Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )功率控制與跨層優(yōu)化

1 引 言

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )具有無(wú)中心、自組織、布網(wǎng)靈活、快速展開(kāi)、抗毀性強等特點(diǎn)，在移動(dòng)計算、分布式計算、搜索救援、軍事行動(dòng)、環(huán)境污染監測等許多領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。同時(shí)由于其移動(dòng)終端的能量限制等固有缺陷也給自組網(wǎng)帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò )資源(容量及功耗等)的缺乏。功率控制技術(shù)是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中的一種重要的節能策略，是降低網(wǎng)絡(luò )能耗，延長(cháng)節點(diǎn)壽命的一種非常重要的方法。AdHoc網(wǎng)絡(luò )的功率控制主要是通過(guò)調整發(fā)送節點(diǎn)的信號發(fā)射功率，在保證一定通信質(zhì)量的前提下盡量降低信號發(fā)射功率。Ad Hoc。網(wǎng)絡(luò )功率控制的意義與作用如下：

1.1 降低節點(diǎn)能耗，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命

　　在保證網(wǎng)絡(luò )連通的情況下，調整Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的傳輸功率可顯著(zhù)增加網(wǎng)絡(luò )吞吐量、減小功耗。無(wú)線(xiàn)信道對信號的衰減與傳輸距離成指數增長(cháng)，因此減小節點(diǎn)的傳輸半徑可以使發(fā)射節點(diǎn)的傳輸能量減少，大大地降低節點(diǎn)的能耗，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量消耗通?？梢苑譃榕c通信有關(guān)的能量消耗和與計算有關(guān)的能量消耗。與通信有關(guān)的能量消耗是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口所消耗的能源，即節點(diǎn)在收、發(fā)分組以及作為路由器進(jìn)行分組轉發(fā)時(shí)所消耗的能量。與計算有關(guān)的能量消耗是指節點(diǎn)在處理分組和參與網(wǎng)絡(luò )管理執行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、算法等其他任務(wù)時(shí)消耗的能量，例如CPU、內存等其他硬件，數據壓縮、前向糾錯算法等軟件(程序)消耗的能量。隨著(zhù)技術(shù)的提高和發(fā)展，計算方面消耗將會(huì )越來(lái)越小，通信方面的比例將會(huì )加大，而研究表明通信方面節點(diǎn)的發(fā)射狀態(tài)能耗最大，所以發(fā)射節點(diǎn)進(jìn)行功率控制就顯得非常重要。

1.2 提高網(wǎng)絡(luò )空間復用度

　　采用功率控制，減少節點(diǎn)的傳輸半徑可降低干擾，使同一鄰居區域內可有更多的傳輸，減小MAC層競爭沖突，提高通信質(zhì)量，提高信道的空間復用度，擴大網(wǎng)絡(luò )容量?？紤]IEEE 802.11 DCF握手機制，以他作為網(wǎng)絡(luò )MAC層協(xié)議，適當地調整控制信號和數據信號的發(fā)射功率，以節省能量。這樣因為傳輸的半徑變小，覆蓋的周邊節點(diǎn)數也變少，而且在相同的條件下，可以同時(shí)建立比IEEE 802.11標準更多的通訊對，這對于源節點(diǎn)與目的節點(diǎn)距離很近的情況非常有利，如圖1所示，信道利用率是IEEE 802.11協(xié)議的3倍。

　　現有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的功率控制技術(shù)研究主要集中在2個(gè)方面，即鏈路層的功率控制和網(wǎng)絡(luò )層的功率控制。鏈路層的功率控制主要通過(guò)MAC協(xié)議完成，根據每個(gè)分組的下一跳節點(diǎn)的距離、信道狀況等條件來(lái)動(dòng)態(tài)調整發(fā)射功率。網(wǎng)絡(luò )層的功率控制是通過(guò)改變發(fā)射功率來(lái)動(dòng)態(tài)調整網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和路由選擇，而使全網(wǎng)的性能達到最優(yōu)。鏈路層的功率控制是一種經(jīng)常性的調整，每發(fā)送一個(gè)數據分組都可能要進(jìn)行功率調整，而網(wǎng)絡(luò )層的功率控制則可在一個(gè)較長(cháng)的時(shí)間內調整一次，調整頻率較低。這兩種功率控制機制也可以結合起來(lái)應用，用網(wǎng)絡(luò )層的功率控制調整網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，而在發(fā)送分組時(shí)根據目的節點(diǎn)的遠近調整發(fā)送所用的功率。

