Ad Hoc网络功率控制与跨层优化

      1 引 言

    Ad Hoc网络具有无中心、自组织、布网灵活、快速展开、抗毁性强等特点，在移动计算、分布式计算、搜索救援、军事行动、环境污染监测等许多领域具有广泛的应用前景。同时由于其移动终端的能量限制等固有缺陷也给自组网带来了网络资源(容量及功耗等)的缺乏。功率控制技术是Ad Hoc网络中的一种重要的节能策略，是降低网络能耗，延长节点寿命的一种非常重要的方法。AdHoc网络的功率控制主要是通过调整发送节点的信号发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。Ad Hoc。网络功率控制的意义与作用如下：

    1.1 降低节点能耗，延长网络寿命

    在保证网络连通的情况下，调整Ad Hoc网络节点的传输功率可显著增加网络吞吐量、减小功耗。无线信道对信号的衰减与传输距离成指数增长，因此减小节点的传输半径可以使发射节点的传输能量减少，大大地降低节点的能耗，延长网络寿命。

    无线网络节点的能量消耗通常可以分为与通信有关的能量消耗和与计算有关的能量消耗。与通信有关的能量消耗是无线网络接口所消耗的能源，即节点在收、发分组以及作为路由器进行分组转发时所消耗的能量。与计算有关的能量消耗是指节点在处理分组和参与网络管理执行网络协议、算法等其他任务时消耗的能量，例如CPU、内存等其他硬件，数据压缩、前向纠错算法等软件(程序)消耗的能量。随着技术的提高和发展，计算方面消耗将会越来越小，通信方面的比例将会加大，而研究表明通信方面节点的发射状态能耗最大，所以发射节点进行功率控制就显得非常重要。

    1.2 提高网络空间复用度

    采用功率控制，减少节点的传输半径可降低干扰，使同一邻居区域内可有更多的传输，减小MAC层竞争冲突，提高通信质量，提高信道的空间复用度，扩大网络容量。考虑IEEE 802.11 DCF握手机制，以他作为网络MAC层协议，适当地调整控制信号和数据信号的发射功率，以节省能量。这样因为传输的半径变小，覆盖的周边节点数也变少，而且在相同的条件下，可以同时建立比IEEE 802.11标准更多的通讯对，这对于源节点与目的节点距离很近的情况非常有利，如图1所示，信道利用率是IEEE 802.11协议的3倍。

    现有Ad Hoc网络的功率控制技术研究主要集中在2个方面，即链路层的功率控制和网络层的功率控制。链路层的功率控制主要通过MAC协议完成，根据每个分组的下一跳节点的距离、信道状况等条件来动态调整发射功率。网络层的功率控制是通过改变发射功率来动态调整网络的拓扑结构和路由选择，而使全网的性能达到最优。链路层的功率控制是一种经常性的调整，每发送一个数据分组都可能要进行功率调整，而网络层的功率控制则可在一个较长的时间内调整一次，调整频率较低。这两种功率控制机制也可以结合起来应用，用网络层的功率控制调整网络拓扑结构，而在发送分组时根据目的节点的远近调整发送所用的功率。

    2 MAC层的功率控制

    MAC(Medium Access Control)层是数据链路层的一个子层，决定节点如何接入共享的无线信道，并负责向上层提供可靠的点到点连接服务。在MAC层，这类协议在发送数据前都要利用控制分组RTS／CTS交换信息，控制分组的交互为功率控制提供了极大的方便，如可以在控制分组中携带发送功率或本节点的信噪比等参数，以便为对方进行功率控制提供参考依据，进行功率调整。最初，该领域的研究是在IEEE 802.11的标准上进行的，该标准采用CSMA／CA(载波侦听多址接人／冲突避免)机制来预约信道以进行报文的传输，一个报文的发送流程为：RTS-CTS-DATA-ACK。目前Ad Hoc网络中的信道接入协议按具体的工作方式可分为单信道协议、双信道协议和多信道协议。

    2.1 单信道功率控制协议

    MAC协议的控制分组和数据分组都在同一个信道上传送时，称为单信道协议。在单信道功率控制协议中，控制分组可以用最大功率来发送，也可以根据目的节点的相关信息用相对较小的功率来发送。发送节点可以在控制分组RTS中携带发射功率等参数信息，接收节点可在CTS中向对方提供本节点的信噪比等信息，为对方发送数据分组时选择发送功率提供参考依据。这类协议是最常见的一类MAC功率控制协议。

    文献[5]中提出的功率控制算法，发射机可从10个发射等级中选取1个值，每个节点都维护1个最近进行过通信的节点的功率控制表，表中记录了到各邻居节点的功率参数信息，并且算法对RTS，CTS的分组头进行修改，加入有关功率的参数。此协议可提高网络吞吐率达15％，同时还可以节省部分能量。

