对Adhoc网络功率控制协议的研究与改进.docx

1、对Adhoc网络功率控制协议的研究与改进对Adhoc网络功率控制协议的研究与改进 航天制造技术xx?4月第2期33对Ad?hoc网络功率控制协议的研究与改进西安电子科技大学机电工程学院杨洁李红艳摘要通过对前人提出的功率控制协议做了深入地分析，指出每种方法的优缺点。 将功率控制引入802.11协议，提出了一种双信道协议，改善了引入功率控制带来的隐藏节点问题。 仿真结果证明，所提出的双信道协议达到了节省功率和提高网络容?的双重目的。 关键词802.11协议Ad?hoc网络双信道功率控制1引言802.11协议是当前所使用最广泛的一种无线局域网协议。 但802.11协议主要是为单跳网络设计的，并?十分

2、适用于多跳的Ad?hoc网络。 本文根据802.11关于功率方面协议的发展情况，介绍了3种对功率的改进方法，并分析了每种方法的优缺点。 文献1提出了基本的功率控制协议RTS/CTS使用最大功率，而数据包和应答包（DATA/ACK）的发射功率大小则使用所需要的最小功率，这样就能达到节省耗能的目的。 而这样会使原先在载波侦听环带中的节点侦听?到DATA/ACK，从而可能会与正在发射的DATA发生冲突。 为了解决隐藏节点问题，文献1提出了基本的功率控制协议PCM。 PCM与基本功率控制协议的方法相似。 唯一?同的是PCM机制在节点发送DATA时，周期性地将发射功率增到最大，使在载波侦听环带范围内的节

3、点能够侦听到DATA信号，延迟发送，避免冲突。 解决了隐藏节点问题。 但是PCM机制只能够节省功率，网络容?没有提高。 文献2提出了一种根据信噪比复用信道的改进方法。 这种方法是在CTS包中加入SINR和P R两个信息，收到RTS的节点设置自己的NAV，与802.11协议一致。 收到CTS的节点?都设置自己的NAV，而是根据CTS中的SINR来估计自己的传输对正在传输的节点的影响。 假设A与B正在通信，A向B发送RTS,B返回一个CTS。 如图1，大圆是RTS的影响范围，半径为R；小圆是CTS和DATA/ACK的影响范围，半径为r。 d为源节点A与目的节点B之间的距离。 这样虽然可以复用信道，

4、但是这样会带来与基本的功率控制协议相同的隐藏节点问题。 图1节点A与B通信时的覆盖范围2对前人工作的总结功率控制具有节省耗能和提高网络容?的双重作用，但是单信道的功率控制协议很难将这两个作用同时发挥出来。 因为如果要节省能?，减小所有报文的发射功率，那么虽然这样在相同大小的空间内，在同一时间内将会建立比较多的通信对，会提高信道利用率，增大网络容?，但是势必要将RTS/CTS的发射功率减小，使得每个节点单跳所能到达的节点数会变少，导致有些原本可以建立连接的节点在减小发射功率后无法建立连接，造成网络的连通性变差甚至网络分割。 这样做?仅破坏了无线网络的?扑结构，而且会造成某些节点之间永远无法通信，

5、极大地破坏了网络的性能。 所以在单信道中使用将控制信息的功率减小xx-03-02xx?4月第2期航天制造技术34的做法是?可?的。 但是在Ad hoc网络中，节点靠自身携带的能源进?通信，生存时间较短。 为了尽?延长网络的生命周期，必须使用功率控制机制，减小?必要的功率损耗。 但前面又提到?能减小控制信息的功率，那么只能减小数据包的发射功率了。 而数据包的发送过程一般来讲在整个发送过程中所占的比重最大，减小它的发射功率对于节省能?也是一种最为有效的方法。 但是一旦减小数据包的发送功率，就会像基本功率控制协议那样，原本在载波侦听环带内的一部分节点都会成为发送节点的隐藏节点。 这样会大大增加冲突概

6、率，导致重发，加大网络的时延，降低网络的性能。 改进的方法是PCM功率控制协议。 它在基本功率控制协议的基础之上周期性地增大数据包的发送功率，使得原本在载波侦听环带内的节点侦听，避免成为隐藏节点。 然而如果采取了该项措施，系统的容?则无法提高。 而且在讲?终端问题时提到，单信道无法解决?终端问题，使得信道资源白白浪费，也无法解决信道复用和报文冲突之间的矛盾。 3协议的设计根据以上的分析，单信道的功率控制协议有种种无法解决的问题，必须加以改进。 我们在协议中使用了两条信道控制信道和数据信道。 控制信道用来发送RTS和CTS分组，数据信道用来发送数据。 RTS分组始终以最大功率发射,CTS分组和数

