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)具有無中心、自組織、布網(wǎng)靈活、快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，在移動計(jì)算、分布式計(jì)算、搜索救援、軍事行動、環(huán)境污染監(jiān)測等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)由于其移動終端的能量限制等固有缺陷也給自組網(wǎng)帶來了網(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(jié)能策略，是降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長節(jié)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調(diào)整發(fā)送節(jié)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(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命

　　在保證網(wǎng)絡(luò)連通的情況下，調(diào)整Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率可顯著增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減小功耗。無線信道對信號的衰減與傳輸距離成指數(shù)增長，因此減小節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑可以使發(fā)射節(jié)點(diǎn)的傳輸能量減少，大大地降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

　　無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗通常可以分為與通信有關(guān)的能量消耗和與計(jì)算有關(guān)的能量消耗。與通信有關(guān)的能量消耗是無線網(wǎng)絡(luò)接口所消耗的能源，即節(jié)點(diǎn)在收、發(fā)分組以及作為路由器進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)所消耗的能量。與計(jì)算有關(guān)的能量消耗是指節(jié)點(diǎn)在處理分組和參與網(wǎng)絡(luò)管理執(zhí)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(nèi)存等其他硬件，數(shù)據(jù)壓縮、前向糾錯算法等軟件(程序)消耗的能量。隨著技術(shù)的提高和發(fā)展，計(jì)算方面消耗將會越來越小，通信方面的比例將會加大，而研究表明通信方面節(jié)點(diǎn)的發(fā)射狀態(tài)能耗最大，所以發(fā)射節(jié)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(fù)用度

　　采用功率控制，減少節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑可降低干擾，使同一鄰居區(qū)域內(nèi)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(fù)用度，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量?？紤]IEEE 802.11 DCF握手機(jī)制，以他作為網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整控制信號和數(shù)據(jù)信號的發(fā)射功率，以節(jié)省能量。這樣因?yàn)閭鬏數(shù)陌霃阶冃?，覆蓋的周邊節(jié)點(diǎn)數(shù)也變少，而且在相同的條件下，可以同時(shí)建立比IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)更多的通訊對，這對于源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)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(xiàn)有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的功率控制技術(shù)研究主要集中在2個方面，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MAC協(xié)議完成，根據(jù)每個分組的下一跳節(jié)點(diǎn)的距離、信道狀況等條件來動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。網(wǎng)絡(luò)層的功率控制是通過改變發(fā)射功率來動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由選擇，而使全網(wǎng)的性能達(dá)到最優(yōu)。鏈路層的功率控制是一種經(jīng)常性的調(diào)整，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組都可能要進(jìn)行功率調(diào)整，而網(wǎng)絡(luò)層的功率控制則可在一個較長的時(shí)間內(nèi)調(diào)整一次，調(diào)整頻率較低。這兩種功率控制機(jī)制也可以結(jié)合起來應(yīng)用，用網(wǎng)絡(luò)層的功率控制調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在發(fā)送分組時(shí)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近調(diào)整發(fā)送所用的功率。

2 MAC層的功率控制

　　MAC(Medium Access Control)層是數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層，決定節(jié)點(diǎn)如何接入共享的無線信道，并負(fù)責(zé)向上層提供可靠的點(diǎn)到點(diǎn)連接服務(wù)。在MAC層，這類協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)的信噪比等參數(shù)，以便為對方進(jìn)行功率控制提供參考依據(jù)，進(jìn)行功率調(diào)整。最初，該領(lǐng)域的研究是在IEEE 802.11的標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行的，該標(biāo)準(zhǔn)采用CSMA／CA(載波偵聽多址接人／沖突避免)機(jī)制來預(yù)約信道以進(jìn)行報(bào)文的傳輸，一個報(bào)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?yún)f(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(shù)據(jù)分組都在同一個信道上傳送時(shí)，稱為單信道協(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發(fā)送，也可以根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息用相對較小的功率來發(fā)送。發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以在控制分組RTS中攜帶發(fā)射功率等參數(shù)信息，接收節(jié)點(diǎn)可在CTS中向?qū)Ψ教峁┍竟?jié)點(diǎn)的信噪比等信息，為對方發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)選擇發(fā)送功率提供參考依據(jù)。這類協(xié)議是最常見的一類MAC功率控制協(xié)議。

