Ad Hoc網絡功率控制與跨層優化

1 引 言

　　Ad Hoc網絡具有無中心、自組織、布網靈活、快速展開、抗毀性強等特點，在移動計算、分布式計算、搜索救援、軍事行動、環境污染監測等許多領域具有廣泛的應用前景。同時由于其移動終端的能量限制等固有缺陷也給自組網帶來了網絡資源(容量及功耗等)的缺乏。功率控制技術是Ad Hoc網絡中的一種重要的節能策略，是降低網絡能耗，延長節點壽命的一種非常重要的方法。AdHoc網絡的功率控制主要是通過調整發送節點的信號發射功率，在保證一定通信質量的前提下盡量降低信號發射功率。Ad Hoc。網絡功率控制的意義與作用如下：

1.1 降低節點能耗，延長網絡壽命

　　在保證網絡連通的情況下，調整Ad Hoc網絡節點的傳輸功率可顯著增加網絡吞吐量、減小功耗。無線信道對信號的衰減與傳輸距離成指數增長，因此減小節點的傳輸半徑可以使發射節點的傳輸能量減少，大大地降低節點的能耗，延長網絡壽命。

　　無線網絡節點的能量消耗通常可以分為與通信有關的能量消耗和與計算有關的能量消耗。與通信有關的能量消耗是無線網絡接口所消耗的能源，即節點在收、發分組以及作為路由器進行分組轉發時所消耗的能量。與計算有關的能量消耗是指節點在處理分組和參與網絡管理執行網絡協議、算法等其他任務時消耗的能量，例如CPU、內存等其他硬件，數據壓縮、前向糾錯算法等軟件(程序)消耗的能量。隨著技術的提高和發展，計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點的發射狀態能耗最大，所以發射節點進行功率控制就顯得非常重要。

1.2 提高網絡空間復用度

　　采用功率控制，減少節點的傳輸半徑可降低干擾，使同一鄰居區域內可有更多的傳輸，減小MAC層競爭沖突，提高通信質量，提高信道的空間復用度，擴大網絡容量。考慮IEEE 802.11 DCF握手機制，以他作為網絡MAC層協議，適當地調整控制信號和數據信號的發射功率，以節省能量。這樣因為傳輸的半徑變小，覆蓋的周邊節點數也變少，而且在相同的條件下，可以同時建立比IEEE 802.11標準更多的通訊對，這對于源節點與目的節點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協議的3倍。

　　現有Ad Hoc網絡的功率控制技術研究主要集中在2個方面，即鏈路層的功率控制和網絡層的功率控制。鏈路層的功率控制主要通過MAC協議完成，根據每個分組的下一跳節點的距離、信道狀況等條件來動態調整發射功率。網絡層的功率控制是通過改變發射功率來動態調整網絡的拓撲結構和路由選擇，而使全網的性能達到最優。鏈路層的功率控制是一種經常性的調整，每發送一個數據分組都可能要進行功率調整，而網絡層的功率控制則可在一個較長的時間內調整一次，調整頻率較低。這兩種功率控制機制也可以結合起來應用，用網絡層的功率控制調整網絡拓撲結構，而在發送分組時根據目的節點的遠近調整發送所用的功率。

2 MAC層的功率控制

　　MAC(Medium Access Control)層是數據鏈路層的一個子層，決定節點如何接入共享的無線信道，并負責向上層提供可靠的點到點連接服務。在MAC層，這類協議在發送數據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送功率或本節點的信噪比等參數，以便為對方進行功率控制提供參考依據，進行功率調整。最初，該領域的研究是在IEEE 802.11的標準上進行的，該標準采用CSMA／CA(載波偵聽多址接人／沖突避免)機制來預約信道以進行報文的傳輸，一個報文的發送流程為：RTS-CTS-DATA-ACK。目前Ad Hoc網絡中的信道接入協議按具體的工作方式可分為單信道協議、雙信道協議和多信道協議。

2.1 單信道功率控制協議

　　MAC協議的控制分組和數據分組都在同一個信道上傳送時，稱為單信道協議。在單信道功率控制協議中，控制分組可以用最大功率來發送，也可以根據目的節點的相關信息用相對較小的功率來發送。發送節點可以在控制分組RTS中攜帶發射功率等參數信息，接收節點可在CTS中向對方提供本節點的信噪比等信息，為對方發送數據分組時選擇發送功率提供參考依據。這類協議是最常見的一類MAC功率控制協議。

　　文獻[5]中提出的功率控制算法，發射機可從10個發射等級中選取1個值，每個節點都維護1個最近進行過通信的節點的功率控制表，表中記錄了到各鄰居節點的功率參數信息，并且算法對RTS，CTS的分組頭進行修改，加入有關功率的參數。此協議可提高網絡吞吐率達15％，同時還可以節省部分能量。