7、据分组采用自适应算法，根据实时的信道衰?状况和噪声大小以?同功率发射。 自适应算法描述如下RTS使用最大功率，而CTS/DATA/ACK使用所需要的最小功率，这样达到节省耗能的目的。 假设节点A想给B发包，使用最大功率Pmax发射RTS，B接收到RTS时的功率大小为Pr，B根据Pmax和Pr算出发射CTS/DATA/ACK所需要的最小功率Pd。 Pd=Pmax/PrRxthresh Rxthresh为信号能够到达的门限。 如果某数据信道已经有一对节点正在使用，只要本节点所需使用的功率大小?会与它们发生冲突，则两对节点可以同时使用此数据信道。 该协议对信道总数的需求同网络?扑和节点密度无关，并且

8、适合在节点密度大的环境中使用，无需时钟同步机制。 当一个节点在接收数据帧时,如果又接收到RTS,它也在控制信道上发射RES信号。 因为RTS、CTS、RES与数据帧?在同一个信道上传输，所以它们?会干扰数据帧的正常接收。 具体的实现方法为a.A首先在控制信道以最大功率Pmax向B发RTS，B根据Pmax和接收到的RTS的功率大小Pr算出一个合适的功率Pd，返回A。 A再以功率Pd发一个R ES，收到C TS的节点设置自己的NAV=T curr+(T DIFS+3T SIFS+T RES+T DATA+T ACK)，收到RES的节点设置自己的NAV=T curr+(T DIFS+2T SIFS+

9、T DATA+T ACK)；b.在数据信道，A以功率Pd发送数据包DATA，B以相同的功率返回ACK，传输过程结束。 为了建立这个协议模型，我们做了以下3个假设a.数据信道和控制信道的增益相同；b.信道两端的增益相同，即源节点与目的节点的增益相同；c.在整个传输过程中，信道的增益?变。 3.1协议所解决的问题这样设计协议，因为它能够避免或减轻单信道功率控制协议带来的各种问题。 3.1.1解决了网络连通性问题RTS使用最大功率发射，是为了保证源节点和目的节点能够顺利地建立连接，?会使网络的连通性变差。 3.1.2解决了节省耗能和提高容?无法同时满足以及?终端的问题目的节点使用自适应算法算出应当返

10、回的CTS的大小。 该值保证了CTS既能够成功地被源节点接收，还?浪费能?。 这样做使得只在CTS需要的范围内的节点保持静默，设置自己的NAV，而其余?必要的节点可以自由通信，?受约束，达到了复用信道的目的，提高了网络容?。 而加入一个控制信息RES的目的也在于此，使用一个大小合适的功率，告知源节点周围的节点需要静默的范围。 这样做也能极大地缓解?终端问题。 在无线信道中，节点发送报文没有方向性，都是以广播的形式发送，所以?终端问航天制造技术xx?4月第2期35题无法完全避免。 但?终端与RES、CTS的发射半径有关，发射半径越大?终端问题越严重。 我们减小RES、CTS的发射功率就是减小发射

11、半径，所以能够缓解?终端问题。 3.1.3解决了隐藏节点问题为?么一定要用双信道呢？这是因为RTS是用最大功率发射的，而其他的报文都是使用合适的较小功率。 如果是单信道的话，会造成基本功率控制协议中所阐述的控制信息与数据包相互冲突的情况，也就是隐藏终端问题，所以要采用双信道。 控制信息和数据包都在各自的信道上传输，互?干扰，这样就能够避免冲突。 3.2协议的性能分析及仿真验证通过仿真和分析，看看双信道协议的性能指标到底如何?3.2.1对所需功率大小的分析当接收功率的门限值一定时，发射功率与源节点和目的节点之间的距离r2成正比。 也就是说，距离越大，所需要的发射功率越大；而距离越小，相应的所需要

12、的发射功率也就越小。 设两节点之间使用最大功率Pmax能够正确接收的最大距离为R。 当r=R/2时，所需要的发射功率只有Pmax的1/4；当r=R/3时，所需要的发射功率只有Pmax的1/9。 当然这是在没有考虑信道噪声的情况下。 但这也充分说明了在两节点之间距离较短的情况下，是完全?必要使用最大发射功率的。 设两节点之间的最大通信距离为R，节点间的距离服从概率中的均匀分布。 所谓均匀分布是指设x在区间(a,b)上服从均匀分布，其概率密度为1,()0,a xbf xb a? 我们分析一种最简单的模型假设节点均匀分布，之间的距离都为R/2。 我们来总结一下规?现在的一跳是原来一跳距离的1/2，所