　　文獻(xiàn)[5]中提出的功率控制算法，發(fā)射機(jī)可從10個發(fā)射等級中選取1個值，每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)1個最近進(jìn)行過通信的節(jié)點(diǎn)的功率控制表，表中記錄了到各鄰居節(jié)點(diǎn)的功率參數(shù)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(shù)。此協(xié)議可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)15％，同時(shí)還可以節(jié)省部分能量。

　　文獻(xiàn)[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(jī)制實(shí)現(xiàn)沖突避免，把信道分為一個忙音信道和一個數(shù)據(jù)信道，忙音信道用來傳輸忙音信號，數(shù)據(jù)信道用來傳輸控制分組和數(shù)據(jù)分組(因?yàn)榭刂品纸M和數(shù)據(jù)分組在一個信道傳輸，所以把他看成是單信道協(xié)議)，根據(jù)收到的控制分組的信號強(qiáng)度來限制隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，這樣通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率減少相互干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。仿真結(jié)果表明此協(xié)議在負(fù)荷較大的情況下吞吐率可比IEEE 802.11提高近一倍，而他主要問題在于對長距離的通信不公平，因?yàn)殚L距離的無線通信需要更大的功率，這個功率可能被根據(jù)忙音信號所計(jì)算的發(fā)送功率上限所約束，使長距離的無線通信無法達(dá)成。

2.2 雙信道功率控制協(xié)議

　　雙信道接入?yún)f(xié)議通常有一個控制信道和一個數(shù)據(jù)信道，在控制信道上傳送控制分組，而在數(shù)據(jù)信道上傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù)分組，則根據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)[7]提出的一種基于雙忙音信道功率控制機(jī)制和文獻(xiàn)[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(jié)果表明他們的節(jié)能效果也很明顯。

2.3 多信道功率控制協(xié)議

　　當(dāng)協(xié)議使用一個控制信道和多個數(shù)據(jù)信道時(shí)稱為多信道協(xié)議。多信道接入?yún)f(xié)議中，控制分組RTS和CTS都在控制信道上傳送，數(shù)據(jù)分組和ACK在由多信道協(xié)議所決定的數(shù)據(jù)信道上傳送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，則需有一個收發(fā)機(jī)停留在控制信道，以監(jiān)聽其他節(jié)點(diǎn)之間交互的控制分組。收發(fā)兩端通過交互控制信息可在多個數(shù)據(jù)信道中選擇一個合適的信道，并在切換到所選定的數(shù)據(jù)信道后發(fā)送數(shù)據(jù)分組及ACK。多信道的好處是在同一時(shí)刻，在同一通信區(qū)域內(nèi)可以有多對節(jié)點(diǎn)在不同的信道上進(jìn)行同時(shí)通信，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大時(shí)比單信道協(xié)議有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