　　文獻[6]提出一種功率控制的多址接入PCMA(PowerControlled Multiple Access)協議，他利用功率控制的多址接入機制實現沖突避免，把信道分為一個忙音信道和一個數據信道，忙音信道用來傳輸忙音信號，數據信道用來傳輸控制分組和數據分組(因為控制分組和數據分組在一個信道傳輸，所以把他看成是單信道協議)，根據收到的控制分組的信號強度來限制隱藏節點和暴露節點的發射功率，這樣通過調節節點的發射功率減少相互干擾，提高網絡的吞吐量，延長網絡壽命。仿真結果表明此協議在負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，因為長距離的無線通信需要更大的功率，這個功率可能被根據忙音信號所計算的發送功率上限所約束，使長距離的無線通信無法達成。

2.2 雙信道功率控制協議

　　雙信道接入協議通常有一個控制信道和一個數據信道，在控制信道上傳送控制分組，而在數據信道上傳送數據分組。控制信道上的控制分組一般采用最大發射功率發送，而對于數據信道上的數據分組，則根據控制信道上交互控制分組時所得到的信息用最小必須功率發送，數據信道上的ACK分組可以用最小必須功率發送，也可以用最大功率發送。文獻[7]提出的一種基于雙忙音信道功率控制機制和文獻[8]提出的功率控制雙信道(Power Controlled Dual Channel，PCDC)協議都是雙信道接入的功率控制協議，仿真結果表明他們的節能效果也很明顯。

2.3 多信道功率控制協議

　　當協議使用一個控制信道和多個數據信道時稱為多信道協議。多信道接入協議中，控制分組RTS和CTS都在控制信道上傳送，數據分組和ACK在由多信道協議所決定的數據信道上傳送。當節點沒有數據要發送時，則需有一個收發機停留在控制信道，以監聽其他節點之間交互的控制分組。收發兩端通過交互控制信息可在多個數據信道中選擇一個合適的信道，并在切換到所選定的數據信道后發送數據分組及ACK。多信道的好處是在同一時刻，在同一通信區域內可以有多對節點在不同的信道上進行同時通信，在網絡負荷大時比單信道協議有更高的網絡吞吐率。

　　文獻[9]提出的一種多信道功率控制協議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合起綜合考慮。控制分組及廣播分組在控制信道上用最大功率發送，而數據分組和ACK則在數據信道上用最小必須功率發送。控制信道的作用是用來分配數據信道并且解決使用數據信道時的潛在沖突。協議對信道總數的需求與網絡拓撲和節點密度無關，并且適合在節點密度大的環境中使用，也無需時鐘同步機制，網絡吞吐率比較高。

3 網絡層的功率控制

　　網絡層的功率控制是通過調整發射功率動態改變網絡的拓撲結構和路由選擇，進而使全網的性能達到最優。網絡由于其使用環境的特殊性，節點分布的密度有時是無法預料的，這就需要一種機制來自動調節節點的發射功率，使其能夠根據節點的分布情況自動調節發射功率。發送功率大，通信距離就遠，分組平均轉發的次數就少，但這樣會使信道的空間復用度降低，使每個節點的有效帶寬減小。而減小發射功率，能提高信道的空間復用度，增大節點的有效帶寬，但分組的平均轉發次數要增多，使信道的時間利用率降低。發射功率的選擇，需要在分組平均轉發次數與信道空間復用度之間進行折中，也即通過功率控制選擇基于能耗的路由，達到節約能量和提升網絡效能的目的。與MAC層的功率控制相比，網絡層的功率控制調整頻率應相對較低，這樣可以避免頻繁的拓撲變化產生分組延遲以及路由失效而導致重新選路，減小網絡的負載。

　　文獻[10]提出了一種在節點位置已知、所有節點都用同一發射功率的條件下計算構成全連通網絡所需發射功率最小值的集中式動態功率控制算法。當網絡拓撲發生變化時，可使用此算法獲得構成全連通網絡所必須的最小發射功率。通過采用此方法，在提高網絡吞吐量的同時，也降低了能量的消耗。文獻[11]中提出的COMPOW(Common Power)協議能根據網絡拓撲選擇一個供網絡內所有節點共同使用的發送功率。網絡內所有節點使用同一發送功率的好處是，他能保證鏈路的雙向連通性，即如果節點A發送的分組能夠被B正確接收到，則B發送的分組也能夠被A正確接收到。

4 混合功率控制與跨層優化

　　在Ad Hoc網絡中，功率控制對各個協議層均有重要的影響，因此是典型的跨層優化問題，適于采用跨層優化以優化網絡性能指標。跨層優化通常有2種方式：一是利用在其他協議層所獲得的信息來改進本層的協議，典型的情況是低層的信息反饋給高層；二是將幾個協議合并成一個，如何將Ad Hoc網絡的MAC層、路由層甚至傳輸層捆綁到一個協議中。網絡層與鏈路層相結合的功率控制算法即混合控制，主要策略是在網絡層運用基于能量耗費的路由選擇算法，在鏈路層采取相應的功率控制策略。