2 MAC層的功率控制

　　MAC(Medium Access Control)層是數據鏈路層的一個(gè)子層，決定節點(diǎn)如何接入共享的無(wú)線(xiàn)信道，并負責向上層提供可靠的點(diǎn)到點(diǎn)連接服務(wù)。在MAC層，這類(lèi)協(xié)議在發(fā)送數據前都要利用控制分組RTS／CTS交換信息，控制分組的交互為功率控制提供了極大的方便，如可以在控制分組中攜帶發(fā)送功率或本節點(diǎn)的信噪比等參數，以便為對方進(jìn)行功率控制提供參考依據，進(jìn)行功率調整。最初，該領(lǐng)域的研究是在IEEE 802.11的標準上進(jìn)行的，該標準采用CSMA／CA(載波偵聽(tīng)多址接人／沖突避免)機制來(lái)預約信道以進(jìn)行報文的傳輸，一個(gè)報文的發(fā)送流程為：RTS-CTS-DATA-ACK。目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中的信道接入協(xié)議按具體的工作方式可分為單信道協(xié)議、雙信道協(xié)議和多信道協(xié)議。

2.1 單信道功率控制協(xié)議

　　MAC協(xié)議的控制分組和數據分組都在同一個(gè)信道上傳送時(shí)，稱(chēng)為單信道協(xié)議。在單信道功率控制協(xié)議中，控制分組可以用最大功率來(lái)發(fā)送，也可以根據目的節點(diǎn)的相關(guān)信息用相對較小的功率來(lái)發(fā)送。發(fā)送節點(diǎn)可以在控制分組RTS中攜帶發(fā)射功率等參數信息，接收節點(diǎn)可在CTS中向對方提供本節點(diǎn)的信噪比等信息，為對方發(fā)送數據分組時(shí)選擇發(fā)送功率提供參考依據。這類(lèi)協(xié)議是最常見(jiàn)的一類(lèi)MAC功率控制協(xié)議。

　　文獻[5]中提出的功率控制算法，發(fā)射機可從10個(gè)發(fā)射等級中選取1個(gè)值，每個(gè)節點(diǎn)都維護1個(gè)最近進(jìn)行過(guò)通信的節點(diǎn)的功率控制表，表中記錄了到各鄰居節點(diǎn)的功率參數信息，并且算法對RTS，CTS的分組頭進(jìn)行修改，加入有關(guān)功率的參數。此協(xié)議可提高網(wǎng)絡(luò )吞吐率達15％，同時(shí)還可以節省部分能量。

　　文獻[6]提出一種功率控制的多址接入PCMA(PowerControlled Multiple Access)協(xié)議，他利用功率控制的多址接入機制實(shí)現沖突避免，把信道分為一個(gè)忙音信道和一個(gè)數據信道，忙音信道用來(lái)傳輸忙音信號，數據信道用來(lái)傳輸控制分組和數據分組(因為控制分組和數據分組在一個(gè)信道傳輸，所以把他看成是單信道協(xié)議)，根據收到的控制分組的信號強度來(lái)限制隱藏節點(diǎn)和暴露節點(diǎn)的發(fā)射功率，這樣通過(guò)調節節點(diǎn)的發(fā)射功率減少相互干擾，提高網(wǎng)絡(luò )的吞吐量，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。仿真結果表明此協(xié)議在負荷較大的情況下吞吐率可比IEEE 802.11提高近一倍，而他主要問(wèn)題在于對長(cháng)距離的通信不公平，因為長(cháng)距離的無(wú)線(xiàn)通信需要更大的功率，這個(gè)功率可能被根據忙音信號所計算的發(fā)送功率上限所約束，使長(cháng)距離的無(wú)線(xiàn)通信無(wú)法達成。

2.2 雙信道功率控制協(xié)議

　　雙信道接入協(xié)議通常有一個(gè)控制信道和一個(gè)數據信道，在控制信道上傳送控制分組，而在數據信道上傳送數據分組?？刂菩诺郎系目刂品纸M一般采用最大發(fā)射功率發(fā)送，而對于數據信道上的數據分組，則根據控制信道上交互控制分組時(shí)所得到的信息用最小必須功率發(fā)送，數據信道上的ACK分組可以用最小必須功率發(fā)送，也可以用最大功率發(fā)送。文獻[7]提出的一種基于雙忙音信道功率控制機制和文獻[8]提出的功率控制雙信道(Power Controlled Dual Channel，PCDC)協(xié)議都是雙信道接入的功率控制協(xié)議，仿真結果表明他們的節能效果也很明顯。