13、以现在一跳消耗的功率是原先的1/4。 现在两跳的节点原先一跳就可以到达，所以消耗的功率为1/4+1/4=1/2。 现在三跳的节点原先需要两跳，所以消耗的功率为1/2(1/4+1/4+1/4)=3/8。 我们发现规?是偶数跳时，现在消耗的功率总是原先的1/2。 奇数跳时，现在消耗的功率是原先的n/2(n+1)，n是跳数。 下面我们用Matlab进?仿真验证。 场景是一个500m500m的空地。 如图2仿真结果显示，使用功率控制机制后确实可以大大减小功率。 但由于节点之间的距离大小是随机的，所以仿真结果是10次仿真的平均值。 跳数图2802.11协议与功率控制协议所消耗功率的对比3.2.2对信道使

14、用率及网络容?的分析这种协议使用了2个信道，是否是一种浪费呢？如果其网络容?达到单信道协议的2倍，就?会对信道造成浪费。 根据上面的分析，我们设计一个图3的场景假设所有的节点均匀分布且它们的间距都是R/2。 图3对均匀分布的节点的容?分析所用功率/mvxx?4月第2期航天制造技术36当节点A与节点B通信时，B发送报文时C可以听到。 意思是B的报文可以到达C。 也就是C发送的报文能够到达B。 所以此时C必须保持静默，否则会与B冲突。 而与C相邻的节点D也?能通信。 因为D与B的报文会同时到达C，发生冲突。 而E和F?受影响，可以自由通信。 相同的道?，K和L也能够同时通信。 如图3所示，在我们使

15、用功率控制机制以后，可以有4对节点同时通信。 而在没有使用功率控制机制时，所有节点之间都使用全功率。 A向B发射的功率能够直接到达C，此时D、E、F全都要保持静默，否则会与最大功率发生冲突。 所以在没有使用功率控制机制时，图3中只有A、B一对节点能够通信。 而且我们只分析了1/4的面积。 当节点A处于中心位置时，原先只有一对节点通信的区域现在就能够有10对以上的节点同时通信。 所以虽然我们使用了2条信道，但网络容?提高了10倍，说明这是一种比较好的方法。 当然我们分析的是一种比较?想的情况。 但这也足以说明这种双信道协议的优势。 图4802.11协议与功率控制协议网络容?的对比如图4的仿真结果

16、显示，802.11协议在节点数增大到一定值时，能够同时通信的节点数并?再增加。 这是由于802.11协议恒定的最大发射功率使得在一对节点进?通信时，周边的很多节点都要保持静默，无法通信。 而我们的自适应功率控制机制只用所需要的功率大小。 可以看出，节点越密集的时候功率控制机制的优势越明显。 从仿真结果看，在节点数达到50时，双信道协议比802.11协议的网络容?提高了4倍。 但实际远远达?到这个值。 因为无线信道的环境十分复杂，使得信道的性能并?稳定，所以限制无线信道的网络容?的因素很多。 而我们的仿真环境将无线信道看作了一种比较稳定的信道。 这种方法要求每个节点能够同时收发两种?同频率的报文

17、一种频率是控制信息RTS/CTS/RES，另一种频率是数据包和ACK。 这对硬件的要求比单信道协议高，会增加网络的成本。 4结束语本文着?与对Ad?hoc无线自组织网络信道接入层的功率控制协议的研究。 对前人提出的功率控制协议做了深入地分析，指出每种方法的优缺点，以及对我们工作的启示。 但是单信道功率控制协议有其自身的局限性，无法解决隐藏终端、?终端等问题，而且很难既节省功率又提高网络容?。 而我们提出的一种双信道协议较好地解决了这些问题。 参考文献1Jung,Eun-Sun(Dept.of ComputerScience,Texas Aand MUniversity);Vaidya,Niti

18、n H.A PowerControl MACProtocol forAd HocNetworks.Source:Proceedings ofthe AnnualInternational Conferenceon MobileComputing andNetworking,MOBI,xx36472How tooutperform IEEE802.11:Interference Aware(IA)MAC11D.Maniezzo,P.Bergamo,M.Cesana,M.Gerla.How tooutperform IEEE802.11:Interference Aware(IA)MAC.IFIP MedHocNetxx,Mahdia,Tunisia,June，xx2527.3J.Li,C.Blake,D.D.Couto,H.Lee,and R.Morris Capacityof adhoc wirelessworks.In ACMMobiCom01,Julyxx作者简介杨洁（1979-），女，陕西西安人，硕士研究生；研究方向Ad?hoc信道接入层的功率控制协议。 内容仅供参考