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1、鋈蔓笪望焦堂金笙奎叁A dH o c 网络节能技术温永强解放军理工大学通信工程学院研一队；南京；2 1 0 0 0 7摘要：A dH o c 网络具有不依赖任何固定设施、无中心、自组织、多跳性等众多优点，存军事和民用领域柯着厂阔的应用f 河景。A dH o c 网络的节点是由电池供电的，电池能量的有限性成为A dh o c 网络发展的瓶劲之一，如何减少能量消耗是A dh o c网络研究的一个热点话题。本文对A dh o c 网络现有1 ：! 小符能技术进行了分类分析。关询：A dH o c 网络；功率控制；低功率节能模式：能量敏感路由A dh o c 网络是一种不依赖任何已有的固定设施，网络拓
2、扑自组织的，各移动节点地位平等，能自付1 移动的多跳无线网络。由于A dh o c 网络具有组网：疗便迅速，抗毁能力强等特点，在应付突发事付：和执行临时任务的场合以及军事战术通信系统中具有广阔的应用前景。由于A dh o c 网络中节点是由电池供电的，加之电池技术的缓慢发展，移动节点的能景有限性成为A dh o c 网络发展的瓶颈之一。如何减少能餐消耗 成为A dh o c 网络研究的个热点。A dh o c 网络的节能可以从通信协议栈的不同层来考虑。由于每层都有关于网络通信的信息，因此可以利用不同的机制来进行节能。目前A dh o c 网络节能技术一般可以归纳为功率控制，低功率模式和能量敏感
3、路由三类，本文着重分析了后面两类。一、功率控制技术n 1A dh o c 网络采用功率控制技术的主要目的是通过调整发送节点的信号发射功率来提高信道的空间复用度，同时减少对邻近节点的干扰，最终提高整个网络的容量。当前A dh o e 网络的功率控制技术研究主要集中在两个方面，即网络层的功率控制和链路层的功率控制。网络层功率控制所关心的问题是如何通 过改变发射功率来动态的调整网络的拓扑结构和选路，使全网的性能达到最优。而链路层的功率控制主要是通过M A C 协议来完成，根据每个报文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。相对于网络层的功率控制而言，链路层的功率控制是一种经常性的调整，
4、每发送个数据报文都可能要进行功率控制，而网络层的功率控制则是在一个较长的时间内才进行一次，调整频率较低。使用时可以将这两种功率控制机制结合起来，用网络层的功率控制来调整网络拓扑和选路，而在发送报文时根据目的节点的远近调整发送所用的功率。从理论上说，在进行功率控制的同时也可降低节点的能量消耗，但从实际应用效果来看，这种节能作用非常有限。因此，要达到显著降低节点能耗的目的还需要通过其他节能技术来解决。低功率模式节能技术1 、低功率模式节能的提出7 无线网卡( N I C ) 的能量消耗在节点总消耗中占的比重相当大，在膝上电脑中无线网卡的能量消耗 占其总能耗的2 0 ，而在掌上型电脑中这一比例甚至高
5、达8 0 以上。文 3 对L u c e n t 公司I E E E 8 0 2 1 1 的W a v e L A NP C 无线网卡的能量消耗进行了深入的分析。图l 和图2 是其中的两个实验结果。从图中可以发现，无线网卡在空闲时间也要消耗相当大的能量。这是由于A dH o c 网络不依赖于基站，节点在不进行收发数据的时候要随时监听邻近节点控制报文的交互，并且需要随时对发往本节点的R T S 控制报文做 出响应。因此在节点的空闲时间可以通过关闭无线网卡使其处于睡眠状态来减少其能量消耗。需要注意的是，无论处于什么状态，节点本身是处于开状态的，仅仅是无线网卡是开或者是关的。1 3 31 5 1 2
6、 5 01 0 0 0蕾 宣7 5 0饕5 0 02 5 0，04 蜊S 翻嘲lI 时Sa a t a静一垒荽删 专翻K * A C K 慨磷渊k5 0 0u S d i v图1 发送点到点2 M b p sU D P I P 业务b 舒砌s e n dI! C r SA C KI _抽彳书_珏 aR 1匿d ak二i a 埝矿 _ 州妨o H岫 心，M 、5 0 0 p s d i v图2 接收点到点2 M b p sU D P I P 业务2 、A dH O G 网络中I E E E8 0 2 11 的节能模式( P o w e r S a v i n gM o d e ，P S 模式)
7、H 1I E E E8 0 2 1 1 节能模式假设网络中所有的节点都是连通并且是同步的。节点工作于节能模式时，时间轴被分为若干连续的b e a c o n 间隔。当一个b e a c o n 间隔开始时，节点首先发送一个b e a c o n 帧来同步移 动节点的时钟，然后唤醒一段时间，这段时间称之为A T I M ( A dh o cT r a f f i cI n d i c a t i o nM e s s a g e ) 窗口。由于假设所有的节点都是连通并且是同步的，因此所有节点的A T I M 窗口就会同时打开。如果节点有缓存的单播数据要发送，它可以在P S 模式下发送一个A T
8、I M 帧给目的节点，然后它自己就处于激活状态。收到A T I M 帧的目的节点应该回答一个A C K 并且在剩余的时间内处于激活状态。源节点的A T I M 窗口结 束以后就开始发送分组。对于缓存的广播分组，A T I M 帧不需要确认，收到A T I M 帧后目的节点就处于激活状态，源节点的A T I M 窗口结束以后就开始发送分组。如果节点没有数据要发送，则节点在A T I M 窗口结束可将N I c 置为睡眠模式以节省能量。 在多跳A dH o c 网络中，通信的时延和节点的移动是不确定的。I E E E8 0 3 , 1 1 节能模式当应用到多跳网络的时，就会出现时钟同步和邻居发现的
