移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路協(xié)同的能效優(yōu)化方法研究

東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要PAGEII移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路協(xié)同的能效優(yōu)化方法研究摘要隨著信息新技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已成為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要組網(wǎng)方式。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有部署快速，組網(wǎng)靈活，接入方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。由于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化，特別是其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)常常為了適應(yīng)特殊應(yīng)用而配備的能量有限，如何在動(dòng)態(tài)移動(dòng)的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建高能效的多跳網(wǎng)絡(luò)是其面對(duì)的重要問(wèn)題。提高網(wǎng)絡(luò)能效可以用更少的能量傳輸更多的信息，達(dá)到保證通信質(zhì)量的同時(shí)降低系統(tǒng)能量消耗的目的，從而提高系統(tǒng)效率，改善系統(tǒng)性能。本文利用鏈路協(xié)同研究移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的能效協(xié)同優(yōu)化方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能效路由算法。本文首先研究了鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議。高能效的路由協(xié)議是降低無(wú)線網(wǎng)路能耗的最重要方法之一。設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單高效的路由協(xié)議使之能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)路由，更新鏈路狀態(tài)并動(dòng)態(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B接。近些年來(lái)很多學(xué)者做了大量的研究，但是由于很多設(shè)計(jì)其考慮的模型并不夠細(xì)致，它們通過(guò)直接變更路由的方式達(dá)到能效目的，卻忽略了變更路由所造成的代價(jià)，造成了大量的能量消耗。在802.11DCF機(jī)制下，本論文仔細(xì)的設(shè)計(jì)了路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)方案。其中路由發(fā)現(xiàn)方案代價(jià)低、速度快，路由維護(hù)方案利用鏈路協(xié)同的思想以帶價(jià)最小的方式建立高能效的路由。仿真結(jié)果表明，本文所提的鏈路協(xié)同能效路由協(xié)議能夠明顯的提高網(wǎng)絡(luò)能效。其次，本文研究了鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議。經(jīng)過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)在不同工作狀態(tài)下的能耗分析，表明休眠是降低節(jié)點(diǎn)能耗的重要措施。休眠不僅大大降低了空閑監(jiān)聽(tīng)能耗和不必要的“偷聽(tīng)”能耗，在一定程度上避免了沖突和干擾。然而節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻導(dǎo)致它不能感知周?chē)耐ㄐ?，休眠?dǎo)致多跳時(shí)延加大，重負(fù)載下吞吐量降低。因此必須解決節(jié)點(diǎn)的休眠協(xié)調(diào)同步問(wèn)題。本論文結(jié)合路由協(xié)議、休眠機(jī)制和同步算法三個(gè)方面，將休眠機(jī)制劃分為有節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)休眠和信道空閑時(shí)基于信道平均空閑時(shí)間的同步休眠兩部分，利用鏈路協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)休眠。仿真結(jié)果表明本文所提的鏈路協(xié)同休眠能效路由協(xié)議能夠明顯降低網(wǎng)絡(luò)能耗，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能效并降低因休眠造成的時(shí)延。最后，本文研究了鏈路協(xié)同的速率自適應(yīng)機(jī)制。在可變速率網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)發(fā)送端使用不同的發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鏈路帶寬不同。發(fā)送節(jié)點(diǎn)速率變化時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)在理想帶寬下接收每bit數(shù)據(jù)所消耗的能量和接收信噪比也會(huì)相應(yīng)的改變。每個(gè)節(jié)點(diǎn)所選擇的傳輸策略、所處的位置和所選擇的傳輸速率決定了網(wǎng)絡(luò)的性能，如：能耗、能效。在以不同速率發(fā)送信息條件下，其能效大小會(huì)有所不同。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑中存在多條鏈路，恰當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)路徑中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率和功率是提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能效的重要途徑。本文中傳輸策略是在多跳路徑中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率相同條件下，鏈路之間通過(guò)協(xié)同發(fā)送速率的大小來(lái)最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。仿真結(jié)果表明鏈路協(xié)同的速率自適應(yīng)機(jī)制能夠大幅度的提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)路；移動(dòng)多跳網(wǎng)絡(luò)；能效；協(xié)同優(yōu)化東北大學(xué)碩士學(xué)位論文Abstract東北大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractTheResearchofCollaborativeOptimizationofEnergyEfficiencyofLinksinMobileMulti-hopWirelessNetworksAbstractWiththedevelopmentofnewinformationtechnologies,mobilemulti-hopwirelessnetworkshavebecomeanimportantnetworkingmodeofnext-generationwirelessnetworks.Mobilemulti-hopwirelessnetworkshavesuchfeaturesasquickdeployment,strongexpansibility,flexiblenetworking,convenientaccessandsoon,however,theirnetworktopologydynamicallychangeoverthemobilenodes,andareoftenequippedwithlimitedenergyforspecificapplication,howtobuildahighenergy-efficiencymulti-hopnetworksinadynamictime-varyingmobilenetworkenvironmenthasthenbecomeanimportantissue.Improvingnetworkenergyefficiencycanmakenodestransmitmoreinformationwithlessenergy,thusachievingthegoalofcommunicationqualityinsuranceandreducingsystempowerconsumption.Inthemeanwhile,itcanimprovesystemefficiencyandsystemperformance.ThisthesisuseLinkscollaborativetooptimizetheenergyefficiencyinmobilemulti-hopwirelessnetworksanddesignthecorrespondingenergy-efficientroutingalgorithm.Thethesisfirstlystudiestheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinks.Theroutingprotocolwithhighenergyefficiencyisoneofthoseimportantmethodstoreducetheenergyefficiencyofmobilenetwork.Asimpleandhighlyeffectiveroutingprotocolcanmakesenseofthechangesofthenetworktopology,findouttheroutesquicklyandcorrectlyandthenupdatethelinkstate,maintaintheconnectionofnetworktopologydynamically.Inrecentyears,theresearchershavemadelargenumbersofstudiesaboutthat,however,theycausedplentyofenergyconsumptionsincemanymodelsamongthedesignsarenotdelicateenoughinwhichtheyachievethegoalofenergyefficiencybyalteringroutesdirectlyandignorethecostcausedbythealteration.Underthesystemof802.11DFC,thethesiscarefullydesignstheschemeforroutediscoveryandmaintenance.Theroutediscoveryschemehaslowcostandfastspeed;whiletheroutemaintenanceschemeisabletobuiltrouteswithhighenergyefficiencywiththelowestcostbythemeansofcollaborativelinks.Thesimulationresultsshowthattheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinksproposedbyourthesiscansignificantlyimproveupliftnetworkenergy-efficiency.Thethesisthenstudiestheenergy-efficientsleepingprotocolsoflinkcollaborations.Byanalyzingtheenergyconsumptionofdifferentnodesunderdifferentworkingcondition,itimpliesthatdormancyisanessentialmeasuretolowerenergyefficiencyofthenodes.Dormancycannotonlyreduceboththeenergyconsumptionofidlemonitorandunnecessaryoverhear,butalsocangetridoftheconflictsandinterferestoacertainextent.Fornodes,shuttingdowntheirradiofrequency,however,willmakethemunabletosensesurroundingcommunication,andthedormancywillresultinlargermulti-hopdelaysuchthatthethroughoutisloweredunderheavyloads.Soweneedtosolvethecoordinationandsynchronizeproblem.Thethesiscombinethethreeaspectsofrouteprotocols,dormancyschemeandsynchronizationtogether,dividethedormancyschemeintotwoparts,namely,dormantwhentherearenodesoccupyingchannelsandsynchronousdormancybasedonaveragechannelidletimewhenchannelsareidle,andthenachievenodes’dynamicdormancyofmobilewirelessnetwork.Simulationresultsillustratethattheenergy-efficiencydormancyprotocolsofcollaborativelinkscansignificantlyreducethenetworkenergyconsumption,raisenetworkenergy-efficiencyandreducethedelaysbroughtaboutbydormancy.Attheendofthethesis,wemakeresearchabouttherateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinks.Inanetworkwithchangeablerate,thelinkbandwidthvarieswhenusingdifferentsendingpowertosenddata.Whenthesendingratevaries,theenergyconsumedbyreceivingnodeswhentheyreceiveperbitdatainthecaseofidealbandwidthandreceivedSNRwillchangecorrespondingly.Theselectedtransmissionstrategy,positiontogetherwithselectedsendingrateofeachnodewilldeterminethenetworkperformance.Ofcourse,theenergyefficiencywillbedifferentisthecaseofdifferentsendingrate.Inthemobilemulti-hopwirelessnetwork,thereexistmultilinksbetweenoriginnodesanddestinationnodes,propercoordinationonnodes’sendingrateandsendingpowerofthepathisacriticalmeanstoimprovingthewholenetworkenergyefficiency.Thetransmissionstrategyinourthesisistomaximizethewholenetworkenergyefficiencybycoordinatingthesendingrateamonglinksundertheconditionthatthenodesinmulti-hoplinkshavethesamesendingrate.Thesimulationresultsindicatethatrateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinksiscapableofincreasingthewholenetworkenergy-efficiency.Keywords:WirelessNetworks;MobileMultihopNetworks;EnergyEfficiency;CollaborativeOptimization

東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目錄獨(dú)創(chuàng)性聲明 I摘要 IIAbstract IV目錄 VII第1章緒論 11.1研究背景及意義 11.1.1研究背景 11.1.2研究意義 11.2研究現(xiàn)狀 21.2.1能效路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀 31.2.2節(jié)能休眠協(xié)議的研究現(xiàn)狀 41.2.3能效速率控制研究現(xiàn)狀 51.3本文的主要工作 51.4課題來(lái)源 6第2章移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述 72.1無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)概述 72.2移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述 72.3移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 82.4移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 92.5IEEE802.11DCF機(jī)制概述 102.6鏈路協(xié)同介紹 122.7本章小結(jié) 14第3章鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議 153.1概述 153.2快速建立路徑的路由發(fā)現(xiàn)方案 163.3鏈路協(xié)同的路由維護(hù)方案 183.4能效分析方案 203.5仿真結(jié)果及分析 223.5.1仿真環(huán)境及參數(shù) 223.5.2能效路由協(xié)議的仿真與分析 223.5.3網(wǎng)絡(luò)能耗和能效的仿真與分析 223.6本章小結(jié) 34第4章鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議 354.1概述 354.2休眠方案 354.2.1有節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)期的休眠方案 364.2.2信道空閑時(shí)的休眠策略 374.3鏈路協(xié)同的功率控制方案 384.4同步策略 394.5能效分析方案 404.6仿真結(jié)果及分析 424.6.1仿真環(huán)境及參數(shù) 424.6.2能效路由協(xié)議的仿真與分析 424.6.3網(wǎng)路能效、能耗和發(fā)送時(shí)間的仿真與分析 434.7本章小結(jié) 51第5章鏈路協(xié)同的速率自適應(yīng)機(jī)制 535.1概述 535.2問(wèn)題闡述 545.3能效最優(yōu)的發(fā)送速率 555.4鏈路協(xié)同的速率控制 585.5仿真結(jié)果及分析 595.5.1仿真環(huán)境及參數(shù) 595.5.2鏈路接收信噪比與bit能耗關(guān)系的仿真與分析 605.5.3網(wǎng)路能效、能耗和發(fā)送時(shí)間的仿真與分析 605.6本章小結(jié) 69第6章總結(jié) 716.1工作總結(jié) 716.2未來(lái)展望 72參考文獻(xiàn) 73致謝 73攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 83攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目 83

東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論-PAGE24-緒論研究背景及意義隨著無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)。由于移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展與推廣，WiFi、WiMax、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、蜂窩通信系統(tǒng)等移動(dòng)通信技術(shù)不斷豐富和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。這些技術(shù)極大的方便了人們的生活，同時(shí)也使無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。但迅速增加的無(wú)線設(shè)備和通信流量帶來(lái)了巨大的能量消耗。因此，通信能耗的標(biāo)準(zhǔn)也逐步嚴(yán)格。綠色通信作為未來(lái)通信的發(fā)展趨勢(shì)，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。特別是對(duì)于無(wú)線通信，網(wǎng)絡(luò)能效是其重要指標(biāo)，已逐步成為衡量通信機(jī)制優(yōu)劣的重要依據(jù)。研究背景移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)中心、自組織性、分布式和動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。由于這些特點(diǎn)，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理能力和存儲(chǔ)能力等逐漸提高，而現(xiàn)有電池技術(shù)遠(yuǎn)落后于其他方面。節(jié)點(diǎn)能量受限成為了限制移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。同時(shí)綠色通信作為未來(lái)通信的發(fā)展趨勢(shì)，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。對(duì)于現(xiàn)有快速增長(zhǎng)的通信能耗，特別是對(duì)于無(wú)線通信，網(wǎng)絡(luò)能效是其重要指標(biāo)，已逐步成為衡量通信機(jī)制優(yōu)劣的重要依據(jù)。研究意義移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大多依靠電池供電，目前低功耗硬件技術(shù)和電池技術(shù)難以取得突破性的進(jìn)展，而且在許多處于無(wú)人值守的場(chǎng)景下，不可能更換電池。因此研究適合于移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方案具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了更多的要求，相應(yīng)的帶來(lái)了巨大的能耗。路由技術(shù)作為移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]，得到了廣泛的關(guān)注。之前許多的研究都在固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的研究方法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，但其并不適合移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)變化、自組織特性和能量受限的問(wèn)題。簡(jiǎn)潔高能效的路由協(xié)議是解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和能耗瓶頸的重要途徑。無(wú)線收發(fā)電路有四種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和休眠。大量學(xué)者對(duì)這四種狀態(tài)的能耗進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[4]的研究表明，“偷聽(tīng)”會(huì)消耗大量的能量。由于無(wú)線信號(hào)的廣播特性，節(jié)點(diǎn)會(huì)收到大量與自己無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)包，盡管這些包被立即丟棄，但接收電路處理會(huì)消耗能量。對(duì)短距離傳輸來(lái)說(shuō)，接收數(shù)據(jù)比發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗可能更大。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅在發(fā)送和接收需要消耗能量，射頻即使在空閑狀態(tài)也具有很高的功耗。其能耗幾乎與接收模式下接近。Stemm和Katz的測(cè)量表明[5]，工作于915MHz的W.card的空閑監(jiān)聽(tīng)、接收、發(fā)送的功耗比為1:1.05:1.4；在文獻(xiàn)[6]中該比值為：1:1.2:1.7。例如MicaZ的射頻模塊CC2420發(fā)送時(shí)的工作電流為17mA(發(fā)射功率1mW)，接收時(shí)為19mA，而休眠時(shí)僅需要0.001mA[7]。在文獻(xiàn)[8-9]中給出了幾種常見(jiàn)的無(wú)線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口在四種工作狀態(tài)(待機(jī)、接收、發(fā)送和睡眠狀態(tài))下的能量消費(fèi)情況。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)能量消耗最大，其次是接收狀態(tài)，而在睡眠狀態(tài)時(shí)能量消費(fèi)最小。處于睡眠狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)接口的能量消耗大概只有待機(jī)狀態(tài)時(shí)的二十分之一。降低射頻能耗可以大大降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，盡可能將其關(guān)閉(即置于休眠狀態(tài))以減少空閑監(jiān)聽(tīng)能耗。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議直接控制著射頻模塊的工作。由上面分析可知，將處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)置于睡眠狀態(tài)能夠顯著的降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗，是一種非常有效的節(jié)能方法。研究高效節(jié)能的通信協(xié)議，優(yōu)化射頻的工作狀態(tài)，對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)能耗具有重要的意義。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展受到了電池能量的限制。