    文献[6]提出一种功率控制的多址接入PCMA(PowerControlled Multiple Access)协议，他利用功率控制的多址接入机制实现冲突避免，把信道分为一个忙音信道和一个数据信道，忙音信道用来传输忙音信号，数据信道用来传输控制分组和数据分组(因为控制分组和数据分组在一个信道传输，所以把他看成是单信道协议)，根据收到的控制分组的信号强度来限制隐藏节点和暴露节点的发射功率，这样通过调节节点的发射功率减少相互干扰，提高网络的吞吐量，延长网络寿命。仿真结果表明此协议在负荷较大的情况下吞吐率可比IEEE 802.11提高近一倍，而他主要问题在于对长距离的通信不公平，因为长距离的无线通信需要更大的功率，这个功率可能被根据忙音信号所计算的发送功率上限所约束，使长距离的无线通信无法达成。

    2.2 双信道功率控制协议

    双信道接入协议通常有一个控制信道和一个数据信道，在控制信道上传送控制分组，而在数据信道上传送数据分组。控制信道上的控制分组一般采用最大发射功率发送，而对于数据信道上的数据分组，则根据控制信道上交互控制分组时所得到的信息用最小必须功率发送，数据信道上的ACK分组可以用最小必须功率发送，也可以用最大功率发送。文献[7]提出的一种基于双忙音信道功率控制机制和文献[8]提出的功率控制双信道(Power Controlled Dual Channel，PCDC)协议都是双信道接入的功率控制协议，仿真结果表明他们的节能效果也很明显。

    2.3 多信道功率控制协议

    当协议使用一个控制信道和多个数据信道时称为多信道协议。多信道接入协议中，控制分组RTS和CTS都在控制信道上传送，数据分组和ACK在由多信道协议所决定的数据信道上传送。当节点没有数据要发送时，则需有一个收发机停留在控制信道，以监听其他节点之间交互的控制分组。收发两端通过交互控制信息可在多个数据信道中选择一个合适的信道，并在切换到所选定的数据信道后发送数据分组及ACK。多信道的好处是在同一时刻，在同一通信区域内可以有多对节点在不同的信道上进行同时通信，在网络负荷大时比单信道协议有更高的网络吞吐率。

    文献[9]提出的一种多信道功率控制协议DCA-PC(Dynamic Channel Assignment with Power Common)将信道分配、媒体接入和功率控制等问题结合起综合考虑。控制分组及广播分组在控制信道上用最大功率发送，而数据分组和ACK则在数据信道上用最小必须功率发送。控制信道的作用是用来分配数据信道并且解决使用数据信道时的潜在冲突。协议对信道总数的需求与网络拓扑和节点密度无关，并且适合在节点密度大的环境中使用，也无需时钟同步机制，网络吞吐率比较高。

    3 网络层的功率控制

    网络层的功率控制是通过调整发射功率动态改变网络的拓扑结构和路由选择，进而使全网的性能达到最优。网络由于其使用环境的特殊性，节点分布的密度有时是无法预料的，这就需要一种机制来自动调节节点的发射功率，使其能够根据节点的分布情况自动调节发射功率。发送功率大，通信距离就远，分组平均转发的次数就少，但这样会使信道的空间复用度降低，使每个节点的有效带宽减小。而减小发射功率，能提高信道的空间复用度，增大节点的有效带宽，但分组的平均转发次数要增多，使信道的时间利用率降低。发射功率的选择，需要在分组平均转发次数与信道空间复用度之间进行折中，也即通过功率控制选择基于能耗的路由，达到节约能量和提升网络效能的目的。与MAC层的功率控制相比，网络层的功率控制调整频率应相对较低，这样可以避免频繁的拓扑变化产生分组延迟以及路由失效而导致重新选路，减小网络的负载。

    文献[10]提出了一种在节点位置已知、所有节点都用同一发射功率的条件下计算构成全连通网络所需发射功率最小值的集中式动态功率控制算法。当网络拓扑发生变化时，可使用此算法获得构成全连通网络所必须的最小发射功率。通过采用此方法，在提高网络吞吐量的同时，也降低了能量的消耗。文献[11]中提出的COMPOW(Common Power)协议能根据网络拓扑选择一个供网络内所有节点共同使用的发送功率。网络内所有节点使用同一发送功率的好处是，他能保证链路的双向连通性，即如果节点A发送的分组能够被B正确接收到，则B发送的分组也能够被A正确接收到。

    4 混合功率控制与跨层优化

    在Ad Hoc网络中，功率控制对各个协议层均有重要的影响，因此是典型的跨层优化问题，适于采用跨层优化以优化网络性能指标。跨层优化通常有2种方式：一是利用在其他协议层所获得的信息来改进本层的协议，典型的情况是低层的信息反馈给高层；二是将几个协议合并成一个，如何将Ad Hoc网络的MAC层、路由层甚至传输层捆绑到一个协议中。网络层与链路层相结合的功率控制算法即混合控制，主要策略是在网络层运用基于能量耗费的路由选择算法，在链路层采取相应的功率控制策略。

