CN101141388A

CN101141388A - 一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法

Info

Publication number: CN101141388A
Application number: CNA2007100530224A
Authority: CN
Inventors: 李腊元; 王博; 郑四海; 郑辉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2027-08-23
Also published as: CN101141388B

Abstract

本发明涉及一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法，本发明在分析Ad hoc网络的特点的基础上，结合网络中各个层次上能量消耗的情况，提出了一种跨层设计的能量模型，该模型先着重考虑了节点的物理层，数据链路层和网络层的能量消耗，从而利用最优化理论来对各个节点建立能量模型，同时由于Ad hoc网络中数据信息的通信都是由节点与节点进行多跳来进行转发的，因此在源节点向目的节点进行转发寻找最好的路径时，同时不仅要考虑路径上每个节点的能量消耗，而且也要考虑整个路径上的能量消耗，因此最终根据整个一条路径上的能量消耗最小和跳数较少的原则，来建立最优路径能量模型，从而来避免能量过多消耗所带来的网络断裂和影响传输数据信息的效率。

Description

一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别是一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法。

背景技术

在Ad hoc网络中，针对某一节点S的功率传输情况，在S的传输范围之内主要受在受邻居节点的信号传输的影响比较大，因此节点S的功率传输分布情况如图1所示。Ad Hoc网络的特点是各节点地位平等，能自由移动，并且通过无线信道进行通信。由于移动终端本身由电池供电，因此，人们一般希望移动终端(如笔记本电脑等)在不充电的情况下能连续工作4-6个小时。目前，要达到这个目标还存在一定的困难，这主要是由于电池的容量有限的缘故。过去30年间，电池制造技术一直没有取得突破性的进展。由于受制造技术的限制，单位重量的电池容量很难有大幅度提高。同时，随着移动终端性能的提升和功能的加强，对电能的需求不断提高，因此在Ad Hoc网络中采用各种节能机制成为延长其工作时间的一种主要手段。从Ad hoc网络层次结构上来分析，整个网络中的能量消耗主要集中在物理层、数据链路层和网络层。物理层主要是各个节点接收到邻居节点发送信号时的接收功率和本身节点的一些硬件器件(CPU，LCD等)的消耗。数据链路层主要是基于MAC层的IEEE 802.11的DCF(Distributed Coordination Function)在独立的网络配置下共享无线信道的基本接入方式的基础之上。当某个节点(处于Sleep状态)将要正常工作时，先要监听无线共享信道是否被占用，如果被占用则要继续监听等待若干个随机时间片段，以此来为占用信道发送数据包做准备；或者当节点处于Active状态，节点正常发送数据包。因此，在这一层中节点的能量消耗主要是由节点处于Active状态还是Sleep状态决定的。网络层的能量消耗主要集中在多跳转发的一条路径，包括建立路径和维护路径过程。

发明内容

本发明的目的是在分析Ad hoc网络特点和网络各个层次结构消耗能量的基础上，结合无线网络中的无线信号传输模型，来综合考虑建立一种新的Ad hoc网络中跨层次能量模型，而提供一种Ad hoc网络中实现最优的能量消耗方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的步骤是：

第一步骤：源节点S在要发送的数据包RREQ中添加一个数据项cost来保存能量消耗E(S)；

第二步骤：当邻居节点i收到数据包RREQ时，取出数据项cost的内容设为cost_old，并结合该节点的能量消耗E(i)，更新数据项cost的内容为cost_new(cost_new＝cost_old+E(i))，记录前项节点为S，并依次向i的下一个邻居节点转发数据包RREQ，并向源节点S发送数据包RREP来建立通向源节点的反向路径；

第三步骤：依次执行步骤2，当中间节点j接收到从不同三个邻居节点k，l，m节点发送的数据包RREQ时，分别取出对应的数据项cost(设对应的内容为cost_k，cost_l，cost_m，并且这三个值各不相同)，首先进行判断这三个值，得到最小的设为数据项cost_min，如果数据项cost_k＝cost_l＝cost_m选取其中之一作为j的上游节点m，记录前项节点m，同时转发数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点m发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径；