2.3 多信道功率控制協(xié)議

　　當協(xié)議使用一個(gè)控制信道和多個(gè)數據信道時(shí)稱(chēng)為多信道協(xié)議。多信道接入協(xié)議中，控制分組RTS和CTS都在控制信道上傳送，數據分組和ACK在由多信道協(xié)議所決定的數據信道上傳送。當節點(diǎn)沒(méi)有數據要發(fā)送時(shí)，則需有一個(gè)收發(fā)機停留在控制信道，以監聽(tīng)其他節點(diǎn)之間交互的控制分組。收發(fā)兩端通過(guò)交互控制信息可在多個(gè)數據信道中選擇一個(gè)合適的信道，并在切換到所選定的數據信道后發(fā)送數據分組及ACK。多信道的好處是在同一時(shí)刻，在同一通信區域內可以有多對節點(diǎn)在不同的信道上進(jìn)行同時(shí)通信，在網(wǎng)絡(luò )負荷大時(shí)比單信道協(xié)議有更高的網(wǎng)絡(luò )吞吐率。

　　文獻[9]提出的一種多信道功率控制協(xié)議DCA-PC(Dynamic Channel Assignment with Power Common)將信道分配、媒體接入和功率控制等問(wèn)題結合起綜合考慮?？刂品纸M及廣播分組在控制信道上用最大功率發(fā)送，而數據分組和ACK則在數據信道上用最小必須功率發(fā)送?？刂菩诺赖淖饔檬怯脕?lái)分配數據信道并且解決使用數據信道時(shí)的潛在沖突。協(xié)議對信道總數的需求與網(wǎng)絡(luò )拓撲和節點(diǎn)密度無(wú)關(guān)，并且適合在節點(diǎn)密度大的環(huán)境中使用，也無(wú)需時(shí)鐘同步機制，網(wǎng)絡(luò )吞吐率比較高。

3 網(wǎng)絡(luò )層的功率控制

　　網(wǎng)絡(luò )層的功率控制是通過(guò)調整發(fā)射功率動(dòng)態(tài)改變網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和路由選擇，進(jìn)而使全網(wǎng)的性能達到最優(yōu)。網(wǎng)絡(luò )由于其使用環(huán)境的特殊性，節點(diǎn)分布的密度有時(shí)是無(wú)法預料的，這就需要一種機制來(lái)自動(dòng)調節節點(diǎn)的發(fā)射功率，使其能夠根據節點(diǎn)的分布情況自動(dòng)調節發(fā)射功率。發(fā)送功率大，通信距離就遠，分組平均轉發(fā)的次數就少，但這樣會(huì )使信道的空間復用度降低，使每個(gè)節點(diǎn)的有效帶寬減小。而減小發(fā)射功率，能提高信道的空間復用度，增大節點(diǎn)的有效帶寬，但分組的平均轉發(fā)次數要增多，使信道的時(shí)間利用率降低。發(fā)射功率的選擇，需要在分組平均轉發(fā)次數與信道空間復用度之間進(jìn)行折中，也即通過(guò)功率控制選擇基于能耗的路由，達到節約能量和提升網(wǎng)絡(luò )效能的目的。與MAC層的功率控制相比，網(wǎng)絡(luò )層的功率控制調整頻率應相對較低，這樣可以避免頻繁的拓撲變化產(chǎn)生分組延遲以及路由失效而導致重新選路，減小網(wǎng)絡(luò )的負載。

　　文獻[10]提出了一種在節點(diǎn)位置已知、所有節點(diǎn)都用同一發(fā)射功率的條件下計算構成全連通網(wǎng)絡(luò )所需發(fā)射功率最小值的集中式動(dòng)態(tài)功率控制算法。當網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)生變化時(shí)，可使用此算法獲得構成全連通網(wǎng)絡(luò )所必須的最小發(fā)射功率。通過(guò)采用此方法，在提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量的同時(shí)，也降低了能量的消耗。文獻[11]中提出的COMPOW(Common Power)協(xié)議能根據網(wǎng)絡(luò )拓撲選擇一個(gè)供網(wǎng)絡(luò )內所有節點(diǎn)共同使用的發(fā)送功率。網(wǎng)絡(luò )內所有節點(diǎn)使用同一發(fā)送功率的好處是，他能保證鏈路的雙向連通性，即如果節點(diǎn)A發(fā)送的分組能夠被B正確接收到，則B發(fā)送的分組也能夠被A正確接收到。