對(duì)于移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，高效的傳輸信息具有重要意義，降低傳輸功率是降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗的重要方法。但是在可變速率的網(wǎng)絡(luò)中，降低節(jié)點(diǎn)的傳輸功率會(huì)造成節(jié)點(diǎn)傳輸速率的降低，從而可能會(huì)導(dǎo)致吞吐量大幅度下降，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效值。因此需要將功率控制與速率控制同時(shí)考慮。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)路中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在選擇傳輸策略的時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)能效成為了關(guān)鍵的考慮因素。通信策略包括調(diào)整每條鏈路的傳輸速率和每條鏈路節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率。總之，無(wú)線網(wǎng)路規(guī)模不斷擴(kuò)大[10-12]，流量增長(zhǎng)迅速，帶來(lái)了巨大的能耗。在移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，各種業(yè)務(wù)的進(jìn)行依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。在能源技術(shù)還沒(méi)有取得突破前，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均不得不采用各種形式的電池作為其工作能量的提供者。因而，在能量有限的基礎(chǔ)上，對(duì)于各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而言，盡量延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間是十分必要和必需的。為了達(dá)到這一目標(biāo)，除了通過(guò)提高電池容量等硬件措施延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間外，提高能量的使用效率，是一個(gè)切實(shí)可行的方法，對(duì)此展開(kāi)研究，具有十分積極和現(xiàn)實(shí)的意義。研究現(xiàn)狀近些年能效作為網(wǎng)絡(luò)重要的性能指標(biāo)被學(xué)者們廣泛研究。電池能量是制約移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，因而高能效通信問(wèn)題被廣泛研究。提高移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能效的方法較多，但主要集中于路由協(xié)議和休眠協(xié)議兩部分，此外也有速率控制，數(shù)據(jù)融合等方法。本文中重點(diǎn)研究了路由協(xié)議、休眠協(xié)議、速率控制這三個(gè)方面。能效路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀DSR協(xié)議作為按需路由的源頭性的最重要的路由協(xié)議之一，其主要特點(diǎn)是使用源路由機(jī)制進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。在2007年DSR協(xié)議被定為標(biāo)準(zhǔn)以后，許多研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者都對(duì)它進(jìn)行了研究，進(jìn)而提出許多修改版本，從不同角度對(duì)這個(gè)協(xié)議進(jìn)行了完善和改進(jìn)[13]。雖然DSR的改進(jìn)協(xié)議都在性能上相比較傳統(tǒng)DSR協(xié)議在性能上都有了顯著的提高，但是DSR協(xié)議仍然存在著一些缺陷：路由緩存失效路由太多，路由縮短效果不理想、節(jié)點(diǎn)耗能太大導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)快速死亡的問(wèn)題。而對(duì)于現(xiàn)有很多新提出的能效路由協(xié)議，其考慮的模型并不夠細(xì)致。其通過(guò)直接的變更路由的方式達(dá)到能效的目的，卻忽略了變更路由所造成的代價(jià)。因而其不僅提高的能效值有限，而且可能造成更多的能量消耗。在移動(dòng)的環(huán)境中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)隨時(shí)可能造成原有路徑的中斷，而且DSR路由協(xié)議并沒(méi)有考慮路徑的節(jié)能和提高能效的方案，其路由協(xié)議能耗較高，造成了巨大的能量浪費(fèi)。對(duì)于很多能效路由協(xié)議，其單純的尋找能效最優(yōu)的路徑，而忽略了路路由立和路由維持的代價(jià)。在移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)期，路由發(fā)現(xiàn)包REEQ要以最大功率級(jí)別發(fā)送，其能量消耗與數(shù)據(jù)包發(fā)送所消耗的能量相接近[14]。對(duì)于DSR及DSR改進(jìn)算法和AODV等協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送并發(fā)送路由請(qǐng)求包。其鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)將先收到的REEQ包廣播轉(zhuǎn)發(fā)，將后來(lái)收到的REEQ包丟棄。其路由開(kāi)銷(xiāo)為。因?yàn)槟苄ё顑?yōu)的路徑跳數(shù)相對(duì)較多[15]，時(shí)延較長(zhǎng)。對(duì)于傳統(tǒng)的能效路由算法[26]，其根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?dòng)態(tài)的調(diào)整節(jié)點(diǎn)傳輸路徑。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行偵聽(tīng)，動(dòng)態(tài)變化傳輸路徑使得當(dāng)前通信路徑能耗更低。同時(shí)節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算出能夠保持網(wǎng)絡(luò)連通所需要的最小的發(fā)射功率，通過(guò)使用優(yōu)化的發(fā)射功率，使路由所消耗的總功率最小化。但是文獻(xiàn)[16]中在路由發(fā)現(xiàn)階段，鄰居節(jié)點(diǎn)在收到后來(lái)到達(dá)的路由請(qǐng)求時(shí)包時(shí)不能直接丟棄。因?yàn)樵撀窂娇赡苁悄苄ё顑?yōu)的路徑。其算法復(fù)雜度為。因而，傳統(tǒng)能效方法在路由發(fā)現(xiàn)時(shí)期帶來(lái)大量的能量消耗。網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量急劇擴(kuò)增[17-19]，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜多變。在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)能效的研究近年來(lái)已經(jīng)取得了一些成果[20]。M.J.Miller[21]將載波監(jiān)聽(tīng)用于監(jiān)聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)可以判斷鄰居節(jié)點(diǎn)是否停止載波監(jiān)聽(tīng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。本文中節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)鄰居發(fā)送的數(shù)據(jù)包而獲得鏈路的能耗信息，為找到能效最優(yōu)的路勁提供了依據(jù)。Hanan.S[22]為隨機(jī)接入點(diǎn)建立最短樹(shù)從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。T.Zhu[23]等人在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中使用一種機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸控制消息和數(shù)據(jù)包的機(jī)制，引入一個(gè)新的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法和高效的自我抑制方案，進(jìn)一步減少控制消息的開(kāi)銷(xiāo)。本文中通過(guò)在數(shù)據(jù)包中加入能量消耗等相關(guān)信息，利用包中所包含的信息發(fā)現(xiàn)能效的路徑。而Tavli.B[24]等通過(guò)修改幀中所包含的信息達(dá)到發(fā)現(xiàn)能效路由的目的。S.Gobriel[25]等提出了一種延遲轉(zhuǎn)發(fā)的方案，即中間節(jié)點(diǎn)在等待固定時(shí)間后才轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求包。這樣可以在找到能耗最低鏈路的同時(shí)減少中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求包的次數(shù)，降低了路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程代價(jià)。節(jié)能休眠協(xié)議的研究現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模迅速膨脹[26-28]，休眠是有效的節(jié)能手段，如果節(jié)點(diǎn)只在需要通信時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，而在其余時(shí)間均處于休眠，不僅大大降低了空閑監(jiān)聽(tīng)能耗和不必要的“偷聽(tīng)”能耗，而且在一定程度上可以避免沖突和干擾。然而節(jié)點(diǎn)休眠也帶來(lái)了一系列的新問(wèn)題。首先，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻導(dǎo)致它不能感知周?chē)耐ㄐ?，必須?duì)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠協(xié)調(diào)。一種方式是休眠和喚醒機(jī)制中采用的信標(biāo)采樣(或低功耗監(jiān)聽(tīng))，即每個(gè)包被發(fā)送時(shí)需要先發(fā)送一個(gè)很長(zhǎng)的信標(biāo)，以便于接收方在信道檢測(cè)時(shí)知道有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這種技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻聽(tīng)到通信時(shí)都要醒來(lái)，而不管是否此次傳輸?shù)哪康牡厥亲约?，消耗了大量的能量。而且在密集多跳網(wǎng)絡(luò)中，如果信道采樣率較低，這種技術(shù)的端到端的包接收成功率很低[29]。另一種方式就是周期性讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠和喚醒狀態(tài)，這種機(jī)制需要保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，使節(jié)點(diǎn)盡可能多地處于休眠狀態(tài)，而在需要通信時(shí)，能夠自動(dòng)開(kāi)啟射頻設(shè)備，完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。目前休眠節(jié)能協(xié)議的研究大體上分為三個(gè)方面：休眠和喚醒機(jī)制，具有低占空比的通信協(xié)議以及利用拓?fù)涔芾韺?shí)現(xiàn)休眠機(jī)制[30]。STEM用雙頻無(wú)線電工作，一個(gè)頻道用于數(shù)據(jù)傳輸，另一個(gè)用于喚醒節(jié)點(diǎn)。Tseng等人為了提802.11節(jié)能模式提出了三種休眠方式[31]，這三種都不需要節(jié)點(diǎn)同步，代價(jià)是發(fā)送更多的信號(hào)和在廣播前發(fā)送更多的喚醒包。GAF[32]利用地理定位信息把網(wǎng)絡(luò)分成固定的方格。在每一個(gè)方格里面，從路由的觀點(diǎn)看所有的節(jié)點(diǎn)都是平等的，因此在給定的時(shí)間內(nèi)，僅需要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是活動(dòng)的。Z.Yuan等人則依據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)決定節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)入休眠狀態(tài)[33]。S-MAC休眠時(shí)延的方法[34]通過(guò)附加控制信息，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸，但這些控制信息一方面使協(xié)議非常復(fù)雜，健壯性削弱；另一方面增加了能量消耗，也干擾了數(shù)據(jù)包的傳輸，使競(jìng)爭(zhēng)加劇。