地址：大連市沙河口區五一路200號，116023。