4 混合功率控制與跨層優(yōu)化

　　在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，功率控制對各個(gè)協(xié)議層均有重要的影響，因此是典型的跨層優(yōu)化問(wèn)題，適于采用跨層優(yōu)化以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò )性能指標?？鐚觾?yōu)化通常有2種方式：一是利用在其他協(xié)議層所獲得的信息來(lái)改進(jìn)本層的協(xié)議，典型的情況是低層的信息反饋給高層；二是將幾個(gè)協(xié)議合并成一個(gè)，如何將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的MAC層、路由層甚至傳輸層捆綁到一個(gè)協(xié)議中。網(wǎng)絡(luò )層與鏈路層相結合的功率控制算法即混合控制，主要策略是在網(wǎng)絡(luò )層運用基于能量耗費的路由選擇算法，在鏈路層采取相應的功率控制策略。

　　文獻[12]提出了一種PARO(Power-Aware RoutingOptimization)協(xié)議，PARO協(xié)議根據一組路由上每一跳的發(fā)送功率作為參考標準，在一對節點(diǎn)之間選擇一條總能耗最低的路由；即使某兩節點(diǎn)間可以直接通信，但如果通過(guò)一個(gè)中間節點(diǎn)轉發(fā)能耗更小，則仍然選擇經(jīng)過(guò)中間節點(diǎn)轉發(fā)的路由。而在鏈路層，控制分組用最大功率發(fā)送，數據分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，傳統的路由協(xié)議往往以最少跳數作為路由設計的指標，這種算法往往導致節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)要用較大功率發(fā)送，因此PARO協(xié)議通過(guò)盡可能多地使用轉發(fā)節點(diǎn)來(lái)減小每一跳發(fā)送時(shí)的功率，使通信過(guò)程中的總能耗最小。PARO是一種按需機制的協(xié)議，并不事先主動(dòng)維護路由，只是當節點(diǎn)需要時(shí)才啟動(dòng)路由發(fā)現過(guò)程，由此來(lái)減少路由發(fā)現過(guò)程中的能量消耗。PARO是一種最小能量路由算法，與其他路由算法相比，此協(xié)議是以能耗作為選擇路由的指標(Metric)。仿真的結果顯示，PARO要比固定發(fā)射功率的路由算法節能60％以上，在節點(diǎn)移動(dòng)不太快的情況下，網(wǎng)絡(luò )性能也較穩定，網(wǎng)絡(luò )吞吐量沒(méi)有明顯的下降。

　　SIMPLE／PARP是一個(gè)早期的基于IEEE 802.11的功率控制與跨層優(yōu)化的協(xié)議：其MAC層采用SIMPLE-對于控制報文RTS／CTS以最大傳輸功率發(fā)送，數據與確認報文DATA／ACK以所需的最小傳輸功率發(fā)送；網(wǎng)絡(luò )層則采用PARP路由協(xié)議一其路由的度量與能量值有關(guān)。雖然SIMPLE／PARP可顯著(zhù)降低功耗，但其代價(jià)是網(wǎng)絡(luò )吞吐量的下降和報文延時(shí)的增加。隨后的PARO協(xié)議將主動(dòng)式路由協(xié)議PARP改進(jìn)為按需路由協(xié)議，但他們在預約信道時(shí)均采用全網(wǎng)統一發(fā)送功率的策略。

　　在文獻[14]中，提出了一種分布式基于位置信息的拓撲控制算法，算法包括2個(gè)階段：第一階段利用位置信息建立并配置鏈路，第二階段節點(diǎn)應用以功耗作為度量指標的分布式Bellman-Ford最短路徑算法找出最優(yōu)鏈路。該協(xié)議需要節點(diǎn)配備有GPS(全球定位)系統。在文獻[15]中，通過(guò)調整發(fā)射功率來(lái)保證網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在其每個(gè)2π／3的扇區內均至少有1個(gè)鄰居節點(diǎn)，該方案需要節點(diǎn)增加額外的硬件以支持節點(diǎn)對方向信息可用性的確認。由于以上算法都采用CSMA／CA機制來(lái)接入、預約共享無(wú)線(xiàn)信道，因此都無(wú)法完全避免由于隱藏終端／暴露終端對于網(wǎng)絡(luò )性能的顯著(zhù)惡化。

