一种移动自组网动态功率控制方法

卢冬梅

(武汉船舶职业技术学院实训中心,湖北武汉 430050)

在移动自组网(MANET)中,各节点长期分布式独立运行,所携带的能量有限,因此如何选择合适的功率进行数据传输,有效地使用节点能量,延长网络的寿命,就成为研究中的一个重要问题,它涉及到MANET协议栈的各个层。MANET功率控制的主要目标包括:降低节点的能耗,延长节点和网络的寿命;调整节点的发射功率,减少对邻节点的干扰,提高网络的吞吐量。本文提出一种交互式的链路层功率控制方法(记作IMACTPC),在通信过程中监视接收信号功率强度,动态、对称地调整发送功率,在保证通信质量和网络性能的前提下,节省发送功率,提升网络的可用性。

1 无线信道与信号功率

1.1 无线信道的传播特性

在无线信道中,反射、折射的影响不可忽略,在距离上存在信号能量的衰减,一般采用双线地面(Two-Ray Ground)传播模型[1]来描述真实环境下的信道衰落特性。在图1中,存在从发送方到接受方的一条直射路径,和一条由地面反射到接收方的反射路径,其中信号总强度ETOT由直射信号强度ELOS和反射信号强度Er叠加形成。

图1 双线地面传播模型示意图

此传播模型的接收功率用公式1表示。

其中Pt、Pr分别是发送功率和接收功率,Gt、Gr分别是发送天线和接收天线的增益,d为传输距离,ht、hr分别是发送方和接收方的天线高度。

此外在城市地区,电波经反射、散射到达接收端时,分解为通过各个路径到达的多个散射分量,各个分量具有不同的相位,可能在某处各分量强度叠加,而相邻很近的位置各分量强度彼此消减,因此在很短的距离内,信号强度可能发生很大的突变,这种效果被称为Rayleigh衰落[1],严重时会造成临时的链路断裂。

1.2 节点的功率级设定

根据公式1,取ht=hr=1.5 m,Gt=Gr=1,Pr等于正确接收数据包所需最小功率RXThresh(3.652×10-10W),得出网络节点在不同通信半径内正确传送数据包所需的最小Pt,并设定不同的功率级如下:

1)第1级,Pt=0.01 W,最大通信半径109 m;

2)第2级,Pt=0.1 W,最大通信半径193 m;

3)第3级,Pt=1 W,最大通信半径343 m。

对于典型的Ad hoc网络应用,如汽车网络、野战集群,节点在数秒时间内就会产生几十米到上百米的位移,而在这么大的通信半径变化范围内,对应功率级的Pt会相差约一个数量级,如果一直采用固定的Pt,就不能适应传输距离变化的影响,距离较小时Pt相对过大会造成能量浪费,距离较大时Pt又会显得不足。采用分级功率调节技术能够节省能耗并提升网络性能。当通信距离减小时,可通告对方及自己降低Pt以节能,并减小对其它节点的干扰;当通信距离增大时,通告对方及自己适当增大Pt可保持通信连接的稳定,避免因信号强度过小所带来的重新选路和连接等过程。

2 IMAC-TPC功率控制原理与算法

2.1 基于802.11协议的功率调控信息设置

在基于802.11协议[2]的MANET中,发送方通过发送RTS(Request to send)数据包向接收方请求建立连接,并独占无线信道,接收方回复CTS(Clear to send)数据包确认无线连接,之后进行data数据包的传输,对成功接收的data数据包,接收方需回复ACK(Acknowledgement)数据包进行确认,其它节点则在RTS及CTS设定的NAV时间段内等待信道空闲。具体流程如图2所示。

图2 基于802.11的媒体接入与数据发送示意图

在RTS、CTS、data和 ACK四种基本数据包中,包含2字节的帧控制字段。IMAC-TPC功率控制方法对ACK数据包中帧控制字段的第13位和第 14位(Power Management Bit和 More Data Bit)进行了新的定义,使其携带功率调控信息(含增大发送功率级、减小发送功率级及不改变功率级这三种选项),返回给发送方。基本的通告方式为:

1)节点A收到节点B的DATA包,提取其中的Pr,判断无线信道的状况,若需要调整双方的Pt,则在发向B的ACK包中设置功率调控指令,以新设定的Pt将其发出。B在收到指令后,采用此新Pt发送后面的DATA包。

