自適應動態功率控制的機會網絡節能高效路由算法

李季碧,李賓,任智,陳前斌

(重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室, 400065, 重慶)

自適應動態功率控制的機會網絡節能高效路由算法

李季碧,李賓,任智,陳前斌

(重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室, 400065, 重慶)

針對機會網絡中基于跨層設計的能量高效路由算法(ERBC)存在的未考慮節點運動、部分數據消息傳輸時能耗偏大、矢量消息交換過程有冗余控制開銷的問題,提出一種自適應動態功率控制的節能路由算法(ERAPC)加以解決。ERAPC算法通過拓展確認字符(ACK)幀的使用改進了基于接收信號強度指示值(RSSI)的節點測距機制,將功率控制的范圍從部分數據消息擴展到全部,以減少節點能耗;通過等待收發節點盡可能靠近后才傳送數據,進一步減小節點能量消耗;通過提出一種更簡捷的矢量消息交換新機制,減少網絡控制開銷。仿真結果表明,與ERBC算法相比,ERAPC算法的比特能耗至少降低了27.27%,控制開銷則減小了11.87%以上。

機會網絡;路由算法;節能;功率控制;開銷

路由技術是機會網絡體系結構中的重要組成部分,對數據傳輸和網絡整體性能有關鍵性的影響作用,因此目前受到較多關注[1-4]。節能路由算法的研究重點旨在減少數據傳輸過程中節點的能量消耗。機會網絡中的節點多依靠電池供電,攜帶的能量有限,而在復雜的無線環境下電池的更換往往較為困難,這使得人們開始重視對機會網絡節能路由算法[5]的研究。

目前,根據節能策略的不同,可將機會網絡節能路由算法分為間接節能和直接節能路由算法2大類。典型的間接節能的路由算法包括文獻[6]提出的短期到達率估計算法(short-term arrival rate estimation, STAR)和文獻[7]提出的n-Epidemic路由算法等,該類路由算法通過減少控制消息或數據發送次數來達到節能效果。直接節能的典型路由算法又可分為2類:一類如文獻[8]提出的基于接觸時間的休眠機制(sleep scheme based on contact time, SSCT),該類算法旨在通過讓節點適當地休眠來達到減少能耗的目的;另一類采用功率控制的思路,如文獻[9]提出的基于跨層設計的能量高效路由算法(energy-efficient routing algorithm based on cross-layer design, ERBC),該類算法使用接收信號強度指示值(received signal strength indication, RSSI)等技術調整節點發射功率,通過減少發送功率達到節能的目的。ERBC算法是一種代表性的采用功率控制、具有直接節能效果的路由算法,但在研究中發現ERBC算法在原理方面仍然存在以下不足:①在傳輸數據時只進行一次功率調整,在節點移動的情況下存在功率控制不準確的問題,影響節能效果和傳送成功率;②在2個節點相互傳送數據時只有一個節點能進行功率控制,導致部分數據消息傳輸能耗偏大;③在節點測距時忽略了媒體介入控制(media access control, MAC)層確認(acknowledgement, ACK)幀的使用,使得用于測距的消息種類和數量有限,導致測距開銷偏大;④在矢量交換過程中存在冗余的矢量消息。本文為解決目前機會網絡中具有代表性的節能路由算法ERBC所存在的上述4個問題,提出一種新的自適應動態功率控制的節能高效路由算法——ERAPC。

1 模型及相關技術描述

1.1 機會網絡模型

機會網絡的數學模型為G=(V,E),其中V表示所有節點的集合,V={v1,v2,…,vn}(n表示網絡節點數,vn代表第n個網絡節點),E表示所有鏈路的集合且E=?∪{e1,e2,…,ek}(ek為網絡中第k條鏈路)。

當機會網絡中2個節點相互進入對方的通信范圍時,它們之間會生成1條鏈路,用{ei,(tsi,tei)}表示該鏈路,其中1≤i≤n(n-1),tsi、tei分別表示該鏈路的生成時間和終止時間,且tsi

根據上述機會網絡路由模型,數據消息從源節點S傳輸至目的節點D的過程示意圖如圖1所示。

圖1 機會網絡數據消息傳輸示意圖

在t1時刻存在節點S到B的通信鏈路,記為{e1,(ts1,te1)},則S將攜帶的數據消息傳輸給節點B;在t2時刻存在節點B到C的通信鏈路,記為{e2,(ts2,te2)},則B將攜帶的數據消息傳輸給節點C;在t3時刻存在節點C到D的通信鏈路,記為{e3,(ts3,te3)},則C將攜帶的數據消息傳輸給節點D。可見,上述情形滿足相鄰2條鏈路中前一條鏈路的生成時間均小于后一條鏈路的終止時間。