第四步骤：依次执行步骤3，当目的节点D接收到邻居节点n发送的数据包RREQ，数据项cost里的数据内容就是从源节点S到目的节点的前项节点的整个一条路径所消耗是总能量之和数据项cost_D-1，更新数据项cost＝cost_D-1+E(D)，记录前项节点n，并向上游节点发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径，整个过程结束，同时节点S到节点D的路径建立成功。

上述第3步骤中，如果数据项cost_k，cost_l，，cost_m都不相等，则进行下面的过程：

第一步：当数据项cost_min等于数据项cost_k时，节点j更新数据包RREQ中的数据项cost＝cost_k+E(j)，并记录前项节点k，同时转发数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点k发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径；

第二步：当数据项cost_min等于数据项cost_l时，节点j更新数据包RREQ中的数据项cost＝cost_l+E(j)，并记录前项节点1，同时转发RREQ数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点1发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径；

第三步：当数据项cost_min等于数据项cost_m时，节点j更新数据包RREQ中的数据项cost＝cost_m+E(j)，并记录前项节点m，同时转发RREQ数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点m发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径。

本发明是为网络中从源节点到目的节点能够正常发送数据包之前，要保证能够建立一条最优的路径，该路径满足的约束条件就是该路径上节点的能量消耗尽量较少，以及路径的整体能量消耗最少，但是并不一定要求路径上的跳数最少，因此，本发明与以往的路径建立方法(跳数最少，不考虑能量)有所区别，本发明主要是基于在网络中从源节点向目的节点发送的路由请求包RREQ，该RREQ包中包含一个字段cost，以此来记录整个路径上的能量消耗，当中间节点将要转发该RREQ包时，逐次比较从上游节点(与该中间节点相邻)接收到RREQ包的字段cost，选择最小的能量消耗来更新该RREQ包，同时建立到所选上游节点的路径，此过程以此类推，直到目的节点，以达到最优的能量消耗。

附图说明

图1为Ad hoc网络功率传输模型拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明包括两部分：第一部分对各个节点建立能量模型，第二部分是在第一部分的基础之上，建立一种从源节点到目的节点满足能量消耗最小和路径的跳数较小(同时满足能量消耗最小和路径的跳数最小是一个NP问题)的最优能量消耗模型。

上述模型的建立首先设定以下条件：

(1)网络中的每个节点的初始能量都相等。

(2)每个节点本身的硬件结构和器件相同，从而认为所消耗的能量是相同的(设为P)。

(3)每个节点在整个网络的拓扑结构的情况下，处于两种状态：活动状态(active)(正常工作状态)和睡眠状态(sleep)。

(4)当节点处于sleep状态时，继续监听共享的信道，以此来主动地占用信道发送数据包可能会涉及到能量的消耗，从而认为这些能量也是相同的为Q。

(5)每个节点在物理层发送数据包的长度packetsize，信道的带宽bandwidth和发送功率P_t都是相同的。

(6)为了保证节点与节点之间通信传输的效率，相邻两节点之间的距离不得超过D，如果超过D，则认为接收节点获取不到发送节点传送的数据包。

模型构造：

无线信号传输模型

在当前Ad hoc网络中无线信号传输模型主要分为三类：Free Space模型，Two Ray Ground Reflection模型和基于以上两种模型优点的混合模型。

1、Free Space模型

这个模型的假设条件是：接收节点和发送节点都在对应的传输范围之内。该模型基本代表了发送节点的传输范围为一个圆形。如果接收节点在这个范围之内，发送节点就接收所有的数据包，否则丢弃所有的数据包。

P_{r} = \frac{P_{t} \cdot G_{t} \cdot G_{r} \cdot λ^{2}}{{(4 π)}^{2} d^{2} \cdot L} . . . . . . (1)

其中P_t：发送节点的发送功率，G_t：：发送节点的天线增益，G_r：接收节点的天线增益，λ：无线传输介质的波长，d：发送节点和接收节点之间的距离。

2、Two Ray Reflection模型

传输模型中也很少使用的情况就是两个节点之点就在对方的传输范围之内。Two Ray Reflection模型考虑了直接的传输路径和地面反射的路径两种情况。使用这种模型能够在节点之间很长距离的情况下要比Free Space模型能很准确的预测出接收节点的接收功率。

