無線自組網功率優化問題研究

雍巍

摘 要：無線自組網采用了網絡狀的拓撲結構，使得它可以進行多跳通訊，可實現網絡自組織化。本文作者針對無線自組網的發送速率與發送功率之間相互影響的特點，從網絡吞吐率與每比特平均能耗的角度研究了特定網絡的發送速率與發送功率之間的平衡點，并進行了仿真分析。證明了對于一個特定的多速率與多功率無線自組網絡，是存在一個最優發送功率或一個較優的發送功率區間，網絡內的節點以該功率或功率區間發送分組時，可以得到最小的每比特平均能耗，同時網絡仍然可以保持較高的吞吐率。

關鍵詞：無線自組網；多功率；每比特平均能耗；吞吐率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.205

1 緒論

無線自組網絡（Wireless Ad Hoc Network）簡稱Ad Hoc 網絡，其可以看作是移動通信與電腦網絡結合的一種新型網絡形式。該網絡支持多跳通訊，可以實現臨時性的自我管理。網絡中任意兩個節點可以通過不同的路徑經過多跳來實現連接，因此具有很強的魯棒性和抗毀性。多跳，自組織，無固定的基礎設施是Ad Hoc網絡的最重要的特點。

信道接入控制（Medium Access Control，MAC）協議處在通訊網絡協議棧軟件的最底部，運行在物理層之上，它決定什么時候發送其分組，而且通常控制對物理層的所有訪問。其性能的好壞會影響整個網絡的表現。在多跳網路中的協議設計時遇到的一個十分重要的問題就是如何避免碰撞，因為衡量一個網絡性能的最重要的指標就是其吞吐率，而碰撞恰恰是影響吞吐率最重要的因素。可以說，避免碰撞的思想貫穿于“多跳”分布式網絡MAC協議演化的始終。無線自組網絡的信道接入控制技術的演化與發展走過了一個從單信道到雙信道再到多信道的過程。與此同時，多速率技術（又稱速率自適應技術）和功率控制技術也被引入信道接入控制協議中。

2 基于多速率、多功率的MAC協議的無線自組網功率優化

2.1 速率自適應技術

無線自組網中的速率自適應技術簡單的說就是對傳輸速率不斷進行動態地調整，找到最合適在當前信道條件下的傳輸速率，從而使網絡能一直保持在最大的吞吐率狀態。速率自適應技術的核心是及時地獲取能夠實時反映信道狀態的信息，做出評估，并在這個基礎上做出速率選擇。

我們知道，信噪比與誤碼率之間呈反比關系，信噪比越差就越難重現原始信號；如信噪比不變，我們采用越高的速率發送數據，接收端出現的誤碼率就越高。而發送速率越大，理想情況下吞吐量也越大，但也越容易受到信道噪聲的干擾，增大誤碼率；速率越低，理想情況下吞吐量越小，但傳輸的距離越遠。由此可知，速率自適應技術實際上可以有兩個優化的目標：以提高吞吐量為優化目標和以節省能量為優化目標。本文討論如何在保證高吞吐量的情況下盡可能地節省能量，即將成功發射單位比特信息量所消耗的功率盡可能降低。目前比較典型的多速率MAC協議有：（1）ARF協議。ARF（All Rate Fallback）協議支持多速率并被廣泛使用。ARF協議主要是通過統計信息進行判斷，若一段時間內數據成功率高，就提速發送，否則就降速；（2）RBAR協議。RBAR（Received-Based Auto Rate）協議的宗旨是由接受節點通過判斷來告知發送端要采用什么速率進行發送。RBAR協議基于IEEE802.11，因而易于實現，代價很小。

2.2 功率控制技術

功率控制技術的目的之一當然是為了節省能量，因為節省能量對于無線自組網絡非常重要。功率控制問題是指在無線通信中節點發送分組要選擇最恰當的功率。這里講的是恰當的功率，并不是功率越小越好。這是因為所選擇的功率不僅要能成功完成發送分組的任務之外，還要兼顧網絡的聯通性、拓撲結構以及吞吐率等諸方面。

網絡層功率控制需要從整個網絡的拓撲結構來考慮，通過改變各個節點的發送功率來影響具體的通信路由，使得整體網絡的性能達到最優。但是對與組織網來說，我們很難預判節點的分布狀況。因而我們需要引入一種機制，讓系統能依據節點的分布自動進行優化，控制好節點的發送功率。如果增加發送功率，可以獲得更大的覆蓋范圍，節點跳轉的次數也就相應可以減少，造成系統的聯通新得到改善。但是這可能造成信道的空間復用度降低，反而拖累了整個網絡的吞吐率。反之如果降低發送功率，信道的空間復用度可以得到改善，但通訊覆蓋范圍降低，通訊的跳轉次數可能會提高，連通性會變差，通訊延時也會增加。所以，在選擇發送功率時，其實我們必須在跳轉次數和空間復用度之間進行有偏向的取舍。

