移動自組織網(wǎng)絡(luò)ＭＡＣ層能量有效性分析

(1.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610054;2. 湖南大學(xué) 統(tǒng)計(jì)學(xué)院， 長沙 410079)

摘 要：移動自組織網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命很大程度上依賴于節(jié)點(diǎn)電池的有效利用，設(shè)計(jì)能量有效的算法來延長網(wǎng)絡(luò)壽命成為其核心的問題。分析了MAC層的能量消耗，模型包括了節(jié)點(diǎn)的發(fā)送、接收、空閑和睡眠等狀態(tài)，分析了沖突引起的重傳以及節(jié)點(diǎn)偷聽導(dǎo)致的能量消耗。最后給出了移動自組織網(wǎng)減少能量消耗的策略。

關(guān)鍵詞：移動自組織網(wǎng)；媒體訪問控制協(xié)議；能量有效；偷聽

中圖分類號：TN9295；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：10013695(2009)01027303

Analysis of energyefficient in MAC for mobile Ad hoc networks

XIAO Bailong1，2，GUO Wei1，ZHU Silu1(1.National Key Laboratory of Antiinterference Communication Technology， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu610054， China；2.College of Statistics， Hunan University， Changsha 410079， China)Abstract:In mobile Ad hoc network (MANET)， the lifetime of network largely depends on the efficient use of the nodes batteries. An energy consumption model of medium access control (MAC) protocol was presented for MANET. The MAC modeling included all operation modes of nodes such as transmission， reception， idle and sleep states. Moreover， the energy consumed in overhearing state and retransmission due to collision was considered. The model took into account the interference of nodes in the entire system. Based on the analytical model， some policies to reduce energy consumption for MANET were proposed.

Key words:mobile Ad hoc network(MANET);MAC protocol;energyefficient;overhearing

0 引言

移動自組織網(wǎng)(mobile Ad hoc networks，MANET)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點(diǎn)組成的無須基站支持的多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)。MANET由互聯(lián)和配置的通信設(shè)備組成，主要用于滿足應(yīng)急通信和軍用移動通信需求，如戰(zhàn)場上部隊(duì)快速部署和推進(jìn)、地震或水災(zāi)后的營救等。由于移動節(jié)點(diǎn)的電池壽命有限，電池能量是非常寶貴的資源。能量有效即如何降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及均衡地分布網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命，成為了MANET研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

對于MANET的能量消耗，當(dāng)前的研究主要考慮網(wǎng)絡(luò)層能量消耗的最小化[1~4]，而沒有考慮MAC層由于沖突引起的重傳以及偷聽導(dǎo)致的能量消耗。文獻(xiàn)[5]建立了MAC層的能量消耗模型，分析了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的干擾，但是沒有考慮節(jié)點(diǎn)偷聽所消耗的能量。功率感知多址協(xié)議（power aware multiaccess，PAMAS）[6]是針對自組織網(wǎng)設(shè)計(jì)的以節(jié)能為目的的MAC協(xié)議，通過對IEEE 802.11的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，以使移動節(jié)點(diǎn)可以保存能量。PAMAS為RTS/CTS等控制報(bào)文開辟不同于數(shù)據(jù)信道的控制信道。通過使用獨(dú)立的控制信道，節(jié)點(diǎn)可以確定鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，而在某些它無須偷聽的時(shí)間段，可以關(guān)閉本身的空中接口。PAMAS 大大改善了CSMA/CA的功率管理性能，不過它沒有最終解決隱藏終端帶來的問題。此外，PAMAS開辟一個(gè)獨(dú)立的控制信道在實(shí)際應(yīng)用中也是不經(jīng)濟(jì)的。SMAC[7]可以用于自組織網(wǎng)絡(luò)，也是基于802.11的CSMA機(jī)制，不可能避免沖突。在TRAMA[8]中，節(jié)點(diǎn)通過與鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息而得知本身兩跳范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ８鶕?jù)拓?fù)湫畔ⅲ琓RAMA確定性地分配信道時(shí)隙從而避免沖突。然而這種設(shè)計(jì)是以大大地增加協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和信息交換的開銷為代價(jià)的，導(dǎo)致其實(shí)用性不高。