采用長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制解決多個(gè)分組集中發(fā)送的問(wèn)題，通過(guò)一次RTS/CTS預(yù)約，多次數(shù)據(jù)發(fā)送，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，降低了射頻轉(zhuǎn)換狀態(tài)的能耗。但局部傳輸效率的提高并不能從根本上解決休眠延遲造成的時(shí)延較長(zhǎng)的問(wèn)題，因此對(duì)擁塞造成的緩存溢出并沒(méi)有很好地解決。拓?fù)涔芾碇谢诮?jīng)典的鄰近圖模型有RNG(relativeneighborhoodgraph)，GG(Gabrielgraph)，DG(Delaunaygraph)，YG(Yaograph)和MST(minimumspanningtree)等。DRNG(directedrelativeneighborhoodgraph)算法和DLSS(directedlocalspanningsubgraph)算法[35]是兩種以鄰近圖的觀點(diǎn)考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯?wèn)題的算法，它們針對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率不一致問(wèn)題提出了拓?fù)浣鉀Q方案。能效速率控制研究現(xiàn)狀之前大量研究的側(cè)重點(diǎn)是最小化節(jié)點(diǎn)發(fā)送能耗。V.Rodoplu等[36]研究了在發(fā)送有限數(shù)據(jù)的情況下bit/J容量的效率。S.Verdú[37]研究了寬頻下權(quán)衡帶寬與能耗的關(guān)系方法，達(dá)到最小化每bit能量消耗的目的。E.Uysal-Biyikoglu等[38]在包傳輸時(shí)間不同的情況下，通過(guò)求解最優(yōu)時(shí)序問(wèn)題來(lái)最小化發(fā)送能耗。對(duì)于遠(yuǎn)距離的信息傳輸來(lái)說(shuō)發(fā)送能量占了能量消耗的主要部分，但是對(duì)于短距離的信息傳輸，接收節(jié)點(diǎn)的電路能耗就不能夠忽略了。C.Isheden等在[39]中考慮了更加復(fù)雜的電路能耗。文獻(xiàn)中[40-44]每個(gè)節(jié)點(diǎn)位于等距離的直線上，但這并不符合實(shí)際多跳無(wú)線網(wǎng)路的分布情況。其中[42-44]考慮了能量和帶寬的權(quán)衡問(wèn)題，但卻沒(méi)有考慮電路能量消耗。KunWang等[45]通過(guò)速率自適應(yīng)的方式來(lái)提高802.11無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的能效。其將速率自適應(yīng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為速率選擇的背包問(wèn)題然后通過(guò)尋找次優(yōu)解來(lái)轉(zhuǎn)化NP-hard問(wèn)題。B.Alawieh等[46]利用802.11四種接入方案，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的干擾情況自適應(yīng)的調(diào)整無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送幀的功率和速率。此外也有[47-50]利用速率控制來(lái)避免無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。文獻(xiàn)[51-52]中自適應(yīng)速率的方法是利用卡爾曼濾波器來(lái)預(yù)測(cè)信道條件(SNIR)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量更好的利用網(wǎng)路資源。MinaSartipi等[53]研究組播路由中的速率最優(yōu)問(wèn)題。也有[54-61]研究WLAN中的速率自適應(yīng)問(wèn)題。ApoorvaJindal[62]等研究了靜態(tài)802.11多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到的速率范圍。本文的主要工作本文主要研究高能效的移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)能效方面包括以下幾點(diǎn)：(1)提出了移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議，解決了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化下，快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)路由，及時(shí)更新鏈路狀態(tài)高低能耗動(dòng)態(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B接問(wèn)題。(2)提出了移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路協(xié)同的能效休眠協(xié)議，大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)不必要的空閑監(jiān)聽(tīng)所消耗的能量。(3)提出移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路協(xié)同的速率自適應(yīng)機(jī)制，通過(guò)恰當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)路徑中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率和功率是提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能效。(4)采用Matlab2010進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析。本文的結(jié)構(gòu)如下所述：第1章簡(jiǎn)要闡述移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能效優(yōu)化方法的研究背景、現(xiàn)狀及研究意義，并對(duì)本文的結(jié)構(gòu)作出安排。第2章對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、802.11DCF機(jī)制、鏈路協(xié)同方案、移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。第3章在802.11DCF機(jī)制下，仔細(xì)的設(shè)計(jì)了移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)方案。方案中能效路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)代價(jià)低，速度快，鏈路協(xié)同的路由維護(hù)方案可以以帶價(jià)最小的方式建立能效的路由提高網(wǎng)絡(luò)能效。并將所提出的能效路由協(xié)議與DSR(動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議)，傳統(tǒng)能效路由協(xié)議MTTCP[26]進(jìn)行了比較。第4章中將休眠劃分為兩個(gè)部分。在有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)利用虛擬載波監(jiān)聽(tīng)時(shí)間通過(guò)鏈路協(xié)同的方式動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)長(zhǎng)，使得不參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)迅速同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。而在沒(méi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)利用信道平均空閑時(shí)間恰當(dāng)?shù)男菝吆蛦拘?。算法中我們將休眠機(jī)制與功率控制結(jié)合，利用高效同步及IP信息減少路由開(kāi)銷(xiāo)，從而進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗。最后將所提出的休眠能效路由協(xié)議與第一章三種路由協(xié)議做了相關(guān)對(duì)比。第5章，在所有節(jié)點(diǎn)以能夠達(dá)到信道容量的編碼方式發(fā)送數(shù)據(jù)條件下，當(dāng)多跳路徑中各節(jié)點(diǎn)具有相同發(fā)送速率時(shí)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)求得了能夠最小化bit/J的傳輸速率。鏈路之間通過(guò)協(xié)同發(fā)送速率的大小來(lái)最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。并在前兩章的基礎(chǔ)上，本章對(duì)使用速率控制算法和不使用速率控制算法的四種能效路由協(xié)議做了比較。第6章總結(jié)全文，回顧了前面所述的研究工作，并對(duì)未來(lái)的研究方向做了展望。課題來(lái)源該課題得到如下項(xiàng)目資助：國(guó)家自然科學(xué)基金(61071124)、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-0075)、教育部博士點(diǎn)新教師基金(20100042120035)。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展[63-65]，網(wǎng)絡(luò)流量迅速增加，人們對(duì)無(wú)線通信的需求越來(lái)越強(qiáng)。近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和普及。從蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的普及到無(wú)線局域網(wǎng)(IEEE802.11)[66]、藍(lán)牙、家庭無(wú)線網(wǎng)等技術(shù)的大量應(yīng)用。無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出多種技術(shù)共存，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)的局面。這使得人與人之間的通信更加方便快捷，同時(shí)也使得人們的生活變得更加的豐富多彩。但是，我們通常提到的無(wú)線通信技術(shù)一般都是集中式的，需要基于預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施才能運(yùn)行。如蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)需要有基站和移動(dòng)交換中心等功能設(shè)施的支持。無(wú)線局域網(wǎng)也需要接入點(diǎn)和有線骨干網(wǎng)的支持。對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如臨時(shí)性組織的大型會(huì)議、災(zāi)后救援、野外科考等。在這種場(chǎng)合下集中式的通信技術(shù)并不勝任且不能迅速的實(shí)現(xiàn)和展開(kāi)。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)恰恰就可以滿足這種需求。無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)是由很多智能節(jié)點(diǎn)或智能終端相互之間通信構(gòu)成的，并且用分散方式維持他們之間的通信。網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路相互通信，這些無(wú)線鏈路會(huì)受到諸如噪聲、衰減、干擾等無(wú)線通信的影響，另外在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，鏈路的帶寬一般比有線網(wǎng)絡(luò)中的帶寬相比低很多。在移動(dòng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟话闱闆r下也是在不斷的隨著時(shí)間變化的，節(jié)點(diǎn)間的鏈路由于節(jié)點(diǎn)的失效、新節(jié)點(diǎn)的加入和無(wú)線環(huán)境的變化而在不斷的動(dòng)態(tài)變化。在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的典型路徑是由多跳組成的，該路徑上的中間節(jié)點(diǎn)需要充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。因而，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要充當(dāng)兩種功能，首先節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)分組，其次節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由器對(duì)來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)是一種分散在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的分布式系統(tǒng)，因此高效的路由協(xié)議需要使網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠相互協(xié)調(diào)，以多跳的方式相互通信。