无线Ad Hoc网络中能量有效的协议设计

摘要

无线AdHoc网络是由无线移动节点在无需中央管理单元支持的情况下，通过在节点之间自组建立连接而形成的网络。近年来，由于其具有无需固定基础设备的支持而构建移动通信网络的自组性、灵活性和快速性，无线AdHoc网络越来越引起研究人员的兴趣。 在无线AdHoc网络中，移动节点由电池供电，彼此通过多跳的方式相互通信，所以如何节省能量消耗成为了一个非常重要的研究问题。为此本文着重讨论在无线AdHoc网络中考虑能量效率的协议设计所遇到的问题和相应的解决方法。主要内容包括：用分布式算法为无线AdHoc网络创建最小连通支配集问题、分析IEEE802.11协议的分布式协作函数(DCF)访问控制机制的能量效率和不同的协议参数设置对IEEE802.11协议的能量效率的影响、设计能量节省的MAC层协议应该考虑的问题和解决方法和联合考虑能量节省和功率控制的MAC层协议设计问题。论文的第一章首先对相关背景作了简单回顾，接着在第二到第五章针对每个问题进行了详细地讨论。 第二章对如何在无线AdHoc网络中用分布式算法创建最小连通支配集的问题进行了研究。近几年来，研究者提出由属于连通支配集中(ConnectedDominatingSetCDS)的节点创建虚拟骨干网来节省无线AdHoc网络的能量消耗和提高网络的性能。总的来说，一个支配集满足这样的条件：图中的节点不是属于这个支配集，就是和支配集中的某个节点相邻。而CDS就是连通的支配集。然而，如何寻找最小连通支配集MCDS(MinimumConnectedDomnatingSet)是图论中一个著名的NP-hard问题。因此文献中提出了创建MCDS的近似算法。然而这些算法不是有较差的近似比，就是有高的时间和消息复杂度。论文第二章提出了一种新的分布式近似算法，此算法为无线AdHoc网络创建最小连通支配集(MinimumConnectedDominatingSet)，简称为MCDS。此算法具有完全局部性，具有常数的近似比，而且具有O(n)的时间复杂度和O(n)的消息复杂度。在此算法中每个节点只需要一跳邻居的信息，而且在两个不超过三跳距离的dominator节点之间只找出一条最短的路径。文中证明了此算法的优越性并分析了算法的性能。通过仿真实验和其他创建MCDS的近似算法相比较，本章提出的算法具有更好的性能，从而能够节省更多的能量。 IEEE802.11协议是在无线AdHoc网络中应用最广泛的MAC层媒体访问控制协议。IEEE802.11协议的分布式协作函数(DistributedCoordinationFunctionDCF)为移动设备共享无线媒体提供一种基于竞争的分布式信道访问控制机制。然而，当设备是移动的或者是便携设备的时候，由于这些设备通常是由电池供电，能量消耗成为了一个需要考虑的主要问题。因此第三章主要分析了IEEE802.11协议的DCF函数的能量效率并且提出了一个数学模型来计算IEEE802.11协议中基本访问机制、RTS/CTS访问机制和混合访问机制的能量效率。仿真实验结果验证了数学模型的正确性。在此基础上，本章还研究了网络大小(网络中节点的数量)，平均数据包长度，初始竞争窗口大小和最大回退次数对IEEE802.11协议能量效率的影响。 IEEE802.11协议除了为基于竞争的媒体访问模式规定了分布式协作函数(DCF)之外，还为AdHoc模式提供了称为独立基本服务集(IBSS)能量节省模式(PSM)。然而在AdHoc网络环境中运行IEEE802.11协议的PSM模式时，仍然会造成大量的能量浪费。因此第四章提出了IEE-MAC，一个改进的能量有效的无线AdHoc网络MAC层协议，该MAC协议专为基于IEEE802.11的无线AdHoc网络设计。在IEE-MAC协议中，每个节点通过在ATIM窗口中交换控制信息来分布式地创建一个调度表。每个节点只是在调度表指示的规定时间内苏醒过来发送或接收数据，完成数据传输后则进入睡眠状态来保存能量。使用这种机制，IEE-MAC协议可以避免在IEEE802.11协议的PSM模式中存在的冲突、旁听(overhearing)和空闲侦听(idlelistening)所造成的能量消耗。除此之外，IEE-MAC还可以根据网络中实际的通信量来自适应地调整ATIM窗口的尺寸，从而在不造成网络的吞吐量明显下降的条件下避免额外的能量消耗。仿真实验表明本章提出的IEE-MAC协议和文献中提出的其它协议相比，可以取得更好的能量效率和吞吐量。 功率控制可以在增加网络容量的情况下节省节点的能量消耗。在IEEE802.11协议中，节点都是使用固定的最大传输功率Pmax进行控制信息(RTS/CTS)和数据的传输。这种采用固定最大传输功率Pmax传输有两个缺点：一个是不能充分利用空间，减少了相邻节点之间的并行传输，从而降低了网络的容量；另一个是不管节点之间实际的距离如何，都采用最大的功率进行数据传输，显然会造成能量的浪费。因此对节点实行功率控制可以解决这两方面的问题。在文献中对单跳环境下的能量节省(通过节点周期睡眠的机制)和功率控制都分别做了大量的工作，但是还没有一个协议将多跳环境下的能量节省和功率控制联合起来考虑。论文第五章提出了一个单信道环境下，在多跳无线AdHoc网络中联合能量节省和功率控制的协议——PSPC。本章首先提出了一个在无线多跳AdHoc网络环境下的时钟同步协议，然后在此同步协议的基础上来实现联合能量节省和功率控制的PSPC协议。在PSPC协议中每个周期分为两个阶段：交换控制信息窗口阶段和数据传输阶段。在交换控制信息窗口期间，节点通过交换控制信息来估计传输数据时实际需要使用的传输功率。与此同时接收节点将自己在接收数据过程中可以容忍的最大噪声功率通知给可能造成冲突的相邻节点，以便他们可以决定自己最大允许的发送功率，从而在不影响邻居节点接收数据的情况下实现并行的数据传输。在控制信息窗口结束之后，节点根据在控制信息窗口中获得的信息来决定自己在数据传输阶段是否可以传输以及用多大功率传输。不能传输或者没有数据传输的节点则进入睡眠状态，直到本次周期的结束。仿真实验证明了本章提出的PSPC协议在取得显著的能量节省的同时增加网络的容量。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章在无线Ad Hoc网络中用分布式算法创建最小连通支配集

第三章分析IEEE 802.11协议分布式协作函数DCF的能量效率

第四章IEE-MAC：一种改进的能量有效的无线Ad Hoc网络MAC层协议

第五章PSPC：无线Ad Hoc网络中联合能量节省和功率控制的MAC层协议

5.1研究背景

5.2 IEEE 802.11协议的不足

5.3功率控制的相关工作

5.4单跳和多跳Ad Hoc网络中的时钟同步协议

5.5单跳和多跳Ad Hoc网络中联合能量节省和功率控制的MAC层协议

5.6性能评价

5.7本章小结

结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的发表的论文及参加的项目