為了深入分析自組織網(wǎng)絡(luò)的能量效率，本文將給出MAC層的能量消耗模型，分析影響能量消耗的因素以及減少能量消耗的策略。

1 MAC層能量消耗模型

自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議通常均是基于IEEE 802.11。802.11定義了兩種功率管理模式，即active和PS(power saving)。在active模式中，節(jié)點(diǎn)始終保持高功率輸出的蘇醒狀態(tài)。在PS模式中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送和接收需要在蘇醒和睡眠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，睡眠狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)低功率輸出且不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。已有研究討論過MAC層的能量消耗模型。文獻(xiàn)[9]提出了一種能量消耗模型，它包含四個(gè)狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠，如圖1所示。發(fā)送分組時(shí)功率最大，接收分組時(shí)功率次之。空閑狀態(tài)是節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送或接收分組，其功率較小。睡眠狀態(tài)的能量消耗很小可以忽略不計(jì)。在能量消耗模型中，包括發(fā)送、接收和空閑狀態(tài)的能量消耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)因載波偵聽會消耗較多的能量。因此，模型還需要包括偷聽的能量消耗。

在IEEE 802.11 DCF中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在緩存中有分組需要發(fā)送時(shí)，如果檢測到信道空閑，它首先發(fā)送RTS(request to send)分組給目的節(jié)點(diǎn)。接收方在檢測到信道空閑時(shí)返回CTS(clear to send)分組。一旦正確接收到CTS，源節(jié)點(diǎn)就發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并等待確認(rèn)分組ACK。傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)偷聽自己是否是RTS、CTS、ACK和DATA分組的目的節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是飽和的，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)一直都有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。模型使用G. Bianchi[10]提出的恒定發(fā)送概率模型。假設(shè)信道沖突是造成重傳的惟一因素，DCF的機(jī)制可以近似地看做在每個(gè)時(shí)隙(slot)的發(fā)送概率相等。在每個(gè)時(shí)隙σ的開始時(shí)刻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均以相等的概率p發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)DCF中的最小競爭窗口為W，該節(jié)點(diǎn)檢測到信道忙的概率為β，后退窗口共有m級，同時(shí)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)在競爭信道，則可得關(guān)系式為

p=2/(1+W+βWm-1i=0(2β)i)

β=1-(1-p)N-1(1)

在W已知的情況下，從式(1)可以解得概率p，且有惟一解。文獻(xiàn)[10]中只分析了所有節(jié)點(diǎn)的初始競爭窗口相同的情況，即所有節(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級。而在802.11e中，針對不同優(yōu)先級的訪問類別(access categories，AC)有不同的初始競爭窗口Wi。那么，若針對特定的ACi，發(fā)送概率為pi，檢測到信道忙的概率為βi，每個(gè)ACi有Ni個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)，則可得關(guān)系式為

pi=2/(1+Wi+βiWim-1j=0(2βi)j)

βi=1-(1-p)Ni-1j≠i(1-pi)Ni(2)

圖2給出了節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)選定時(shí)隙的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

節(jié)點(diǎn)可以從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空閑、成功傳輸和RTS/CTS/ACK/DATA傳輸沖突等狀態(tài)。利用p可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。設(shè)傳輸范圍外的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Nout，最大的干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)為Nlim，RTS、CTS、data和ACK分組的傳輸時(shí)間分別為TRTS、TCTS、Tdata、TACK，data成功傳輸?shù)臅r(shí)間為TSUC。從空閑狀態(tài)到睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率(Pis)由PS模式的睡眠機(jī)制決定。特別地，當(dāng)Pis=0時(shí)功率管理為active模式。設(shè)從空閑狀態(tài)到空閑、成功發(fā)送、RTS分組發(fā)送沖突、CTS分組發(fā)送沖突的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分別為Pii、Pit、Pir和Pic，則有[5]

Pii=(1-p)N(1-Pis)(3)

Pit=p(1-p)N-1Phidden_suc(4)

Phidden_suc=（Nlimj=0pj(1-p)Nout-Nlim）(Tsuc/σ)(5)

Pir=p（-(1-p)N-1)+p(1-p)N-1Phidden_rts(6)

Phidden_rts=(1-Nlimj=0pj(1-p)Nout-Nlim)(TRTS/σ)(7)

Pic=p(1-p)N-1Phidden_cts(8)

Phidden_cts=(1-Nlimj=0pj(1-p)Nout-Nlim)(TRTS-TCTS)/σ(9)

從空閑狀態(tài)到data傳輸沖突的轉(zhuǎn)移概率(Pid)，由于RTS和CTS已經(jīng)成功傳輸，則有

Pid=p(1-p)N-1Phidden_data(10)

Phidden_data=(1-Nlimj=0pj(1-p)Nout-Nlim)(Tdata-TCTS)/σ(11）

由所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率之和為1，則可得從空閑狀態(tài)到ACK傳輸沖突的轉(zhuǎn)移概率(Pia)為