　　文獻(xiàn)[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題結(jié)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(shù)據(jù)分組和ACK則在數(shù)據(jù)信道上用最小必須功率發(fā)送?？刂菩诺赖淖饔檬怯脕矸峙鋽?shù)據(jù)信道并且解決使用數(shù)據(jù)信道時(shí)的潛在沖突。協(xié)議對信道總數(shù)的需求與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)密度無關(guān)，并且適合在節(jié)點(diǎn)密度大的環(huán)境中使用，也無需時(shí)鐘同步機(jī)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調(diào)整發(fā)射功率動態(tài)改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由選擇，進(jìn)而使全網(wǎng)的性能達(dá)到最優(yōu)。網(wǎng)絡(luò)由于其使用環(huán)境的特殊性，節(jié)點(diǎn)分布的密度有時(shí)是無法預(yù)料的，這就需要一種機(jī)制來自動調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使其能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布情況自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率。發(fā)送功率大，通信距離就遠(yuǎn)，分組平均轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)就少，但這樣會使信道的空間復(fù)用度降低，使每個節(jié)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(fù)用度，增大節(jié)點(diǎn)的有效帶寬，但分組的平均轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)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(zhuǎn)發(fā)次數(shù)與信道空間復(fù)用度之間進(jìn)行折中，也即通過功率控制選擇基于能耗的路由，達(dá)到節(jié)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(diào)整頻率應(yīng)相對較低，這樣可以避免頻繁的拓?fù)渥兓a(chǎn)生分組延遲以及路由失效而導(dǎo)致重新選路，減小網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

　　文獻(xiàn)[10]提出了一種在節(jié)點(diǎn)位置已知、所有節(jié)點(diǎn)都用同一發(fā)射功率的條件下計(jì)算構(gòu)成全連通網(wǎng)絡(luò)所需發(fā)射功率最小值的集中式動態(tài)功率控制算法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，可使用此算法獲得構(gòu)成全連通網(wǎng)絡(luò)所必須的最小發(fā)射功率。通過采用此方法，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(xiàn)[11]中提出的COMPOW(Common Power)協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇一個供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)共同使用的發(fā)送功率。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)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(jié)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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，功率控制對各個協(xié)議層均有重要的影響，因此是典型的跨層優(yōu)化問題，適于采用跨層優(yōu)化以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)?？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；二是將幾個協(xié)議合并成一個，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協(xié)議中。網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層相結(jié)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(yùn)用基于能量耗費(fèi)的路由選擇算法，在鏈路層采取相應(yīng)的功率控制策略。

　　文獻(xiàn)[12]提出了一種PARO(Power-Aware RoutingOptimization)協(xié)議，PARO協(xié)議根據(jù)一組路由上每一跳的發(fā)送功率作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在一對節(jié)點(diǎn)之間選擇一條總能耗最低的路由；即使某兩節(jié)點(diǎn)間可以直接通信，但如果通過一個中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能耗更小，則仍然選擇經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的路由。而在鏈路層，控制分組用最大功率發(fā)送，數(shù)據(jù)分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的路由協(xié)議往往以最少跳數(shù)作為路由設(shè)計(jì)的指標(biāo)，這種算法往往導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要用較大功率發(fā)送，因此PARO協(xié)議通過盡可能多地使用轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來減小每一跳發(fā)送時(shí)的功率，使通信過程中的總能耗最小。PARO是一種按需機(jī)制的協(xié)議，并不事先主動維護(hù)路由，只是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要時(shí)才啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，由此來減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的能量消耗。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(biāo)(Metric)。仿真的結(jié)果顯示，PARO要比固定發(fā)射功率的路由算法節(jié)能60％以上，在節(jié)點(diǎn)移動不太快的情況下，網(wǎng)絡(luò)性能也較穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)吞吐量沒有明顯的下降。

　　SIMPLE／PARP是一個早期的基于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(bào)文RTS／CTS以最大傳輸功率發(fā)送，數(shù)據(jù)與確認(rèn)報(bào)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可顯著降低功耗，但其代價(jià)是網(wǎng)絡(luò)吞吐量的下降和報(bào)文延時(shí)的增加。隨后的PARO協(xié)議將主動式路由協(xié)議PARP改進(jìn)為按需路由協(xié)議，但他們在預(yù)約信道時(shí)均采用全網(wǎng)統(tǒng)一發(fā)送功率的策略。