1.2 能量模型

本文采用的節點能量消耗模型如下[11]

(1)

ERX=kEelec

(2)

式中:k為比特數;d為節點間距離;Eelec為發送和接收單位比特信息的損耗常量;εfs、εamp分別是這2種模型中功率放大電路的功耗系數。式(1)為節點發送信息能耗,式(2)為節點接收信息能耗。

1.3 節點發射功率等級

將節點的固定發射功率P設置為最高等級,把發射功率從0到P平均分為n等份,每一個發射功率等級對應一個相應的通信范圍。假設每個節點的通信范圍是一個半徑為R的圓形區域,將該圓形區域以半徑R為基準分為n份,則發射功率等級y與距離d的對應關系為

(3)

1.4 RSSI測距模型

本文采用地面反射雙線模型,用PS表示節點S的發射信號強度,用PR表示節點R的接收信號強度,則2個節點之間的距離為

(4)

式中:c為傳播影響因子,它是由天線增益和具體的無線信號傳播環境等因素決定的一個常數。

2 ERAPC算法

本文ERAPC算法在功率控制過程中引入ACK幀的使用,節點在發送數據消息時通過RSSI測距多次調整節點的發射功率;自節點利用MAC層的ACK幀的保留位捎帶“有無其他鄰居”信息給它節點,有條件地等待2個節點靠近后再進行消息傳遞;提出在2個節點相遇初期只進行一次摘要矢量(summary vector, SV)和請求矢量(request vector, RV)交互的矢量交換機制。

ERAPC算法的主要操作步驟如下。

設節點A、B相互進入對方的通信范圍并且都有數據要發送給對方;并且假設B收到A周期性廣播的探尋(Hello)消息,記此時為T=0時刻。A、B根據ERAPC算法進行操作的步驟如下。

(1)節點A以固定功率周期性廣播Hello消息(其他節點也進行此操作)。

(2)節點B收到A廣播的Hello消息,記該時刻為t11,節點B以固定功率向A單播SV消息,并且用式(4)根據接收信號強度估算出此時A、B之間的距離

(5)

式中:P是已知的節點的固定發射功率;P1是接收的Hello消息的信號強度值。

(3)節點A收到SV,記此時為時刻t1,節點A用式(4)根據接收信號強度估算出此時A、B之間的距離

(6)

式中:P2是接收的SV消息的信號強度值。

節點A根據計算出來的dAB1,計算發送ACK幀的傳輸距離。為了保證對方節點B一定能夠收到節點A發送的ACK確認幀,假定B以最大速度與本節點A作相反方向的運動的極端情況,則此時估算出來的節點A發送ACK確認幀的傳輸距離為

dACK=dAB1+Tmax(Vmax+Vmine)+

(7)

式中:Tmax為節點的最大處理時延;Vmax為網絡中所有節點的最大移動速度;Vmine為節點自身的移動速度;LACK為ACK確認幀的長度,LSV為SV消息的長度;B為帶寬;此處忽略傳播時延。

為了告知對方節點B是否可以等待兩節點靠近后再進行數據消息傳遞,本節點A采用跨層信息共享機制,如圖2所示,節點A將自己有無其他鄰居節點的信息裝入ACK幀中,選取IEEE802.11標準[12]規定的ACK幀的Frame Control域中的保留字段To DS記錄鄰居節點情況信息:當本節點A周圍有其他鄰居節點存在時則將該字段置“1”,否則置“0”。節點A裝填好ACK幀的鄰居信息后,節點A根據估算出來的傳輸距離dACK作如下判斷:若dACK

圖2 節點跨層信息共享示意圖

(4)節點A發送完ACK幀后,以固定功率向B發送其請求矢量RV。

(5)節點B收到節點A發送過來的RV消息后,記此時刻為t22,再將自己有無其他鄰居節點的信息裝入對RV消息的ACK幀中并以固定功率發送ACK幀,并根據接收信號強度估算出此時A、B之間的距離

(8)

式中:P3是接收的RV消息的信號強度。

節點B計算出dAB22后,作如下判斷。①若dAB11≤dAB22,表明2個節點有相互遠離或者保持相對靜止的趨勢并且短時間內保持該趨勢不變,此時節點B根據計算出來的距離dAB22,假設節點A以最大速度作相反方向運動的極端情況,估算出來的發送dataB1數據消息的傳輸距離為

ddataB1=dAB22+Tmax(Vmax+Vmine)+

(9)