    文献[12]提出了一种PARO(Power-Aware RoutingOptimization)协议，PARO协议根据一组路由上每一跳的发送功率作为参考标准，在一对节点之间选择一条总能耗最低的路由；即使某两节点间可以直接通信，但如果通过一个中间节点转发能耗更小，则仍然选择经过中间节点转发的路由。而在链路层，控制分组用最大功率发送，数据分组和ACK用最小必须功率发送。在Ad Hoc网络中，传统的路由协议往往以最少跳数作为路由设计的指标，这种算法往往导致节点发送数据时要用较大功率发送，因此PARO协议通过尽可能多地使用转发节点来减小每一跳发送时的功率，使通信过程中的总能耗最小。PARO是一种按需机制的协议，并不事先主动维护路由，只是当节点需要时才启动路由发现过程，由此来减少路由发现过程中的能量消耗。PARO是一种最小能量路由算法，与其他路由算法相比，此协议是以能耗作为选择路由的指标(Metric)。仿真的结果显示，PARO要比固定发射功率的路由算法节能60％以上，在节点移动不太快的情况下，网络性能也较稳定，网络吞吐量没有明显的下降。

    SIMPLE／PARP是一个早期的基于IEEE 802.11的功率控制与跨层优化的协议：其MAC层采用SIMPLE-对于控制报文RTS／CTS以最大传输功率发送，数据与确认报文DATA／ACK以所需的最小传输功率发送；网络层则采用PARP路由协议一其路由的度量与能量值有关。虽然SIMPLE／PARP可显著降低功耗，但其代价是网络吞吐量的下降和报文延时的增加。随后的PARO协议将主动式路由协议PARP改进为按需路由协议，但他们在预约信道时均采用全网统一发送功率的策略。

    在文献[14]中，提出了一种分布式基于位置信息的拓扑控制算法，算法包括2个阶段：第一阶段利用位置信息建立并配置链路，第二阶段节点应用以功耗作为度量指标的分布式Bellman-Ford最短路径算法找出最优链路。该协议需要节点配备有GPS(全球定位)系统。在文献[15]中，通过调整发射功率来保证网络节点在其每个2π／3的扇区内均至少有1个邻居节点，该方案需要节点增加额外的硬件以支持节点对方向信息可用性的确认。由于以上算法都采用CSMA／CA机制来接入、预约共享无线信道，因此都无法完全避免由于隐藏终端／暴露终端对于网络性能的显著恶化。

    要消除隐藏终端／暴露终端问题，就必须改变其MAC层的信道预约方式，于是一类称为干扰感知的MAC层协议出现了。该类协议通过广播CAI(冲突避免信息)来界定邻近节点的传输功率。公式：SINR(i，j)=P(i，j)／(∑P(i，j)+ηj)，表明节点j接收到节点i发送的报文时信噪比。通过设定一个SINR门限，发送节点就可以防止邻近的节点干扰正在进行的报文传输。由于在干扰门限内，允许邻近节点同时发送数据，因此增大网络吞吐量并减少了信道竞争所带来的排队延时。PCMA协议中每个接收节点通过发送忙音脉冲来通告其干扰的门限。仿真表明该协议的吞吐量是IEEE 802.11的2倍。然而该协议没有利用跨层优化将路由协议一起捆绑进来，且存在忙音之间的信道竞争问题。PCDC协议强调MAC层与网络层的相互联系：通过调整RREQ报文的发射功率，MAC层间接影响了网络层对下一跳路由的选择。PCDC将可用带宽分为2个频率独立的信道分别用于传输控制报文与数据报文，其中CAI被插入CTS报文中并以最大功率发送，节点收集所得的信息用于建立一个能量有效的邻居节点子集，节点的RREQ报文以维持该子集所需的最小功率来发送。这样做的好处是减少功耗、限制子集内报文的广播以增加吞吐量、降低设计的复杂性并减少开销。仿真表明PCDC可获得可观的吞吐量改善及功耗开销的下降。然而没有考虑随着跳数增加而导致的处理及接收功耗的相应增大。许多新技术相继应用到Ad Hoc网络的功率控制设计中：如文献[17]中将分群(cluster)技术引入功率控制方案中，而文献[18]则采取联合调度与功率控制的方案。

      5 结 语

    功率控制是一个典型的跨层优化问题，优良的功率控制设计方案能有效减少Ad Hoc网络的功耗、增加网络吞吐量、增大报文发送率。功率控制对于Ad Hoc网络性能的提高有显著的影响，但功率控制中采用跨层优化能带来多大的性能改善尚需进一步的量化。功率控制方案的有效设计，关键在于如何说明协议栈各个层之间的互相关系。新技术的不断引入也给功率控制的研究带来新方法与新方向。一些值得关注的研究课题有：干扰感知的功率控制方案的实用性及设计假设尚待评估，如PCDC假设控制信道与数据信道具有同样的信道增益，但控制报文长度远小于数据报文，其在相同无线信道情况下，传输控制报文的成功率将大于传输数据报文；现存的标准和硬件间的兼容性问题；传输功率控制与动态关闭无线网卡机制的结合问题；定向天线技术的引入；基于CDMA组网的Ad Hoc网络功率控制方面的研究；对传输功率控制的多速率支持。