無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要類(lèi)型是無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)[67-68]和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)[69-70]，另外無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)[71]也可以歸入無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中。雖然這三種網(wǎng)絡(luò)均是無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，但它們都有各自不同的產(chǎn)生背景和特點(diǎn)。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的有線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一組移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成，采用分布式管理的自主網(wǎng)絡(luò)，不依賴(lài)于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。它與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的最大區(qū)別就是不需要中心節(jié)點(diǎn)管理和控制。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以任意分布，任意移動(dòng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能隨時(shí)進(jìn)入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展[72-74]，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)連接性和業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕拘枨?，在移?dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)路中也同樣需要得到滿足。網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端具有無(wú)線收發(fā)功能。其可以像路由器一樣，根據(jù)路由策略和路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包、維護(hù)路由，通過(guò)其它節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)也為其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的路由通常是多跳的，由于終端的無(wú)線傳輸范圍的限制，數(shù)據(jù)的源端與目的端無(wú)法直接通信的情況非常常見(jiàn)，這時(shí)就需要網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的通信需要其它中間節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)兩個(gè)需要通信的節(jié)點(diǎn)通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這就使節(jié)點(diǎn)可以同相距很遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。具體的工作原理如圖2.1所示，一個(gè)典型的AdHoc網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)。圖中終端A和F無(wú)法直接通信，但A和F可以通過(guò)路徑A-B-C-F或A-B-C-E-F進(jìn)行通信。圖2.1多跳網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2.1Logicalstructureofmulti-hopnetworks移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：(1)多跳路由在移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸距離是有限的。如果兩個(gè)不在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)要互相通信時(shí)，就需要其他中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信。即要經(jīng)過(guò)多跳的路由傳輸數(shù)據(jù)。與普通多跳網(wǎng)絡(luò)不同，由于移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)既有終端功能又有路由功能，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不是由專(zhuān)門(mén)的路由器完成的，而是由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)完成。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)特點(diǎn)使得其可以降低終端的發(fā)射功率，達(dá)到延長(zhǎng)終端工作時(shí)間的目的。(2)無(wú)中心和自組織移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻和任意的地點(diǎn)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的行為。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立運(yùn)行的，任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障都不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，具有很強(qiáng)的抗毀性。(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，一組節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)無(wú)線信道連接成任意形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于節(jié)點(diǎn)可以以任意大小的速度和移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，加上無(wú)線收發(fā)裝置發(fā)送功率的可變性、無(wú)線信道間產(chǎn)生相互干擾、地貌和天氣狀況的影響，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線信道形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨時(shí)隨地的發(fā)生變化，同時(shí)其變化的方式和變化的速度都是無(wú)法預(yù)測(cè)的。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，這些變化主要體現(xiàn)在：節(jié)點(diǎn)的增加、減少，鏈路數(shù)量和分布的變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分割與合并等。于普通的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。(4)移動(dòng)終端能量有限在移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，用戶終端通常有手機(jī)、PDA、掌上電腦、筆記本電腦等。這些終端設(shè)計(jì)的都比較精巧，便于攜帶，但移動(dòng)設(shè)備依靠電池提供能量，因此有限的電池能量會(huì)給移動(dòng)設(shè)備的算法設(shè)計(jì)提出最大的約束條件。近幾十年來(lái)，與高速發(fā)展的微處理器芯片技術(shù)相比，在限制電池重量的情況下提高電池容量的技術(shù)發(fā)展得相當(dāng)緩慢。在這種情況下，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消費(fèi)變得至關(guān)重要。能量節(jié)省問(wèn)題涉及到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)層，在每層上都有相應(yīng)的技術(shù)方案。當(dāng)前的節(jié)能機(jī)制主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是無(wú)線網(wǎng)卡動(dòng)態(tài)關(guān)閉機(jī)制[75]，另一類(lèi)是功率控制機(jī)制[76]。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)易組網(wǎng)、無(wú)中心分布式控制、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、魯棒性?qiáng)等優(yōu)良特性使能夠滿足民用和軍事通信領(lǐng)域等很多場(chǎng)景的應(yīng)用要求，可以歸納為以下幾類(lèi)。(1)個(gè)域網(wǎng)絡(luò)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展[77-79]，個(gè)域網(wǎng)絡(luò)PAN(PersonalAreaNetwork)是移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一種形式，這種網(wǎng)絡(luò)通信形式可以將個(gè)人電子通信設(shè)備，如手機(jī)、PDA、筆一記本電腦、個(gè)人健康監(jiān)護(hù)儀、GPS導(dǎo)航儀等連接成網(wǎng)。個(gè)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)射功率應(yīng)盡量小，現(xiàn)有的藍(lán)牙和Zigbee等通信技術(shù)只適合于小范圍內(nèi)近距離的通信。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以適用于大范圍的個(gè)域網(wǎng)組建。(2)緊急服務(wù)和臨時(shí)場(chǎng)合在發(fā)生自然災(zāi)害和各種災(zāi)難，原有的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被損毀的情況下或在沒(méi)有基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的臨時(shí)場(chǎng)合中，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以不依賴(lài)于任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)同工作，提供臨時(shí)通信支持。對(duì)救災(zāi)、搶險(xiǎn)、野外科考、礦山作業(yè)、臨時(shí)展覽慶典和分布式會(huì)議等場(chǎng)景和具有重要意義。(3)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景在城市交通、遠(yuǎn)距離車(chē)隊(duì)運(yùn)輸?shù)裙?jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng)的場(chǎng)景，移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以提供動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的通信支持。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和哈佛大學(xué)研究在高速公路上自動(dòng)駕駛汽車(chē)間的相互通信即是移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式以取得初步研究成果。(4)商業(yè)應(yīng)用移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在一些商業(yè)場(chǎng)景下也有廣泛應(yīng)用，如機(jī)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、商場(chǎng)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)醫(yī)療無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。場(chǎng)景中，用戶可以相互組成網(wǎng)絡(luò)，并能夠與這些場(chǎng)景中的固定網(wǎng)絡(luò)相連，享受無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的方便，如信息共享、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、位置服務(wù)等。