P_{r} = \frac{P_{t} \cdot G_{t} \cdot G_{r} \cdot h_{t}^{2} \cdot h_{r}^{2}}{d^{4} \cdot L} . . . . . . (2)

公式中的参数意义如(1)式。其中h_r，h_t分别为接收节点和发送节点的天线高度。

3、混合模型

综合考虑在的功率消耗方面，Two Ray Reflection模型比Free Space模型淆惑比较快。但是Two Ray Reflection模型由于在接收接点和发送节点的天线的相互影响，在节点之间距离较短的范围内达不到很好的效果。相反在这种情况下Free Space模型表现出很好的性能。因此我们设置一个交叉距离d_c来表示距离的过渡值，从而得到一个混合模型。

(1)d＜d_c时，用(1)公式，把公式中的d换成d_c。

(2)d＞d_c时，用(2)公式

(3)d＝d_c＝(4πh_th_r)/λ时，可以用(1)，(2)公式得到相同的值。

模型的建立：

第一部分：节点的能量消耗模型

假设某一节点为i，该节点的能量消耗为E(i)，通过对Ad hoc网络各个层次来分析，每个节点能量的消耗主要集中在三个层次。物理层邻居节点发送信号的接收功率，数据链路层主要涉及节点的两种状态sleep和active。当节点的状态为sleep时，节点要监听共享信道，占用信道来为acitve状态过渡到active(正常工作)准备，从而消耗了能量；当节点的状态为acitve时，节点转发数据包正常工作也要消耗能量。网络层在进行则寻找路径(建立路径和维护路径)进行转发数据包。

因此，E(i)＝αE_active+(1-α)E_sleep

其中E_active＝P_t*time+P_r*time+P，E_sleep＝Q，α为赏罚系数。分三种情况来综合分析各个层次该节点的能量消耗情况：

(1)当α＝1表示该节点的能量主要消耗在网络层的路由建立过程，维护过程和物理层无线信号传输模型的接收功率。

(2)当α＝0表示该节点的能量的主要消耗在数据链路层中节点处于sleep状态时要监听物理共享信道的繁忙程度。

(3)当1＞α＞0时表示节点的能量消耗在此时该节点现在处于active状态，即将过渡到sleep状态时，也就是物理层，数据链路层和网络层三个层次的总能量的消耗。

第二部分：从网络中的某一源节点到目的节点之间最优路径的能量消耗模型，本部分是基于第一部分的能量消耗模型提出的。

当整个Ad hoc网络中存在一条从某一源节点S到目的节点D之间n跳路径r时(该路径经过1，2，...j，...n节点时)的总能量消耗E(r)。

E (r) = Σ_{i = 1}^{n} E (i) . . . . . . (3)

因此，当网络中存在R条从源节点S到目的节点D的路由时，根据首先考虑所有路径中能量消耗最小的路径，然后在从剩下的路径中选择路径跳数较小的原则，来选择一条最优的路径。

E = \min_{r &Element; R} E (i) . . . . . . (4)

模型的求解：

对第一部分模型进行求解：

一般情况下，每个节点的能量公式Energy＝Power×time，即每一个节点发送或接收一个包所消耗的能量是由该节点发送或接收功率和处理包的时间决定的。

根据Ad hoc网络物理层信道的特点，得出

time = \frac{8 \times packetsize}{bandwidth},

处理

包的时间由发送数据包的大小和该数据包的带宽决定的。

得出，

E_{active} = P_{t *} time + P_{r *} time + P = (P_{t} + P_{r}) \times time + P = (P_{t} + P_{r}) \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth}

+ P . . . . . . (5)

其中P_r和P_t可根据前面无线信号传输模型计算得出。三种传输模型对应三种不同计算的结果。(以下公式推导以two Ray Reflection模型为例)结合Ad hoc网络的特点，每个节点只要在邻居节点的传输范围D之内，就能够得到该邻居节点所发送信号的接收功率。设节点i的邻居节点为j，i有k_i个邻居节点。从而E_active公式进一步修改。对(5)式修改得出：