　　文獻[12]提出了一種PARO(Power-Aware RoutingOptimization)協議，PARO協議根據一組路由上每一跳的發送功率作為參考標準，在一對節點之間選擇一條總能耗最低的路由；即使某兩節點間可以直接通信，但如果通過一個中間節點轉發能耗更小，則仍然選擇經過中間節點轉發的路由。而在鏈路層，控制分組用最大功率發送，數據分組和ACK用最小必須功率發送。在Ad Hoc網絡中，傳統的路由協議往往以最少跳數作為路由設計的指標，這種算法往往導致節點發送數據時要用較大功率發送，因此PARO協議通過盡可能多地使用轉發節點來減小每一跳發送時的功率，使通信過程中的總能耗最小。PARO是一種按需機制的協議，并不事先主動維護路由，只是當節點需要時才啟動路由發現過程，由此來減少路由發現過程中的能量消耗。PARO是一種最小能量路由算法，與其他路由算法相比，此協議是以能耗作為選擇路由的指標(Metric)。仿真的結果顯示，PARO要比固定發射功率的路由算法節能60％以上，在節點移動不太快的情況下，網絡性能也較穩定，網絡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化的協議：其MAC層采用SIMPLE-對于控制報文RTS／CTS以最大傳輸功率發送，數據與確認報文DATA／ACK以所需的最小傳輸功率發送；網絡層則采用PARP路由協議一其路由的度量與能量值有關。雖然SIMPLE／PARP可顯著降低功耗，但其代價是網絡吞吐量的下降和報文延時的增加。隨后的PARO協議將主動式路由協議PARP改進為按需路由協議，但他們在預約信道時均采用全網統一發送功率的策略。

　　在文獻[14]中，提出了一種分布式基于位置信息的拓撲控制算法，算法包括2個階段：第一階段利用位置信息建立并配置鏈路，第二階段節點應用以功耗作為度量指標的分布式Bellman-Ford最短路徑算法找出最優鏈路。該協議需要節點配備有GPS(全球定位)系統。在文獻[15]中，通過調整發射功率來保證網絡節點在其每個2π／3的扇區內均至少有1個鄰居節點，該方案需要節點增加額外的硬件以支持節點對方向信息可用性的確認。由于以上算法都采用CSMA／CA機制來接入、預約共享無線信道，因此都無法完全避免由于隱藏終端／暴露終端對于網絡性能的顯著惡化。

　　要消除隱藏終端／暴露終端問題，就必須改變其MAC層的信道預約方式，于是一類稱為干擾感知的MAC層協議出現了。該類協議通過廣播CAI(沖突避免信息)來界定鄰近節點的傳輸功率。公式：SINR(i，j)=P(i，j)／(∑P(i，j)+ηj)，表明節點j接收到節點i發送的報文時信噪比。通過設定一個SINR門限，發送節點就可以防止鄰近的節點干擾正在進行的報文傳輸。由于在干擾門限內，允許鄰近節點同時發送數據，因此增大網絡吞吐量并減少了信道競爭所帶來的排隊延時。PCMA協議中每個接收節點通過發送忙音脈沖來通告其干擾的門限。仿真表明該協議的吞吐量是IEEE 802.11的2倍。然而該協議沒有利用跨層優化將路由協議一起捆綁進來，且存在忙音之間的信道競爭問題。PCDC協議強調MAC層與網絡層的相互聯系：通過調整RREQ報文的發射功率，MAC層間接影響了網絡層對下一跳路由的選擇。PCDC將可用帶寬分為2個頻率獨立的信道分別用于傳輸控制報文與數據報文，其中CAI被插入CTS報文中并以最大功率發送，節點收集所得的信息用于建立一個能量有效的鄰居節點子集，節點的RREQ報文以維持該子集所需的最小功率來發送。這樣做的好處是減少功耗、限制子集內報文的廣播以增加吞吐量、降低設計的復雜性并減少開銷。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增加而導致的處理及接收功耗的相應增大。許多新技術相繼應用到Ad Hoc網絡的功率控制設計中：如文獻[17]中將分群(cluster)技術引入功率控制方案中，而文獻[18]則采取聯合調度與功率控制的方案。

5 結 語

　　功率控制是一個典型的跨層優化問題，優良的功率控制設計方案能有效減少Ad Hoc網絡的功耗、增加網絡吞吐量、增大報文發送率。功率控制對于Ad Hoc網絡性能的提高有顯著的影響，但功率控制中采用跨層優化能帶來多大的性能改善尚需進一步的量化。功率控制方案的有效設計，關鍵在于如何說明協議棧各個層之間的互相關系。新技術的不斷引入也給功率控制的研究帶來新方法與新方向。一些值得關注的研究課題有：干擾感知的功率控制方案的實用性及設計假設尚待評估，如PCDC假設控制信道與數據信道具有同樣的信道增益，但控制報文長度遠小于數據報文，其在相同無線信道情況下，傳輸控制報文的成功率將大于傳輸數據報文；現存的標準和硬件間的兼容性問題；傳輸功率控制與動態關閉無線網卡機制的結合問題；定向天線技術的引入；基于CDMA組網的Ad Hoc網絡功率控制方面的研究；對傳輸功率控制的多速率支持。