(5)軍事領(lǐng)域由于移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)具有無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施、抗毀性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場(chǎng)中可以用于軍載、飛機(jī)、單兵等不同的場(chǎng)合。IEEE802.11DCF機(jī)制概述IEEE802.11MAC協(xié)議是目前自組織網(wǎng)絡(luò)最常用的信道接入?yún)f(xié)議。其定義了兩種接入方式：分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)與點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)[80]。由于點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)需要AP來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信道接入，不適用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)。因此在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的研究所涉及的802.11MAC協(xié)議都是指DCF功能。構(gòu)成DCF基礎(chǔ)的信道接入?yún)f(xié)議為載波檢測(cè)多接入/沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制。在基于IEEE802.n標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于發(fā)送信號(hào)的功率和接收信號(hào)的功率之間存在比較大的差異，同時(shí)無(wú)線媒質(zhì)中傳輸?shù)乃行盘?hào)共享同一個(gè)信道，所以節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信號(hào)時(shí)往往不能同時(shí)監(jiān)聽(tīng)信道。為使發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠知道所發(fā)送的信號(hào)是否與信道上傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生沖突，發(fā)送端采用了沖突避免(CA)方案：在每次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，等待一個(gè)來(lái)自接收端的確認(rèn)(ACK)。如果沒(méi)有收到ACK，那么發(fā)送端必須重發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)幀。IEEE802.11DCF的多接入部分又可以分為兩類(lèi)：基本方案、RTS/CTS方案。當(dāng)采用基本方案時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，其首先檢測(cè)當(dāng)前信道是否空閑。(1)如果信道空閑，并且空閑時(shí)間的長(zhǎng)度達(dá)到DIFS，那么這個(gè)發(fā)送端就發(fā)送Data，當(dāng)接收端收到該Data包時(shí)，在SIFS時(shí)間后應(yīng)答一個(gè)ACK反饋信號(hào)，且DIFS>SIFS。(2)如果當(dāng)前信道不空閑，或者空閑時(shí)間小于DIFS，那么發(fā)送端進(jìn)入沖突避免(CA)狀態(tài)。如圖2.2為基本方案的示意圖。圖2.2基本接入方案Fig.2.2BasicaccessschemeRTS/CTS是另一個(gè)可選的接入方案。當(dāng)采用這種方案時(shí)，在信道空閑DIFS時(shí)間并且發(fā)送端退避時(shí)間為0后，首先發(fā)送一個(gè)RTS信令包預(yù)約信道，接收端應(yīng)答一個(gè)CTS。收到CTS后，發(fā)送端才開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，接收端再應(yīng)答一個(gè)ACK。由于RTS較短，RTS沖突對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成的損害遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送數(shù)據(jù)所造成的沖突帶來(lái)的損害。因此采用RTS/CTS機(jī)制可以明顯的提高網(wǎng)絡(luò)的性能。但是當(dāng)DATA的長(zhǎng)度比較小時(shí)，采用基本方案可以減小發(fā)送RTS/CTS所造成的額外開(kāi)銷(xiāo)。如圖2.3為RTS/CTS方案的示意圖。圖2.3RTS/CTS接入方案Fig.2.3RTS/CTSaccessschemeIEEE802.11DCF的載波檢測(cè)包括物理載波檢測(cè)和虛載波檢測(cè)兩種。物理載波檢測(cè)通過(guò)物理層設(shè)備對(duì)信號(hào)的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而虛載波檢測(cè)則通過(guò)引入NAV(網(wǎng)絡(luò)分配向量)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)A收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Data、RTS和CTS時(shí)，A先更新自己的NAV，根據(jù)NAV的值，節(jié)點(diǎn)A可以知道當(dāng)前的發(fā)送將在什么時(shí)候結(jié)束，從而通過(guò)設(shè)置NAV定時(shí)器進(jìn)行有效的退避等待。采用虛載波檢測(cè)可以減小WLAN中的隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。此外，在許多節(jié)省能量消費(fèi)的方案中，虛擬載波檢測(cè)對(duì)于確定節(jié)點(diǎn)應(yīng)該何時(shí)從/睡眠0狀態(tài)/醒來(lái)0而進(jìn)入/活躍0狀態(tài)也具有非常重要的意義，流程圖如圖2.4所示。圖2.4802.11DCF流程圖Fig.2.4Flowchartof802.11DCF鏈路協(xié)同介紹(1)協(xié)同的定義協(xié)同是指協(xié)調(diào)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的不同資源或者個(gè)體，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過(guò)程或能力。協(xié)同是指元素對(duì)元素的相干能力，表現(xiàn)了元素在整體發(fā)展運(yùn)行過(guò)程中協(xié)調(diào)與合作的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)元素各自之間的協(xié)調(diào)、協(xié)作形成拉動(dòng)效應(yīng)，推動(dòng)事物共同前進(jìn)，對(duì)事物雙方或多方而言，協(xié)同的結(jié)果使個(gè)個(gè)獲益，整體加強(qiáng)，共同發(fā)展。導(dǎo)致事物間屬性互相增強(qiáng)、向積極方向發(fā)展的相干性即為協(xié)同性。研究事物的協(xié)同性，便形成協(xié)同理論。(2)鏈路協(xié)同在本文中按照協(xié)同的范圍，我們將鏈路協(xié)同的范圍劃分為三種。A．局部路徑鏈路協(xié)同圖2.5局部路徑鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.5Localpathcollaborativelinks圖2.5中表示的協(xié)同范圍是路徑中兩條鏈路和。B．整條路徑鏈路協(xié)同圖2.6整條路徑鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.6Entirepathcollaborativelinks圖2.6中表示的協(xié)同范圍是路徑中所有鏈路、、、。C．節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)鏈路協(xié)同圖2.7節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)鏈路協(xié)同F(xiàn)ig.2.7Nodewithinthecoveragecollaborativelinks圖2.7中表示的協(xié)同范圍是在覆蓋范圍內(nèi)路徑以為中心，所有處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)與之間的所有鏈路、、。(3)協(xié)同目的和依據(jù)本文中協(xié)同的內(nèi)容包括有協(xié)同相應(yīng)范圍內(nèi)鏈路中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率、同步時(shí)間、節(jié)點(diǎn)定時(shí)器以及鏈路發(fā)送發(fā)送速率等。本章小結(jié)本章對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、802.11DCF機(jī)制、鏈路協(xié)同方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述。為以下章節(jié)在移動(dòng)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中研究并提出高能效方案提供了必要的基礎(chǔ)條件。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議鏈路協(xié)同的能效路由協(xié)議由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，帶來(lái)了巨大的能量消耗。多跳移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。但由于電池技術(shù)的發(fā)展相對(duì)緩慢，限制了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。高效節(jié)能的通信方式能夠有效的緩解電池技術(shù)的制約。其中使用高能效的路由協(xié)議是降低無(wú)線網(wǎng)路能耗的最重要方法之一。近些年來(lái)很多學(xué)者做了大量的研究。但是由于很多設(shè)計(jì)其考慮的模型并不夠細(xì)致，其通過(guò)直接的變更路由的方式達(dá)到能效的目的，卻忽略了變更路由所造成的代價(jià)，造成了大量的能量消耗。本章在802.11DCF機(jī)制下，仔細(xì)的設(shè)計(jì)了路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)方案。本章提出的能效路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)代價(jià)低，并利用鏈路協(xié)同的路由維護(hù)方案以帶價(jià)最小的方式建立能效的路由。本章中能效路由協(xié)議是基于單源單目地節(jié)點(diǎn)情況下討論的。將能效路由算法分為快速路由發(fā)現(xiàn)方案和鏈路協(xié)同的路由維護(hù)兩部分闡述。在路由發(fā)現(xiàn)階段，我們盡量以最少的發(fā)現(xiàn)時(shí)間和最小的發(fā)送能耗快速的建立路由，達(dá)到代價(jià)最小的目的。在路由維護(hù)階段，我們將數(shù)據(jù)包中加入能耗等信息，通過(guò)鏈路間通過(guò)移除、替換、插入三種協(xié)同方式使節(jié)點(diǎn)能夠迅速的變更為能耗最低的路徑。由于網(wǎng)路中節(jié)點(diǎn)處在動(dòng)態(tài)變化中，因此良好的路由協(xié)議能夠很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。概述在多跳最小能耗路由方案中，信令包的傳輸通常都是以節(jié)點(diǎn)的最大功率級(jí)別來(lái)發(fā)送的，這樣做可以避免隱藏終端造成的問(wèn)題。因此，信令包的傳輸會(huì)帶來(lái)大量的能耗，如圖3.1能效路由協(xié)議示意圖Fig.3.1Schemeofenergy-efficientroutingprotocol802.11中的RTS信令包，同時(shí)在更準(zhǔn)確的模型下，路由發(fā)現(xiàn)所帶來(lái)的能耗要遠(yuǎn)大于路徑選擇的能耗。我們將CLEERP劃分為路由發(fā)現(xiàn)階段和路由維護(hù)階段兩部分。在路由發(fā)現(xiàn)階段，我們盡量以最少的發(fā)現(xiàn)時(shí)間和最小的發(fā)送能耗快速的建立從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，達(dá)到代價(jià)最小的目的。在路由維護(hù)階段，CLEERP利用數(shù)據(jù)包中包含的能耗等信息，通過(guò)鏈路協(xié)同的方式使節(jié)點(diǎn)能夠迅速的找到能耗最低的路徑并能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。例如圖3.1中，路由發(fā)現(xiàn)階段時(shí)，源節(jié)點(diǎn)快速的找到從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最少的路徑，中能耗最低的一條路徑；在路由維護(hù)階段能夠快速的變更原有路徑為能耗更低的路徑；當(dāng)原有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新的箭頭所指位置后，原有傳輸路徑能夠及時(shí)調(diào)整路徑為?？