一般來說，功率與信噪比之間在數量上是一種線性的關系，于是我們可以得到啟示：（1）既然不同的速率有相應于自己的信噪比門限，而由于信噪比與功率之間有著線性關系，則每一個信噪比門限值就會有一個相對應的功率“門限”；（2）既然吞吐量—信噪比圖中的相應于一定速率的曲線會出現一個“平臺”（最大吞吐量），在這段“平臺”中，吞吐量隨著信噪比的增加基本不變，那么相應地在吞吐量—功率圖中也應該出現類似的“平臺”（最大吞吐量），功率進一步增大，吞吐量基本維持不變。

所以，我們可以直接從功率出發，研究吞吐量與功率的關系，試圖找出吞吐量高、且發送單位比特能量最省的發送功率，從而對多速率、多功率的MAC協議進行性能分析與優化。

2.3 仿真與結果分析

GloMoSim是并行可擴展離散事件仿真環境，適合在無線網絡協議仿真中使用。本文在GloMoSim現有的IEEE 802.11 DCF協議的基礎上進行仿真與研究。選用RABA協議作為研究對象。我們根據朗訊的Orinoco系列無線網卡的標準設計收、發機的模型及性能參數，設定發射功率為3dBm。

仿真配置1： 兩個節點，距離800m，業務為CBR，發包大小1024byte，發包間隔1ms。

分析：節點間距加大時，吞吐量隨發送功率變化圖的規律基本沒變，但平均能耗隨發送功率的變化有較大的差異。出現跳躍點處的位置沒變，但“平臺”沒有了，出現了隨著發送功率逐漸增加其平均能耗也隨之增加的情況。相應于吞吐量出現的四段“平臺”，其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始處。而這四個值中最小的一個，不再是最右端的那個，而是倒數第二個。這說明，并不是總是用最大的速率發送分組能耗最小。

而當我們將間距增加到1200m的時候，隨著速率的提升，其吞吐量仍然維持原先的變化規律，但平均能耗雖然仍然保留了在距離800m時的分段上的上升趨勢，但最小的能耗點卻再次前移。實際上，此時如能確保使用最低速率發送分組時的發送功率，其平均能耗最低。

上述研究表明：在RBAR的基礎上引入功率控制，對于最簡單拓撲（兩個節點），在距離相對較小的時，多速率傳輸和能耗控制，存在一個最優點，使得吞吐量比較大，且平均能耗最小。在兩點相距400m時，這個最優點在相對于最高速率的最左端。當距離較大時，最優點向左移動。在距離為1200m時，則要用最低速率傳輸，此時平均能耗最小。

仿真配置2： 16個節點，Grid分布，格點距離400m，路由使用主流的動態源路由（DSR）業務類型CBR，隨機分配五條流。發包大小1024byte，發包間隔1ms。

分析表明，在多個節點的情況下，隨著發送功率的增加，吞吐量總的呈上升趨勢，但出現的“平臺”變窄，數量變多。在節點變多、傳播范圍變大的情況下，發送功率的加大可使其覆蓋范圍變大，影響了網絡的拓撲結構和路由選擇；周圍節點的增多也增加了干擾。所有這些因素造成了吞吐量的變化規律發生了改變，但總的趨勢沒有變。圖2中，曲線的最后出現了上升的趨勢。這表明仍然存在有一個最佳大小的功率，能使網絡的平均能耗達到最小。

上述研究表明，對于一個多速率、多功率的網絡，一定存在一個確定的發送功率或功率區間，用此大小的功率或功率區間發送分組，可以得到最小的平均能耗。當然，問題并不那么簡單，結合功率控制和多速率MAC協議的主要目標就是做到二者兼顧，在相互制約的前提下找到合適的折中。

3 總結

本文直接從發送功率出發，研究了在不同網絡拓撲和不同速率情況下網絡吞吐量隨發送功率的變化規律。研究表明，對于一個多速率、多功率的網絡，一定存在一個確定的發送功率，用此大小的功率發送分組，可以得到最小的平均能耗。而當網絡節點數變多，網絡拓撲較為復雜的情況下，其變化規律發生了改變。這說明功率因素對網絡性能的影響確實是多方面的。今后要對各種更為復雜的網絡拓撲進行仿真，以進一步探討其間有無規律可循。

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