Pia=1-Pii-Pis-Pit-Pir-Pic-Pid(12)

設(shè)空閑、睡眠、成功發(fā)送、RTS/CTS/DATA/ACK分組沖突的穩(wěn)態(tài)概率分別為Si、Ss、St、Sr、Sc、Sd和Sa。則由Si+Ss+St+Sr+Sc+Sd+Sa=1，Pii+Pis+Pit+Pir+Pic+Pid+Pia=1以及馬爾可夫鏈的封閉形式SiPii+Ss+St+Sr+Sc+Sd+Sa=Si，有

Si=1/(2-Pii)(13)

由此可得St=SiPit，Sd=SiPid，控制分組傳輸發(fā)生沖突的概率為Scol_ctr=Si(Pir+Pic+Pia)。

下面利用這個(gè)概率模型來分析MAC層的能量消耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向某接收節(jié)點(diǎn)單播分組時(shí)，它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)均會偷聽，而這需要消耗能量。在802.11 PS模式中，節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)也要競爭信道，這就使得節(jié)點(diǎn)要保持蘇醒狀態(tài)等待接收數(shù)據(jù)。這種保持蘇醒導(dǎo)致的額外能量開銷，可以算做偷聽造成的開銷。首先分析節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)所需的等待時(shí)間，設(shè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)前等待的時(shí)間為Tw，遇到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的概率為Pot=1-Pii-Pis-Pit，則有

TwPit=Piiσ+PotTdata(14)

可得Tw=(Piiσ+PotTdata)/Pit。在等待Tw后，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送一個(gè)PS_poll控制分組然后再接收數(shù)據(jù)，短幀間間隔為SIFS，于是成功接收數(shù)據(jù)的整體時(shí)間為

Ttw=Tw+Tps_poll+SIFS+Tdata(15)

設(shè)節(jié)點(diǎn)偷聽狀態(tài)的功率為Po，則保持蘇醒的節(jié)點(diǎn)偷聽消耗的能量Eo為

Eo=(N-1)(1-Ss)(St+Sd)Po×Ttw(16)

設(shè)節(jié)點(diǎn)在傳輸、接收和空閑狀態(tài)的功率分別為Pt、Pr和Pi，控制分組傳輸時(shí)間為Tctr，于是可得MAC層在時(shí)隙σ的能量消耗Emac為

Emac=SiPiiPiσ+(St+Sd)(Pt+Pr)×Tdata+

(St+Scol_ctr)(Pt+(N-1)(1-Ss)×Pr)×Tctr+Eo(17)

2 減少能量消耗的策略

由第1章的分析可知，影響MAC層能量消耗的因素包括發(fā)射功率、分組到達(dá)率、競爭窗口、睡眠機(jī)制和節(jié)點(diǎn)密度等。下面分析減少能量消耗的策略。

1）減少偷聽

對于以CSMA/CA為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議來說，偷聽是不可避免的。偷聽是節(jié)點(diǎn)能量消耗的重要原因之一，因此減少偷聽是能量有效性研究中的關(guān)鍵問題。節(jié)點(diǎn)在確定無須收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)段中可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少偷聽以節(jié)約能量。根據(jù)第1章的分析，對802.11 PS模式中節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的等待時(shí)間進(jìn)行仿真，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是飽和的。圖3顯示了一個(gè)工作在802.11 DCF下節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間（Ttw/Tdata）。可以看到，隨著參與信道競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，即節(jié)點(diǎn)密度增加，等待時(shí)間會急劇地上升，這對處于PS模式下的節(jié)點(diǎn)來說是一種能量浪費(fèi)。圖3同時(shí)顯示了不同競爭窗口對等待時(shí)間的影響。設(shè)W為初始競爭窗口，W越大，則等待時(shí)間的曲線的斜率越小。當(dāng)用戶數(shù)量很小時(shí)，小的競爭窗口可以引入小的后退時(shí)間，因而節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間也較短；但隨著用戶數(shù)量的增加，發(fā)生沖突的概率增大，較小的W造成很大的沖突概率，W越大則沖突概率越小，造成的能量消耗也越小。