焖俳⒙窂降穆酚砂l(fā)現(xiàn)方案由于路由建立時(shí)能量消耗較大，為了降低能量消耗，CLEERP方法采用最快的方式建立從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑。同時(shí)，為了最大限度的降低能耗，我們改進(jìn)了使用路由縮短技術(shù)的DSR協(xié)議并利用延時(shí)等待的思想。為了保證算法的執(zhí)行，需要在路由請(qǐng)求包REEQ中加入跳數(shù)標(biāo)記和能量消耗信息。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)緩存中不存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)要向網(wǎng)絡(luò)中其它鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信息，即發(fā)送路由請(qǐng)求分組RREQ。RREQ分組中主要包括以下內(nèi)容：目的節(jié)點(diǎn)的地址、路由記錄、路由請(qǐng)求ID、跳數(shù)統(tǒng)計(jì)、能量消耗信息等。其中<路由記錄>標(biāo)記了從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由的所有中間節(jié)點(diǎn)地址；<路由請(qǐng)求ID>為源節(jié)點(diǎn)，而中間節(jié)點(diǎn)維護(hù)<源節(jié)點(diǎn)地址、路由請(qǐng)求ID、跳數(shù)累計(jì)、能量消耗>序列，<源節(jié)點(diǎn)地址、路由請(qǐng)求ID、跳數(shù)累計(jì)、能量消耗>序列用作快速建立能效路由。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到廣播RREQ時(shí)，會(huì)按照如下步驟處理報(bào)文：(1) 中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ時(shí)，需檢查<源節(jié)點(diǎn)地址，路由請(qǐng)求ID>中是否存在于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的對(duì)列表中。若存在，則證明已經(jīng)處理過(guò)該RREQ，以后將不執(zhí)行任何操作，若不存在該序列，則執(zhí)行(2)步驟；(2) 檢査路由記錄中是否存在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的地址。若存在，則不執(zhí)行任何操作。否則執(zhí)行(3)步驟；(3) 檢查路由信息的<跳數(shù)累計(jì)>與節(jié)點(diǎn)緩存中保留的<最小跳數(shù)累計(jì)>相比較。如果收到的跳數(shù)累計(jì)值大于節(jié)點(diǎn)緩存中的跳數(shù)累計(jì)值將不執(zhí)行任何操作；如果收到的跳數(shù)累計(jì)值小節(jié)點(diǎn)緩存中的跳數(shù)累計(jì)值于或等于則執(zhí)行步驟(4)；(4) 檢查路由信息的<能量消耗>與節(jié)點(diǎn)緩存中保留的最最低路由能耗，能耗高于節(jié)點(diǎn)緩存中保留的能耗最低能耗值將不執(zhí)行任何操作；若小于或等于則執(zhí)行步驟(5)；(5) 若RREQ的目的節(jié)點(diǎn)地址是該節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟(6)若RREQ的目的節(jié)點(diǎn)不是該節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行步驟(7)；(6) 如果本次路由請(qǐng)求為第一個(gè)到達(dá)的路由請(qǐng)求，則初始化一個(gè)短暫的等待時(shí)間T，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。如果該條路由請(qǐng)求不是第一個(gè)到達(dá)的路由請(qǐng)求，并且到達(dá)時(shí)間倒計(jì)時(shí)大于零，則在目的節(jié)點(diǎn)依據(jù)路由記錄中<能量消耗>與之前收到的路由能耗相比較，保留能耗較低的路徑。當(dāng)T為零后。目的節(jié)點(diǎn)所保存的路由信息便是源節(jié)點(diǎn)到此節(jié)點(diǎn)的路由。該節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的路由報(bào)文RREP，并將該路由信息拷貝到RREP中；(7) 該節(jié)點(diǎn)把自己的地址添加到RREQ的路由記錄字段更新緩存中的<跳數(shù)累計(jì)、能量消耗>信息。如果本次路由請(qǐng)求為第一個(gè)到達(dá)的路由請(qǐng)求，則初始化一個(gè)短暫的等待時(shí)間T，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。如果該條路由請(qǐng)求不是第一個(gè)到達(dá)的路由請(qǐng)求，并且到達(dá)時(shí)間倒計(jì)時(shí)大于零則當(dāng)T為零后該節(jié)點(diǎn)向周?chē)鷱V播該RREQ報(bào)文。表3.1路徑發(fā)現(xiàn)算法Table3.1RoutediscoveralgorithmRoutediscoveralgorithmInput：S(sourcenode),D(destinationnode),(nodematrix),(NodeList),(routrecode),(receivehopcount),(hopcountbufferkeep),(routconsumeenergy),(routconsumeenergy),(routrequestID),(sequencenumber),(transmitCountdown)Output：RoutReceiveRREQReceiveRREQweightmatrixelse,feedbackREEPOutputtheresultsR通過(guò)這種尋找路徑的路由方式，源節(jié)點(diǎn)最終會(huì)快速找到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)能耗較低的路由，偽代碼如表3.1。與DSR和AODV路由發(fā)現(xiàn)的區(qū)別在于中繼節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)在收到的路由請(qǐng)求信息時(shí)并不是立即轉(zhuǎn)發(fā)，也不是只保留第一個(gè)收到的額路由請(qǐng)求，而是只轉(zhuǎn)發(fā)T時(shí)間內(nèi)收到的能耗最低的路由請(qǐng)求包。對(duì)于在收到第一個(gè)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)REEQ包時(shí)，并不是立即回復(fù)REEP包，而是等待一個(gè)很短的時(shí)間T，回復(fù)最短且相對(duì)耗最低的路徑。鏈路協(xié)同的路由維護(hù)方案源節(jié)點(diǎn)要尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先檢查自身緩存中是否存在到達(dá)該目的節(jié)點(diǎn)的路由，當(dāng)其緩存中有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇一條合適的路徑來(lái)發(fā)送分組。由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)不斷地移動(dòng)，且信號(hào)容易受到干擾導(dǎo)致鏈路中斷，網(wǎng)絡(luò)中的路由失效較快。而路由中任何一段鏈路的失效都將會(huì)導(dǎo)致該路由所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)中存在失效路由。同時(shí)，在路由發(fā)現(xiàn)階段所建立的路由能耗較高，其并不是能效最優(yōu)的路由，即使能效最優(yōu)的路由也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而變得能耗較高。在移動(dòng)環(huán)境下，為了保證路由的有效性，節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由維護(hù)過(guò)程來(lái)監(jiān)測(cè)路由中的鏈路是否發(fā)生斷路。算法中我們的路由協(xié)議是通過(guò)周期性的廣播路由來(lái)更新路由信息?，F(xiàn)在按照維護(hù)時(shí)間可以劃分為周期性更新方式和按需路由維護(hù)方法兩種，按照維護(hù)方式可以劃分為：逐跳確認(rèn)機(jī)制；端到端確認(rèn)機(jī)制。對(duì)于能效路由方案，路由維護(hù)除了能夠維護(hù)路徑連通外，動(dòng)態(tài)及時(shí)有效的路由維護(hù)方案是提高網(wǎng)絡(luò)能效的關(guān)鍵。CLEERP方法采用按需逐跳確認(rèn)機(jī)制。本算法中鏈路協(xié)同的路由維護(hù)是指在保證接收節(jié)點(diǎn)接收信噪比不變的情況下，多跳路徑中每條鏈路中的節(jié)點(diǎn)利用其鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)相鄰鏈路能耗的監(jiān)聽(tīng)，通過(guò)移除、插入和替換三種方式獲得能耗最低的傳輸路徑，從而達(dá)到能效最優(yōu)的目的。在路由維護(hù)過(guò)程中為了達(dá)到能效的目的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)及時(shí)的更新其路由表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)包時(shí)(如RTS、CTS信令包、數(shù)據(jù)包等)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)會(huì)將當(dāng)前鏈路代價(jià)和節(jié)點(diǎn)序號(hào)、當(dāng)前時(shí)間插入到IP包頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠評(píng)估到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路代價(jià)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存中會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保存、記錄、動(dòng)態(tài)更新以上信息。該信息用作節(jié)點(diǎn)鏈路協(xié)同的路由選擇方案，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包交換，從而竊聽(tīng)對(duì)應(yīng)的鏈路成本，并利用鏈路代價(jià)來(lái)評(píng)估一段路徑的消耗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)包中包含的信息更新其緩存中的相應(yīng)數(shù)據(jù)(建立一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)鏈路能耗表)。依據(jù)以上保存的鏈路能耗信息，節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)移除、替換、插入[14]三種鏈路協(xié)同方式幫助降低路徑能耗，提高網(wǎng)絡(luò)能效。(1)移除：如圖3.2中假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑中存在兩跳路徑A-C-B。如果節(jié)點(diǎn)A發(fā)現(xiàn)自己緩存中鏈路能耗表中鏈路A-B的能耗要低于鏈路A-C與鏈路C-B的能耗之和，那么節(jié)點(diǎn)A將會(huì)更新自己的路由表。節(jié)點(diǎn)A會(huì)將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)地址由C改為B。圖3.2移除Fig.3.2Remove(2)替換：圖3.3中，假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑中存在兩跳路徑A-C-B。如果節(jié)點(diǎn)D發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路A-D的能耗與D-B的能耗之和低于鏈路A-C與鏈路C-B的能耗之和，那么節(jié)點(diǎn)D將會(huì)將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為B，并同時(shí)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)A將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為D。此時(shí)節(jié)點(diǎn)D協(xié)同鏈路A-D與D-B，使得路徑A-C-B變更為A-D-B。圖3.3替換Fig.3.3Replace(3)插入：圖3.4中如果節(jié)點(diǎn)C發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路A-C與C-B的能耗之和低于A-B的能耗。那么節(jié)點(diǎn)C將會(huì)將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為B，并同時(shí)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)A將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為C。此時(shí)節(jié)點(diǎn)C協(xié)同鏈路A-C與C-B，使得路徑A-B變更為A-C-B。