式中:Vmine為節點自身的移動速度;LdataB1為dataB1數據消息的長度。節點B根據計算出來的ddataB1去選擇適當的發射功率等級即可。

節點B以發送dataB1數據消息的發射功率等級去發送節點B剩下的需要發送的數據,直到等待時間Twait2后再進行功率自適應調整。為了保證在等待時間Twait2內節點使用同一發射功率等級發送消息時對方節點一定能夠收到,假設對方節點以最大速度與本節點作相反方向運動,此時計算出來的等待時間Twait2最小

(10)

(11)

式中:VB(t)為節點B的運動速度;Vmax為節點的最大運動速度;R為節點以最高發射功率等級發送消息時的通信半徑范圍;mod表示取余數操作;n是總的功率等級數;d0為2個相鄰的發射功率等級對應的通信范圍之差。等待時間Twait2后,節點B發送數據消息的功率自適應調整過程跟前面所述的一樣。②若dAB11>dAB22,表明2個節點有相互靠近運動的趨勢并且短時間內保持該趨勢不變;如果節點A有其他鄰居節點存在,則節點B根據式(9)估算功率等級,然后發送dataB1數據消息;如果節點A沒有其他鄰居節點,則節點B等待2個節點靠近至最小發射功率等級所對應的通信范圍后,再進行跨層功率調整以發送數據。設等待時間為tB,則有

(12)

如果節點在等待時間內的運動方向沒有發生突變(遠離或者靜止),則等待時間tB后,節點以最小的發射功率等級發送dataB1數據消息;如果節點在等待時間內的運動方向發生突變,則節點立即根據式(9)估算功率等級,然后發送dataB1數據消息;如果沒有數據要發送給對方節點,則節點立即根據dAB22估算功率等級,然后單播發送Hello消息給對方節點,下一個Hello消息延遲到正常的發送時刻發送,并且節點跨層泛聽Hello消息,即在MAC層判斷數據段的長度是否等于Hello消息的長度,如果是的話,則不管在MAC層是單播還是廣播都上傳到網絡層,這樣可避免Hello消息丟失。

(6)節點A、B交換數據消息。在此過程中,發送數據消息用估算功率,發送ACK幀用固定功率。

節點A收到對RV消息的ACK確認幀后,記此時為時刻t2;節點A根據接收信號強度估算出A、B之間的距離

(13)

式中:PACK是接收的ACK確認幀的信號強度。

節點A計算出來dAB2后,作如下判斷。①若dAB1≤dAB2,則表明2個節點有相互遠離或者保持相對靜止的趨勢,此時假設節點B以最大速度作相反方向運動的極端情況,估算出來的發送data1數據消息的傳輸距離為

ddata1=dAB2+Tmax(Vmax+Vmine)+

(14)

式中:Vmine為節點自身的移動速度;Ldata1為data1數據消息的長度;LACK為MAC層ACK幀的長度。節點A計算出來ddata1后,根據ddata1選擇適當的發射功率等級發送數據data1。節點A以發送data1數據消息的發射功率等級去發送節點A剩下的需要發送的數據,直到等待時間Twait后再進行功率自適應調整。對于等待時間Twait的計算,與步驟(5)中所述的一樣

(15)

式中VA(t)為節點A的運動速度。等待時間Twait后,節點A發送數據消息的功率自適應調整過程跟前面所述的一樣。②若dAB1>dAB2,則表明2個節點有相互靠近運動的趨勢:如果節點B有其他鄰居節點存在,則節點A使用發送對SV消息的ACK確認幀的發射功率等級去發送data1數據消息;如果節點B沒有其他鄰居節點存在,則節點A等待2個節點靠近至最小發射功率等級所對應的通信范圍后再進行跨層功率調整發送數據。假設等待時間為tA,則有

(16)

如果節點在等待時間內的運動方向沒有發生突變(遠離或者靜止),則節點在等待時間tA后,以最小的發射功率等級發送data1數據消息;如果節點在等待時間內的運動方向發生突變,則節點立即根據式(14)估算出來的發射功率等級去發送data1;如果沒有數據要發送給對方節點,則節點立即根據dAB2估算功率等級,然后單播發送Hello消息給對方節點,具體操作與步驟(5)中所述的相同。

節點A和B收到對方發來的數據消息后,都以固定功率發送對應的ACK幀。在2個節點隨機爭用信道發送數據消息的過程中,如果出現其中一個節點在等待時間Twait或者Twait2內一直沒有機會發送自己緩存的數據消息,則在等待時間Twait或者Twait2后,節點有機會發送數據消息時,該節點將以固定功率去發送自己將要發送的第一個數據消息,之后的功率自適應調整過程與前面所述的一樣。

此外,在ERAPC算法中,節點也采用數據消息有條件地廣播策略,即當條件{有多個鄰居節點}∩{鄰居中無目的節點}∩{有多個鄰居節點同時需要接收該數據消息}同時滿足時,當前節點對該數據消息進行廣播。并且規定,此時當前節點選擇的發射功率等級必須要保證需要接收數據消息的多個鄰居節點一定能夠接收到該數據消息。

3 ERAPC算法的能耗分析

定理1ERAPC算法相比于固定發射功率的能耗平均減少0.56εfsr2(r為節點以固定發射功率等級發送數據消息時的通信半徑)。

證明設網絡中的任意一個節點位于通信半徑為r的圓形區域中心,鄰居節點可以位于該圓形區域的任一點,x表示2個節點相遇后的距離,則x的分布函數為

(17)

得出上述分布函數的概率密度函數為

(18)

得出2個節點相遇后的平均距離為

(19)

根據式(1)可知,節點以固定發射功率發送1bit信息所需的發送能耗為ETX1=Eelec+εfsr2

(20)

式中:εfs為功率放大電路的功耗系數。

節點以估算功率發送1bit信息的平均發送能耗為

(21)

故得出節點以固定發射功率發送1bit信息和以估算功率發送1bit信息的能耗差為

(22)

由此可知,相比于以固定發射功率發送消息時的情況,ERAPC算法每發送1bit信息,平均可減少大概0.56εfsr2J的發射能耗,從而命題得證。

證明假設在一個L×W的矩形區域中,每個采樣時刻t所對應的網絡可表示為一個簡單無向圖Gp(r)(V,E,t),其中V表示場景中所有的節點,其網絡規模為N=|V|,p(r)表示當通信半徑為r時場景中任意2個節點存在無線通信鏈路的概率,當且僅當|vj-vi|≦r時,2個節點{vj,vi}互為鄰居,即組成鏈路集合E,則由條件可知,場景中節點的度為

λ=πr2(N/L)W-1

(23)

節點的到達數滿足泊松分布

(24)

假設2個節點相遇后,相互之間進行消息交互的概率為a,則平均每個節點與其相遇節點進行消息交互的次數Y服從強度為λa的泊松分布,則得出總的節點相遇并進行信息交互的次數為λaN。

根據算法原理可知,在ERAPC算法中所有發送的數據消息都能以估算功率發送,而在ERBC算法中,只能有一半的數據消息以估算功率發送,則相比于ERBC算法,ERAPC算法平均可減少的數據消息發送能耗為

(25)

ERAPC算法在每次節點相遇時減少了一個RV消息和一個SV消息的發送,并且減少的這個RV消息和SV消息在ERBC算法中都是以估算功率發送的,因此相比于ERBC算法,ERAPC平均減少的總的控制消息發送能耗為

(26)

另外,在ERBC算法中,節點每次以固定發射功率發送ACK確認幀,而在ERAPC算法中,節點在每次相遇交互消息時,可以以估算功率發送ACK確認幀,則ERAPC算法平均可減少的ACK確認幀的發送能耗為

(27)

綜上,即得出在相同的網絡條件下,ERAPC算法比ERBC算法平均減少的發射能耗為

(28)

顯然,PEERPC>0,即ERAPC算法的能耗相對更小。

證畢。

4 仿真分析

使用仿真軟件平臺OPNET Modeler 14.5進行仿真。參考經典的Epidemic算法[13]和ERBC算法在驗證過程中采用的仿真參數設置,同時考慮目前常用的IEEE802.11a標準定義的指標,對主要仿真參數的設置如表1所示。

根據節點初始通信范圍的不同,設置了5個不同的仿真場景,在每個仿真場景中都將節點的發射功率等級設置為8級。節點的不同初始通信范圍所對應的8個功率等級通信范圍如表2所示。

在每個仿真場景下分別運行ERAPC、Epidemic、n-Epidemic和ERBC算法,并分別統計這4個算法在不同仿真場景下的節點比特能耗、歸一化控制開銷、網絡壽命和數據消息傳送成功率,每組實驗分別進行5次,實驗結果取平均值。所得到的實驗結果如圖3～圖6所示。

表1 仿真參數設置

表2 能量等級對應的通信范圍

圖3顯示了在不同的仿真場景下1bit數據消息從源節點成功送達目的節點所消耗的平均能量。從圖3中可以看出,隨著節點通信范圍的擴大,統計出的節點比特能耗增大,這是因為節點通信范圍的擴大使得節點之間的接觸機會增多,節點之間交互次數增多,節點能耗增大的緣故。Epidemic算法和n-Epidemic算法因為沒有使用發射功率自適應調整策略,故其節點比特能耗較大。