在802.11e中，無線節(jié)點(diǎn)可以通過EDCA(enhanced distributed coordination access)方式接入。EDCA機(jī)制與802.11 DCF相似，只是針對不同優(yōu)先級的訪問類別AC有不同的幀間隔AIFS(arbitrary interframe spacing)和競爭窗口CW。在EDCA中，訪問優(yōu)先級是影響偷聽的重要參數(shù)，可以用初始競爭窗口的大小來反映。圖4顯示了PS模式下的節(jié)點(diǎn)處于不同優(yōu)先級時(shí)等待時(shí)間隨著競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而變化的情況。一個(gè)PS模式下節(jié)點(diǎn)的初始窗口固定在15，通過改變其他所有普通節(jié)點(diǎn)的初始窗口W來改變節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。可以看到，隨著PS模式下節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級的提高，節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間將減少，從而減少其能量消耗；隨著競爭信道節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間將增加，但隨著PS模式下優(yōu)先級的提高，普通競爭節(jié)點(diǎn)的影響將降低。

2）減少沖突

沖突將導(dǎo)致重傳，重傳對頻率資源和能量資源均造成了大量的浪費(fèi)。PAMAS和SMAC均可以應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)，也都是基于802.11的CSMA機(jī)制的，不可能避免沖突。ECMAC[11]有效地減少了沖突，但也只能應(yīng)用于有基站的網(wǎng)絡(luò)。TRAMA通過確定性地分配信道時(shí)隙從而避免沖突，但協(xié)議設(shè)計(jì)復(fù)雜導(dǎo)致其實(shí)用性不高。在沖突發(fā)生的概率較大時(shí)應(yīng)該采用較小的分組以減小損失。

3）減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換

狀態(tài)轉(zhuǎn)換也將給移動節(jié)點(diǎn)帶來很大的能量開銷。狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要有兩種：a)蘇醒與睡眠之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；b）蘇醒狀態(tài)下，發(fā)送與接收之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的主要方法是有效地分配信道。對于實(shí)際的無線網(wǎng)卡，收發(fā)轉(zhuǎn)換造成的能量消耗相對于蘇醒/睡眠轉(zhuǎn)換來說是可忽略的。

4）功率控制

功率控制是指在通信過程中調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率以減少不必要的傳輸能量消耗，同時(shí)可提高信道的空間復(fù)用度，降低對鄰居節(jié)點(diǎn)的干擾，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。通過使用功率控制，在能維護(hù)全局鏈路連通性的基礎(chǔ)上，盡量以最低的功率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)前自組織網(wǎng)絡(luò)中對功率控制的研究主要集中在兩個(gè)方面，即網(wǎng)絡(luò)層的功率控制和MAC層的功率控制。前者是通過改變發(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，使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)。后者是在網(wǎng)絡(luò)層功率控制所確定的最大發(fā)射功率前提下，根據(jù)下一跳節(jié)點(diǎn)的距離和信道質(zhì)量等條件動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。與網(wǎng)絡(luò)層的功率控制相比，MAC層的功率控制是一種經(jīng)常性的調(diào)整，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀均可能要進(jìn)行功率調(diào)整。

5）減少控制開銷

發(fā)送和接收控制消息需要消耗能量，同時(shí)引起沖突而浪費(fèi)能量，因此應(yīng)該盡可能減少網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的控制開銷。根據(jù)前面的分析可知，如果降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷p的值，則睡眠狀態(tài)Ss將增加，而傳輸沖突概率Sd、Scol_ctr將減少，偷聽消耗的能量Eo也將隨之減少，從而降低MAC層的能量消耗Emac。對于MANET的路由協(xié)議來說，在路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的過程中，通常使用洪泛的方式發(fā)送控制消息，而很多控制消息的傳播均是冗余的。為了節(jié)約能量，應(yīng)該盡可能地減少冗余路由控制消息的發(fā)送，這為路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)研究方向。

3 結(jié)束語

當(dāng)前對自組織網(wǎng)絡(luò)中能量有效性的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層。為了深入分析自組織網(wǎng)絡(luò)的能量效率，本文給出了MAC層的能量消耗模型。該模型包括了節(jié)點(diǎn)的發(fā)送、接收、空閑和睡眠等狀態(tài)，考慮了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的干擾，還分析了重傳和偷聽導(dǎo)致的能量消耗。可以看出，影響MAC層能量消耗的因素包括發(fā)射功率、分組到達(dá)率、競爭窗口、睡眠機(jī)制和節(jié)點(diǎn)密度等，對鄰居節(jié)點(diǎn)的偷聽是節(jié)點(diǎn)能量消耗的重要原因。在此模型基礎(chǔ)上，分析了減少能量消耗的策略，為進(jìn)一步研究自組織網(wǎng)絡(luò)基于能量有效的相關(guān)協(xié)議提供了依據(jù)。

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