　　要消除隱藏終端／暴露終端問(wèn)題，就必須改變其MAC層的信道預約方式，于是一類(lèi)稱(chēng)為干擾感知的MAC層協(xié)議出現了。該類(lèi)協(xié)議通過(guò)廣播CAI(沖突避免信息)來(lái)界定鄰近節點(diǎn)的傳輸功率。公式：SINR(i，j)=P(i，j)／(∑P(i，j)+ηj)，表明節點(diǎn)j接收到節點(diǎn)i發(fā)送的報文時(shí)信噪比。通過(guò)設定一個(gè)SINR門(mén)限，發(fā)送節點(diǎn)就可以防止鄰近的節點(diǎn)干擾正在進(jìn)行的報文傳輸。由于在干擾門(mén)限內，允許鄰近節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據，因此增大網(wǎng)絡(luò )吞吐量并減少了信道競爭所帶來(lái)的排隊延時(shí)。PCMA協(xié)議中每個(gè)接收節點(diǎn)通過(guò)發(fā)送忙音脈沖來(lái)通告其干擾的門(mén)限。仿真表明該協(xié)議的吞吐量是IEEE 802.11的2倍。然而該協(xié)議沒(méi)有利用跨層優(yōu)化將路由協(xié)議一起捆綁進(jìn)來(lái)，且存在忙音之間的信道競爭問(wèn)題。PCDC協(xié)議強調MAC層與網(wǎng)絡(luò )層的相互聯(lián)系：通過(guò)調整RREQ報文的發(fā)射功率，MAC層間接影響了網(wǎng)絡(luò )層對下一跳路由的選擇。PCDC將可用帶寬分為2個(gè)頻率獨立的信道分別用于傳輸控制報文與數據報文，其中CAI被插入CTS報文中并以最大功率發(fā)送，節點(diǎn)收集所得的信息用于建立一個(gè)能量有效的鄰居節點(diǎn)子集，節點(diǎn)的RREQ報文以維持該子集所需的最小功率來(lái)發(fā)送。這樣做的好處是減少功耗、限制子集內報文的廣播以增加吞吐量、降低設計的復雜性并減少開(kāi)銷(xiāo)。仿真表明PCDC可獲得可觀(guān)的吞吐量改善及功耗開(kāi)銷(xiāo)的下降。然而沒(méi)有考慮隨著(zhù)跳數增加而導致的處理及接收功耗的相應增大。許多新技術(shù)相繼應用到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的功率控制設計中：如文獻[17]中將分群(cluster)技術(shù)引入功率控制方案中，而文獻[18]則采取聯(lián)合調度與功率控制的方案。

5 結 語(yǔ)

　　功率控制是一個(gè)典型的跨層優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)良的功率控制設計方案能有效減少Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的功耗、增加網(wǎng)絡(luò )吞吐量、增大報文發(fā)送率。功率控制對于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )性能的提高有顯著(zhù)的影響，但功率控制中采用跨層優(yōu)化能帶來(lái)多大的性能改善尚需進(jìn)一步的量化。功率控制方案的有效設計，關(guān)鍵在于如何說(shuō)明協(xié)議棧各個(gè)層之間的互相關(guān)系。新技術(shù)的不斷引入也給功率控制的研究帶來(lái)新方法與新方向。一些值得關(guān)注的研究課題有：干擾感知的功率控制方案的實(shí)用性及設計假設尚待評估，如PCDC假設控制信道與數據信道具有同樣的信道增益，但控制報文長(cháng)度遠小于數據報文，其在相同無(wú)線(xiàn)信道情況下，傳輸控制報文的成功率將大于傳輸數據報文；現存的標準和硬件間的兼容性問(wèn)題；傳輸功率控制與動(dòng)態(tài)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡機制的結合問(wèn)題；定向天線(xiàn)技術(shù)的引入；基于CDMA組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )功率控制方面的研究；對傳輸功率控制的多速率支持。