2)节点B收到节点A的ACK包,提取其中的Pr判断无线信道的状况,若需要调整双方的Pt,则B在下一个发向A的DATA包中设置功率调控指令,以新设定的Pt将其发出。A在收到指令后,采用此新Pt发送后面的ACK包。

在物理层的数据包接收函数中,节点根据接收功率Pr的大小得知链路状况[3][4],并判断Pr所在的区间:临界(刚大于接收阈值)、适合(处于合理范围)、过大(可降低 Pt以节省能量),区间的范围由多个网络参数根据链路状况动态确定。根据该区间修改对应节点的功率信息计数器,对上一协议层给出指示,形成功率调控信息。

2.2 接收数据包功率信息的统计处理

当Pr值不在最优的区间MidZone时,有必要调整传输功率,生成提升或降低发送功率级的指令。因为Rayleigh衰落的影响,接收信号强度会产生随机的变化,基于少数的数据包的功率值做出调整决策是不准确的[8]。这里采用统计的方法,记录N个数据包的Pr信息,在其中定义Pr值低于MidZone的数据包数目为LowCnt,Pr值高于MidZone的数据包数目为HighCnt。当物理层接收到数据包时,节点依据其中的Pr值获取信道的状况,判断Pr是否处于MidZone,如果Pr比MidZone下限低,则 LowCnt加1,如果 Pr比MidZone上限高,则 HighCnt加 1。MidZone区间的设定依照如下2个原则:

1)为了尽可能节能,MidZone的上限不应很高,以避免出现过大的Pr和Pt。

2)每次对功率进行调整,Pt变化约一个数量级,因此 MidZone的上限不应该很小,否则MidZone的区间大小会过小,Pr会频繁处于MidZone区间的上方和下方,导致Pt被频繁地调整,影响通信的稳定。通过对实际物理信道环境下的统计得知,大多数 Pr的取值在几倍到几百倍的RXThresh范围之内,因此可将MidZone设为[10RXThresh,100RXThresh]。

2.3 功率调整指令的设定

随着不断取得最新的数据包,N个数据包的Pr值以FIFO的方式进行更新,每隔0.5 s将两个计数器 LowCnt和 HighCnt进行更新。图3所示的状态转换图演示了收到数据包时的计数器更新和状态转换方法。一开始节点处于功率级i的“Normali”状态,对功率级为 1或 2的节点,当LowCnt高于0.4 N,提升功率级的必要性增加,因此节点进入“ToIncreasei”状态。当 LowCnt低于0.4 N,节点返回到“Normali”状态,当LowCnt大于0.8 N,功率调整指令被设定,并用新的更高一级的功率发送给通信对方,节点进入“Normal(i+1)”状态,计数器 LowCnt被清零。对功率级为2或 3的节点,当 HighCnt高于0.4 N,降低功率级的必要性增加,因此节点进入“ToDecreasei”状态。当HighCnt低于0.4 N,节点返回到“Normali”状态,当 HighCnt大于 0.8 N,功率调整指令被设定,并用新的更低一级的功率发送给通信对方,节点进入“Normal(i+1)”状态,计数器HighCnt被清零。

图3 节点发送功率级的转换

2.4 IMAC-TPC功率控制的网络协议实现

功率控制的处理主要集中在网络的物理层和链路层[6],因此数据包处理的复杂性较低,效率较高。在通信过程中维护的状态信息包括:①通信对方节点标识nid;②应采用的功率级powlevel;③数据包记录队列PrInfoArr[N];④LowCnt计数器;⑤LowCnt的计数长度 LowLen;⑥HighC-nt计数器;⑦HighCnt的计数长度 HighLen。

数据包接收方的处理方法为,根据收到数据包中的Pr修改计数器,依据计数状态设定功率调控指令和自己的新Pt。第一种通告方式的协议实现如图4所示。

图4 数据包接收方的协议处理过程

3 算法的仿真实验与结果分析

3.1 仿真实验设计

在NS-2(版本2.28)环境[7]下分别进行了无功率控制(Pt=0.2818 W,通信半径250 m),基于冲突的MAC功率控制[2](记为CBPC)和采用IMAC-TPC的通信仿真,其中流量场景设置为:4个 cbr数据源分别启动于0 s、20 s、40 s、60 s,持续时间30 s,发送速率1000包/秒,数据包大小为512字节,仿真时间100 s。运动场景分为低密度、中密度和高密度三个,在1200 m*1200 m的范围内分别有20个、60个和100个节点,节点随机移动,速度3 m/s。仿真的物理信道环境考虑了Rayleigh衰落。