圖3 4種算法的節點比特能耗比較

此外,相比于ERBC算法,新算法ERAPC的節點比特能耗最多減少了31.92%。這是由于以下2個原因造成的:一是新算法ERAPC優化了功率自適應調整過程的節能策略,有條件地等待2個節點靠近后再進行跨層功率調整發送數據消息,增加了估算等待時間Twait,在節點發送消息時多次動態調整節點發射功率,使得新算法減少了能量浪費現象;二是新算法ERAPC減少了RV消息和SV消息的發送個數,從而減少了節點發送多余消息造成的能量消耗。

實驗中的統計量歸一化控制開銷是所有節點發出的控制消息包含的比特數與所有節點發送的控制消息和到達目的節點的數據消息包含的比特數之和的比值。圖4為4種算法的歸一化控制開銷比較。由圖4可見,本文ERAPC算法的歸一化控制開銷在每個場景中均低于ERBC、Epidemic和n-Epidemic算法,這主要是因為ERAPC算法減少了控制消息SV和RV的發送個數。

圖4 4種算法的歸一化控制開銷比較

圖5 4種算法的網絡壽命比較

圖5顯示的是不同仿真場景下節點網絡壽命比較情況。由圖5可見,隨著節點通信范圍的擴大,第一個節點死亡的時間越來越早,這是因為隨著節點通信范圍的擴大,節點間的接觸機會增多,消息交互頻繁程度加大,這使得節點的能量消耗增大,進而導致節點容易過快死亡。另外,如圖5中所示,使用了ERAPC算法的網絡壽命要長于另外3種算法的網絡壽命,這是因為ERAPC減少了RV消息和SV消息的發送,有效地減少了節點的發射能量消耗,從而延長了網絡壽命。

圖6顯示的是不同的仿真場景中成功接收的數據消息數占發送數據消息總數的百分比的比較情況。由圖6可見,隨著節點通信范圍的擴大,數據消息傳送成功率出現了一定程度的降低,這是因為隨著節點通信范圍的擴大,節點間的接觸機會增多,會出現導致部分節點的能量消耗過快而死亡的情況,進而造成數據消息傳送成功率的降低。另外,ERAPC算法的數據消息傳送成功率要高于另外3種算法,這是因為ERAPC算法比其他3種算法更加節能的緣故。

圖6 4種算法的數據消息傳送成功率比較

5 結 論

本文針對基于功率控制的機會網絡節能路由算法存在的節能效果不足和控制開銷偏大等問題,提出一種自適應動態功率控制的機會網絡節能高效路由算法ERAPC。新算法重新設計了節點的自適應動態發射功率調節機制,調整了用于測距的消息種類,有條件地等待2個節點靠近后再用更小的功率發送數據消息,并且減少了RV和SV消息的冗余發送。仿真結果表明,與ERBC算法相比,ERAPC算法至少降低了27.27%的數據傳輸能耗和11.87%的控制開銷。

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(編輯 劉楊)

AnEfficientEnergy-SavingRoutingAlgorithmforOpportunisticNetworkswithDynamicallyAdaptivePowerControl

LI Jibi,LI Bin,REN Zhi,CHEN Qianbin

(Key Laboratory of Mobile Communications Technology of Chongqing, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

An efficient energy-saving routing algorithm with dynamically adaptive power control(ERAPC) is proposed to address the problems that there exist large energy consumption for transmitting partial data packets, no consideration of node’s mobility and high control overhead in vector exchange mechanism lying in the energy-efficient routing algorithm based on cross-layer design (ERBC). The ERAPC extends the usage of acknowledgement (ACK) frames to improve the RSSI-based ranging mechanism, to enlarge the range of power control to all data messages and to reduce nodal energy consumption. Until the sender and the receiver move as close as possible, the data messages are sent out to lower the transmit power further; and an efficient new mechanism of exchanging vectors is presented in ERAPC to decrease the control overhead. Simulation results and comparison with the ERBC algorithm show that the energy consumption of each bit in the ERAPC is reduced by at least 27.27% and the control overhead is reduced by at least 11.87%, respectively.

opportunistic networks; routing algorithm; energy-saving; power control; overhead

2014-07-31。

李季碧(1975—),女,碩士,講師;任智(通信作者),男,教授。

國家自然科學基金資助項目(61379159);教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT1299);重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA40051)。

時間:2014-09-22

10.7652/xjtuxb201412008

TP393.04

:A

:0253-987X(2014)12-0049-08

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140922.1520.004.html