9、问题。由于没有精确的时钟，网络中的节点就不知道其他节点何时会醒来接收分组。在P S 模式下，节点发送信号和接收信号的机会减少，一个节点就可能不知道他处于节能状态的邻居节点的信息，不精确的邻居节点信息会使许多依赖于邻居信息的路由协议受到影响。 3 几种对IE E E8 0 2 11 的节能模式进行改进的节能协议晦】下面介绍几种对I E E E8 0 2 1 l 的节能模式进行改进的节能协议。此时b e a c o n 间隔的窗口分为激活窗口，b e a c o n 窗口，和M T I M ( M u l t i h o pa dh o cT r a f f i CI n d i c a t i
10、o nM e s s a g e ) 窗口三种( 如图3 所示) 。在激活窗口，P S 节点正常接收和发送分组。节点在b e a c o n 窗口和M T I M窗口能够发送各自的b e a c o n 帧和M T I M 帧( 其作用和A T I M 帧的作用是一样的) 。l = _B e a c o n I n t c r v a 一l 卫圜 酉口B e 举o nW i n d o w囵M T I MW i n d o w圈3 激活窗口，b e a c o n 窗口，和M T I M 窗口B I ：b e a c o n 间隔的长度；A W ：激活窗口的长度： B W ：b e a c o
11、 n 窗口的长度；M W ：M T I M 窗口的长度；( 1 ) D o m i n a t i n g A w a k e - I n t e r v a l ：这个协议的基本思想是使节点处于足够长时间的激活状态，以保证相邻节点能够相互发现。D o m i n a t i n g A w a k e 是指一个节点在每个b e a c o n 间隔至少有一半的时间处于激活状态。为保证所有P s 节点的b e a c o n 窗口能够和邻居节点的激活窗口有重合，可以要求么形酬2 + B W 。这个协议适合于节点快速移动的环境。1 3 4一勺i【IIo”i一口芒、L_IIo价o湖渤咖瑚锄抛o 每
12、) 脚薄A Ip，匹【Io”生一p哩。价鋈莶塑望笪堂垒笙壅叁( 2 ) P e r i o d i c a l l y F u l l y A w a k e I n t e r v a l ：为T D o m i n a t i n g - A w a k e 。I n t e r v a l 的激活时间，降低节点的能量消耗，这个协议使用了两种b e a c o n 间隔：低功率间隔和全激活间隔。低功率间隔的激活窗口的长度减少到 了，最小( A w = 曰W + M W ) ，全激活间隔的激活窗口的长度达到最大( A W = 研) 。由于全激活间隔 耗能比较多，它每T + b e a c o
13、 n 间隔出现一次。无论一个节点和相邻节点间的时钟偏差有多大，它的全激活间隔总是会和其他节点的b e a c o n 窗口有重合。通过收集相邻节点的b e a c o n 帧，这个节点就能够预测邻居节点何时会激活。和D o m i n a t i n g - A w a k e - I n t e r v a l 协议相比，只要， 2 ，这个协议就能节省更多的能量。由于要发现一个新的节点可能需要T + b e a c o n 间隔，因此这个协议更适合于低速移动的环境。( 3 ) Q u o r u m B a s e d ：这是基T Q u o r u m 的协议。首先对b e a c o n
14、 序列进行划分，每，1 2 个b e a c o n 间隔称作一个集合( ，l 是一个全局参数) 。在每个集合中，1 2 个b e a c o n 间隔可以划分为一个2 维的n x n 矩阵，每个节点能够随机的选择一行和一列，则这2 ，l 一1 个间隔称作Q u o r u m 间隔，其余n 2 2 n + 1 间隔称为非一Q u o r u m 间隔。其中Q u o r u m 间隔定义为A W = B ，- t l ：Q u o r u m 间隔定义为A W = 肠( 此时B W = 0 ) 。 给定两个完全同步的P S 节点，由于矩阵中每行和每列都有一个重合的间隔，他们的Q u o r
15、u m 间隔中至少有两个b e a c o n 间隔是重叠的，这两个节点能够在重合间隔里面相互听到。这个协议的优点是一个节点在n 2 个b e a c o n l 洄q 隔仅需要发送o ( V n ) 的b e a c o n 帧，而且仅保持O W n ) 时间的激活。只要，z 4 ，激活时间就会少于5 0 ，这个协议就能节省更多的发射能量。Q u o r u m B a s e d 有发现邻居节点速度慢的缺点。 上述协议单播分组的发送机制和I E E E8 0 2 1 的单播机制一样，由于要处理多个非同步的邻居节点，他 们的广播过程比较复杂。为了减少发送的次数，需要把这些异步的节点进行几组，
16、然后每组单独广播。当一个节点S 要广播数据时，它首先检查所有邻居节点的M T I M 的到达时刻，选定最先到达的节点y ，然后S选择所有和】，的第一个M T I M 窗口有重叠的节点，然后向包括】，在内的这些节点发送M T I M 帧进行通知。S 假设其他节点还没有进行通知，就继续重复刚才的过程，直到所有的节点都收到了M T I M 帧。收到M T I M帧的节点就一直处于激活状态直到接收到分组或超时( 假设两个b e a c o n 间隔为超时门限) 。当S 通知完所有的邻居节点，在最后一个M T I M 窗口结束时开始发送缓存的广播数据。、 4 、其他几种低功率模式节能协议 B E C A ( B a s i cE n e r g y - C o n s e r v i n gA l g o r i t h m ) 和A F E C A ( A d a p t i v eF i d e l i t
