自组织网络的功率损耗性能仿真分析

宁学侃（大连91550部队）

自组织网络的功率损耗性能仿真分析

宁学侃（大连91550部队）

现代通信中，自组织网络以其独立组网，动态拓扑，多跳路由，具有自愈能力等优势在民用通信中，都占用重要位置。文章主要从最小功耗路径选择的角度，对自组织网络的功率损耗进行仿真分析。移动Ad Hoc网络由于其灵活、快速组网的优势，已经极大地融入现在社会的工作中，对其性能的分析及优化都将是我们以后研究的热点。

自组织网络 功率损耗 最佳路由

自1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc网络”一词，至2003年 IRTF成立 ANS（Ad Hoc Networks Scalability）研究组，对移动自组织网络的研究一直是各大研究中心的研究重点。文章通过对自组织网络功率损耗随跳数的仿真分析，进一步探讨自组织网络的传输性能。

1 自组织网络定义与特点

自组织网络就是由一组带有无线通信收发装置的（移动）终端节点组成的一个多跳临时性自治系统；每个（移动）终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议；节点间路由通常由多跳（Hop）组成；不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建。

正因如此，Ad Hoc网络和其他网络相比有如下的特点[1,2]：

1）独立组网。Ad Hoc组网不需要任何预先网络基础设施，自由灵活。

2）动态拓扑。移动节点除了开关机之外，还具有任意的移动性，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道干扰、地形因素等无线传播条件的影响，导致了网络拓扑以不可预测的方式任意和快速的改变。

3）自组织。Ad Hoc网络没有控制中心，各个节点可以任意地加入或离开网络，节点故障不会影响到整个网络。

4）多跳路由。Ad Hoc的多跳路由机制使得接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗。

5）终端的局限性。Ad Hoc网络中的移动用户终端由于能量、存储、计算等资源受限，使得Ad Hoc网络的设计十分困难，减少功耗是路由协议设计的一个非常重要的目标。

6）安全性差。Ad Hoc网络是一种无线方式的分布式结构，由于无线链路的开放性以及移动性导致节点之间信任关系的变化，使得比有线网络更加容易遭受窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等安全性威胁。

7）可扩展性不强。节点之间的相互干扰造成网络容量下降，各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降。

2 自组织网络与其他网络的比较

2.1 Ad Hoc网络与Sensor网络

传感器网络（Sensor网络）可以看作是一种特殊类型的Ad Hoc网络，它是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者[2,3]。

各个无线节点静态地随机分布在某一区域，传感器负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点，网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络（如Internet）并且到达最终的用户。

传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点，如需要大规模分布式触发器，感知数据流巨大等。

2.2 移动Ad Hoc网络(MANET)与移动IP

移动Ad Hoc网络（MANET）可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中，使用的分组交换机制，通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络，见图1所示。

图1 移动Ad Hoc网络(MANET)与移动IP

在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

3 对无线多跳网络的功率分析

现有的蜂窝网多是在一个小区中心采用全向天线进行圆周式覆盖，由于各移动台收发频率相同，所以移动台之间必须通过基站BS（Base Station）中转才能通信。如图2中MT（Mobile Terminal） A和MT B所示，为两个移动台之间的距离很近，但是距基站距离很远的特殊情况。

而大多数情况下，移动台是处于小区内部的，图3描述的则是一般情况下，MT与传统蜂窝小区基站BS的上行链路的单跳与布置WPs（Wireless Points）后的多跳网络对比图。

图2、图3这两种不同情况分别进行分析如下。

3.1 MT在网络边缘且距离很近

如图2所示，假设单蜂窝的小区半径为r，MT距离最近WP的距离为a1∙r(0＜a1≤1)，当两个移动台之间的距离 dMTi-MTj≪r时，则MT A和MT B之间的通信只需要一个WP完成，则

图2 网络边缘的MT之间的通信

图3 一般位置下多跳与单跳对比图

则多跳网络的相对功率增益为：

3.2 MT在网络内部一般位置

如图3所示，假定上行链路MT A和BS之间的距离为d，这里假定d是一个常数1，MT A和BS距离最近的无线接入点WPi和WPj的距离均为a1∙d， a1与布置的WP的数目有关，假定WPi和WPj之间共有 j跳，且每一跳的距离相等，为a2∙d (0＜a2≤1)，在d一定的条件下， a2与 a1、跳数 j有关。

则多跳网络的功率增益为

3.3 分析

图4 MT在网络边缘且距离很近情况下Pms的分布函数（cdf）

图4是在dMTi-MTj≪r情况下，对于归一化多跳功率的cdf的仿真图，从图中可以看出，MT与WP之间的距离参数a1越小，多跳网络的功率增益越大。图中三条曲线所显示的分别是a1＜＜r、a1≈r/2、 a1≈r的三种情况，对应的统计均值分别为-34.7dB、-9.6dB、-2.47 dB。当 a1=r的情况，将和单蜂窝的功率接近一致。而a1的大小则是由网络中所包含的WP的数目K决定的，K越大，则a1越小，

图5所示的是一般情况下，MT A与BS之间通过WPs传输的上行功率相对于传统模式的功率增益，这里假定各个WP的位置是固定的，由图可知，影响系统功率的参数主要有两个，分别是最大跳数J和网络中的WP数目K。而在相同跳数的情况下，随着网络中的WP数目越多，多跳网络的功率增益越大，这是因为相同跳数下，WP数目越多，则通信所需距离越近，则节省功率更多。

图5 一般位置下归一化上行多跳功率随最大跳数J和WP数目K的变化图

4 小结

文章主要介绍了Ad Hoc网络的网络特点及其网络特征，并针对多跳的路由选择机制，结合无线环境对其跳数、节点数目、功率增益三者之间的关系进行了数值化分析。移动Ad Hoc网络由于其灵活、快速组网的优势，已经极大地融入现在社会的工作和生活中，对其性能的分析及优化，将在以后很长的时间范围内，都将是我们研究的热点。

[1] 王春江.基于CDMA的移动自组织网络研究[D],北京:北京邮电大学,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）

宁学侃，工程师，2011年毕业于哈尔滨工程大学，从事远遥外测工作，E-mail：ningxk@163.com，地址：大连市沙河口区五一路200号，116023。