圖3.4插入Fig.3.4Insert依據(jù)以上鏈路協(xié)同方法，整條路徑快速的進(jìn)行局部路由變化，從而使得整條路徑能夠調(diào)整為能耗最低的路徑，其偽代碼如表3.2所示。表3.2路徑維護(hù)算法Table3.2RoutemaintenancealgorithmRoutmaintenancealgorithmoneupdateInput：R(routfromsourcetodestination),(linki),(nodenuminroutR),(linkconnectingnodeiandnodei+1),(nodeicovernodematrix)Output：Rforifupdate(R)accordingtoremovealgorithmendifforifupdate(R)accordingtoreplacealgorithmelseifupdate(R)accordingtoalgorithmelsecontinue;endifendforendforOutputtheresults:R能效分析方案由于文章所采用的是802.11DCF中的RTS/CTS機(jī)制，所有節(jié)點(diǎn)共用同一個(gè)信道，使用緩存機(jī)制能夠有效的降低丟包率。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果其他節(jié)點(diǎn)也有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，那么該節(jié)點(diǎn)會(huì)先將數(shù)據(jù)存于其節(jié)點(diǎn)緩存中，等該節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)，將緩存中的數(shù)據(jù)一起發(fā)送。CLEERP算法影響路徑容量的主要因素是節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)為路徑上節(jié)點(diǎn)間的相互干擾和節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)候的碰撞。算法中碰撞因素包括來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的同步碰撞與來(lái)自隱藏節(jié)點(diǎn)的異步碰撞且碰撞主要發(fā)生于RTS階段。且假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間存在有良好的同步和良好的信道復(fù)用可以避免傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間的干擾。在無(wú)線通信中，信號(hào)接收功率與的成正比。(3.1)圖3.5不同發(fā)送功率的可靠接收范圍示意圖Fig.3.5ReliableReceivingrangeofdifferenttransmissionpowerdiagram其中傳播系數(shù)K取決于通信所處環(huán)境。由于路由請(qǐng)求包和信令包(RTS、CTS)是以最大發(fā)送功率發(fā)送的，故接收節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)接收功率和路徑信息K求得節(jié)點(diǎn)之間距離d。接收節(jié)點(diǎn)在獲得路徑信息、節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后和最小正確接收功率下可以準(zhǔn)確的計(jì)算出能夠使得接收節(jié)點(diǎn)恰好正確接收條件下發(fā)送節(jié)點(diǎn)所需要的最小發(fā)送功率級(jí)別，如公式(3.2)和圖3.5所示。(3.2)算法中我們認(rèn)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送與節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)的功率是相同的。因此，節(jié)點(diǎn)2得到的1向2發(fā)送的最小功率與節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的最小功率相同。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有三種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑。在網(wǎng)絡(luò)中，不參與通信的節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)即偷聽(tīng)狀態(tài)，能量消耗與發(fā)送狀態(tài)相比為1:1.4。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為該段時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)量之和。在單位時(shí)間t內(nèi)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送、接收和休眠的能耗分別為：(3.3)其中、、表示在單位時(shí)間t內(nèi)，共有發(fā)個(gè)送節(jié)點(diǎn)，個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，個(gè)空閑節(jié)點(diǎn)(監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn))。為發(fā)送節(jié)點(diǎn)i的功率。為接收節(jié)點(diǎn)j的功率。為空閑節(jié)點(diǎn)k的功率。在時(shí)間內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗為：(3.4)CLEERP算法中，在內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量我們定義為內(nèi)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)。我們將其分為兩種：成功傳輸?shù)男畔⒘?bit)和成功發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。因此我們定義了一下兩種能效：成功發(fā)送信息能效和成功發(fā)送信息次數(shù)能效。其中為內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘?。為?nèi)所有節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送信息次數(shù)之和。(3.5)(3.6)仿真結(jié)果及分析仿真環(huán)境及參數(shù)本算法是在Matlab2010仿真環(huán)境下進(jìn)行的，仿真中我們?cè)O(shè)定網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景大小為1200M*1200M。節(jié)點(diǎn)包到達(dá)速率服從泊松過(guò)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在仿真中發(fā)送數(shù)據(jù)20次。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于網(wǎng)絡(luò)中。源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取。物理層發(fā)送速率為2Mbit/s。緩存大小為1Mbit。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向隨機(jī)選取。在我們的仿真中節(jié)點(diǎn)發(fā)送與接收的能耗之比為：1.4:1.05。其余節(jié)點(diǎn)在不發(fā)信息時(shí)處于空閑狀態(tài)。能效路由協(xié)議的仿真與分析(1)路由發(fā)現(xiàn)圖3.6中反映在路由發(fā)現(xiàn)階段中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在固定等待時(shí)間T內(nèi)收到的所有最短路徑。圖3.7中目的節(jié)點(diǎn)選擇了在單位時(shí)間T能收到的耗最低的路徑18-5-6-10回復(fù)REEP并建立路由。(2)路由維護(hù)分析進(jìn)入路由維持階段，圖3.8、圖3.9中反映了當(dāng)節(jié)點(diǎn)19發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路19-11的能耗低于鏈路19-20與鏈路20-11能耗之和。節(jié)點(diǎn)19將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為11，通過(guò)路由維護(hù)過(guò)程，路由變更為19-11。圖3.10、圖3.11中，路徑中兩跳路徑2-7-19。節(jié)點(diǎn)8發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路2-8的能耗與8-19的能耗之和低于鏈路2-7與鏈路7-19的能耗之和，節(jié)點(diǎn)8將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為19，并同時(shí)向節(jié)點(diǎn)2發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)2將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為8，其兩跳路徑變更為2-8-19。圖3.12、圖3.13中，節(jié)點(diǎn)18發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路17-18與鏈路18-10的能耗之和低于鏈路17-10的能耗。節(jié)點(diǎn)18將其路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為10，并向節(jié)點(diǎn)17發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)17將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為18。路徑變更為17-18-10。圖3.6路由發(fā)現(xiàn)階段節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)間收到的最短路徑Fig.3.6Afixedtimenodeintheroutreceiveallshortestpathindiscoveryphase圖3.7目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的最短能耗最低路徑Fig.3.7Destinationnoderepliesshortestandlowestenergyconsumptionpath圖3.8移除之前路由Fig.3.8Beforeremovingrouting圖3.9移除之后路由Fig.3.9Afterremovingrouting請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)2將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為8。其兩跳路徑變?yōu)?-8-19。節(jié)點(diǎn)18發(fā)現(xiàn)其鏈路能耗表中鏈路17-18與鏈路18-10的能耗之和低于鏈路17-10的能耗。節(jié)點(diǎn)18將其圖3.10替換之前路由Fig.3.10Routingbeforereplacing圖3.11替換之后路由Fig.3.11Routingafterreplacing路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為10，并同時(shí)向節(jié)點(diǎn)17發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)17將其路由表中下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為18。路徑變更為17-18-10。圖3.12插入之前路由Fig.3.12Routingbeforeinserting圖3.13插入之后路由Fig.3.13Routingafterinserting經(jīng)過(guò)圖3.8、圖3.9的移除，圖3.10、3.11的替換以及圖3.12、圖3.13的插入三種路由維護(hù)方式，建立了能耗最低的傳輸路徑。網(wǎng)絡(luò)能耗和能效的仿真與分析隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化情況分析圖3.14-3.17反映了路由發(fā)現(xiàn)能耗，成功傳輸信息能效和成功發(fā)送次數(shù)能效隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。其中路由發(fā)現(xiàn)能耗為在一次仿真中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送5次數(shù)據(jù)，平均發(fā)送間隔為slot，路由發(fā)現(xiàn)能耗指所有節(jié)點(diǎn)累計(jì)路由發(fā)現(xiàn)能耗之和。從圖3.14中可以看出，MTTCP路由發(fā)現(xiàn)時(shí)消耗了大量的能量，明顯高于DSR和CLEERP。這是由于在路由發(fā)現(xiàn)階段MTTCP鄰居節(jié)點(diǎn)在收到后來(lái)到達(dá)的路由請(qǐng)求時(shí)包時(shí)不能直接丟棄，路由發(fā)現(xiàn)時(shí)期復(fù)雜度高。圖3.15中，CLEERP算法的能耗略高于DSR因?yàn)槠渎酚砷_(kāi)銷(xiāo)相對(duì)于DSR較大。從圖3.14、