计算以下4个性能指标:1)AvePt-平均发送功率;2)NetLife-网络寿命,指从开始运行到出现第一次节点能量耗尽的时间;3)PDR-分组抵达率,体现数据包传输的成功率;4)RtCost-路由开销,为路由控制信令总数与正确接收的数据包总数的比值,其值越小则冲突越少。

3.2 仿真结果

几个性能指标的仿真结果如表1所示。从表1看出,IMAC-TPC方法能显著降低节点的Pt并提升NetLife;在高密度环境中由于跳数多、单跳距离小,节点更经常采用较低功率级,因此高密度环境下IMAC-TPC在这两个指标上的优势更加明显。IMAC-T PC方法按实际需要分配Pt,形成较合理的通信信号覆盖区域,能使通信冲突大大减小,因此重新选择所需的路由信号总数下降,RtCost减小,而PDR上升;在高密度环境中由于参与分组转发的节点增多,通信冲突的可能性更大,因此在高密度环境中IMAC-TPC的RtCost略有上升。

表1 仿真性能指标结果

统计不同功率控制条件下,节1接收数据包的接收功率分布区间,如表2所示。从表2看出,基于IMAC-TPC的功率控制能使接收功率更多的处在合适的区间,处于临界及过大区间的情况相比无功率控制更少。

表2 节点的接收功率分布

4 结 语

本文提出的功率控制方法,通过接收数据包的信号强度获取信道状况,从而客观地指导数据发送方采用合理的功率进行通信。今后应在此基础上研究并实现针对不同长度、不同类型数据包采用不同的处理方法,结合网络拓扑和路由选择进行功率控制的优化,并探讨更科学可靠的功率消耗数学模型。

1 R Zheng,R Kravets,“On-demand Power Management for Ad Hoc Networks”,Proceedings of 22nd IEEE InfoCom,InfoCom Publishing House,US:San Francisco,2003,pp.384～390.

2 S.Agarwal,S.Krishnamurthy,R.H.Katz,etc,“Distributed power control in ad-hoc wireless networks”,P roceeding s of 13th Personal,Indoor and Mobile Radio Communications Symposium,IEEE Communications Society,UK:London,2001,pp.59～66.

3 E.S.Jung,N.H.Vaidya,“A power control M AC protocol for ad hoc networks”,Proceeding of International Conference on M obile Computing and Networking,ACM,US:New York,2002,pp.36～47.

4 A.Muqattash,M.Krunz,“POWM AC:A single-channel power-control protocol for throughput enhancement in wireless ad hoc networks”,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,IEEE Communications Society,2005,vol.23 no.5,pp.1067～1084.

5 T.ElBatt,A.Ephremides.“Joint scheduling and power control for wireless ad hoc networks”.IEEE Transactions on Wireless Communications,IEEE Communications Society,2004,vol.3 No.1,pp.74～85

6 M.Schwartz,“Mobile wireless communications” ,Cambridge University Press,US:New York,2005,pp.35～48.

7 C.E.Jones,“A survey of energy efficient network protocols for wireless networks”,Wireless Networks,Springer Netherlands,2001,vol.7 no.2,pp.343～358.

8 Klemm F,Ye Z,Krishnamurthy S,“Improving TCP performance in ad hoc networks using signal strength based link management”,Ad Hoc Networks Journal,Elsevier,2004,vol.3,pp.123-129.

9 M attbew S.Gast,“802.11 wireless networks– The definitive guide” ,O'Reilly,US:Sebastopol,2005,pp.49～ 61.

10 U.C.Kozat,I.Koutsopoulos,L.T assiulas,“A framework for cross-layer design of energy-efficient communication with QoS provisioning in multi-hop wireless networks”,Proceedings of IEEE INFOCOM,InfoCom Publishing House,2004,pp.1446～1456..

11 Y Tseng,“Power-saving protocols for ieee 802.11-basedmulti-hop ad hoc networks”,Proceedings of 21st IEEE INFOCOM,InfoCom Publishing House,US:New York,2002,pp.210～217.

12 The CMU monarch project group,“T he CMU monarch project's wireless and mobility extension for ns”,http://www.monarch.cs.cmu.edu/,(2002-01-12)[2008-05-08].