　　在文獻(xiàn)[14]中，提出了一種分布式基于位置信息的拓?fù)淇刂扑惴ǎ惴ò?個階段：第一階段利用位置信息建立并配置鏈路，第二階段節(jié)點(diǎn)應(yīng)用以功耗作為度量指標(biāo)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(jié)點(diǎn)配備有GPS(全球定位)系統(tǒng)。在文獻(xiàn)[15]中，通過調(diào)整發(fā)射功率來保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在其每個2π／3的扇區(qū)內(nèi)均至少有1個鄰居節(jié)點(diǎn)，該方案需要節(jié)點(diǎn)增加額外的硬件以支持節(jié)點(diǎn)對方向信息可用性的確認(rèn)。由于以上算法都采用CSMA／CA機(jī)制來接入、預(yù)約共享無線信道，因此都無法完全避免由于隱藏終端／暴露終端對于網(wǎng)絡(luò)性能的顯著惡化。

　　要消除隱藏終端／暴露終端問題，就必須改變其MAC層的信道預(yù)約方式，于是一類稱為干擾感知的MAC層協(xié)議出現(xiàn)了。該類協(xié)議通過廣播CAI(沖突避免信息)來界定鄰近節(jié)點(diǎn)的傳輸功率。公式：SINR(i，j)=P(i，j)／(∑P(i，j)+ηj)，表明節(jié)點(diǎn)j接收到節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的報(bào)文時(shí)信噪比。通過設(shè)定一個SINR門限，發(fā)送節(jié)點(diǎn)就可以防止鄰近的節(jié)點(diǎn)干擾正在進(jìn)行的報(bào)文傳輸。由于在干擾門限內(nèi)，允許鄰近節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量并減少了信道競爭所帶來的排隊(duì)延時(shí)。PCMA協(xié)議中每個接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送忙音脈沖來通告其干擾的門限。仿真表明該協(xié)議的吞吐量是IEEE 802.11的2倍。然而該協(xié)議沒有利用跨層優(yōu)化將路由協(xié)議一起捆綁進(jìn)來，且存在忙音之間的信道競爭問題。PCDC協(xié)議強(qiáng)調(diào)MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的相互聯(lián)系：通過調(diào)整RREQ報(bào)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個頻率獨(dú)立的信道分別用于傳輸控制報(bào)文與數(shù)據(jù)報(bào)文，其中CAI被插入CTS報(bào)文中并以最大功率發(fā)送，節(jié)點(diǎn)收集所得的信息用于建立一個能量有效的鄰居節(jié)點(diǎn)子集，節(jié)點(diǎn)的RREQ報(bào)文以維持該子集所需的最小功率來發(fā)送。這樣做的好處是減少功耗、限制子集內(nèi)報(bào)文的廣播以增加吞吐量、降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并減少開銷。仿真表明PCDC可獲得可觀的吞吐量改善及功耗開銷的下降。然而沒有考慮隨著跳數(shù)增加而導(dǎo)致的處理及接收功耗的相應(yīng)增大。許多新技術(shù)相繼應(yīng)用到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的功率控制設(shè)計(jì)中：如文獻(xiàn)[17]中將分群(cluster)技術(shù)引入功率控制方案中，而文獻(xiàn)[18]則采取聯(lián)合調(diào)度與功率控制的方案。

5 結(jié) 語

　　功率控制是一個典型的跨層優(yōu)化問題，優(yōu)良的功率控制設(shè)計(jì)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(bào)文發(fā)送率。功率控制對于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能的提高有顯著的影響，但功率控制中采用跨層優(yōu)化能帶來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(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于如何說明協(xié)議棧各個層之間的互相關(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(shè)計(jì)假設(shè)尚待評估，如PCDC假設(shè)控制信道與數(shù)據(jù)信道具有同樣的信道增益，但控制報(bào)文長度遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)報(bào)文，其在相同無線信道情況下，傳輸控制報(bào)文的成功率將大于傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文；現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)和硬件間的兼容性問題；傳輸功率控制與動態(tài)關(guān)閉無線網(wǎng)卡機(jī)制的結(jié)合問題；定向天線技術(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。