E_{active} = (P_{t} + P_{r}) \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + P = (P_{it} + Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{jt} G_{jt} G_{ir} {h_{jt}}^{2} {h_{ir}}^{2}}{{(d_{ij})}^{4} L}) \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + P (0 {< d}_{ij} \leq D, 1 \leq k_{i} \leq n) . . . . . . (6)

其中P_it，G_ir，h_ir为节点i的发送功率，天线增益和高度，d_ij为节点i与邻居节点j的距离，P_jt，G_jt，h_jt为邻居节点j的发送功率，天线增益和高度。因此得出节点i所消耗的总的能量：

E (i) = α E_{active} + (1 - α) E_{sleep} = α

\times (P_{it} + Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{jt} G_{jt} G_{ir} {h_{jt}}^{2} {h_{ir}}^{2}}{{(d_{ij})}^{4} L} \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + P) + (1 - α) \times Q . . . . . . (7)

其中0＜d_ij≤D，1≤k_i≤n。

对第二部分模型进行求解：

当有一条n跳的路径r时，对应的该路径上的能量消耗

E (r) = Σ_{i = 1}^{n} E (i)

= Σ_{i = 1}^{n} (α E_{active} + (1 - α) E_{sleep}) = α Σ_{i = 1}^{n} P_{it} \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α Σ_{i = 1}^{n} Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{jt} G_{jt} G_{ir} {h_{jt}}^{2} {h_{ir}}^{2}}{{(d_{ij})}^{4} L} \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α \cdot n \cdot P + (1 - α) \cdot Q

(0 < d_{ij} \leq D, 1 \leq k_{i} \leq n) . . . . . . (8)

为了简化上述模型，假设在Ad hoc网络中每个节点的天线高度都为h，天线的增益都为G，每个节点的发送功率都为P_t，则(8)式得出的结果如下：

E (r) = α Σ_{i = 1}^{n} P_{it} \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α Σ_{i = 1}^{n} Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{jt} G^{2} h^{4}}{{(d_{ij})}^{4} L} \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + αnP + (1 - α) \times Q = α \cdot n \cdot P_{t} \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α Σ_{i = 1}^{n} Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{t} G^{2} h^{4}}{{(d_{ij})}^{4} L} \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α \cdot n \cdot P + (1 - α) \cdot Q (0 < d_{ij} \leq D, 1 \leq k_{i} \leq n) . . . . . . (9)

同时可以根据(9)式，对(4)式的结果进行转化，推导出满足路径的能量消耗最小和跳数比较少的一条最优路径，如下：

E = \min_{r &Element; R} E (i) = \min_{r &Element; R} {α \cdot n \cdot P_{t} \times \frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α Σ_{i = 1}^{n} Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{t} G^{2} h^{4}}{{(d_{ij})}^{4} L} \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + α \cdot n \cdot P + (1 - α) \cdot Q} (0 < d_{ij} \leq D, 1 \leq k_{i} \leq n) . . . . . . (10)

从而可以看出最优路径的求解主要由节点与节点传输距离和节点周围邻居节点的数目决定的。由于Ad hoc网络的拓扑结构变化比较频繁，在节点与节点的传输距离邻居节点的数目都要根据实际网络的拓扑结构进行分析和计算。按照此方法Free Space模型和混合模型，也能够分别得出第一部分和第二部分的能量模型。

本发明在分析Ad hoc网络的特点的基础上，结合网络中各个层次上能量消耗的情况，提出了一种跨层设计的能量模型，而提供一种Ad hoc网络中实现最优的能量消耗方法。该模型先着重考虑了节点的物理层，数据链路层和网络层的能量消耗，从而利用最优化理论来对各个节点建立能量模型，同时由于Ad hoc网络中数据信息的通信都是由节点与节点进行多跳来进行转发的，因此在源节点向目的节点进行转发寻找最好的路径时，同时不仅要考虑路径上每个节点的能量消耗，而且也要考虑整个路径上的能量消耗，因此最终根据整个一条路径上的能量消耗最小和跳数较少的原则，来建立最优路径能量模型，从而来避免能量过多消耗所带来的网络断裂和影响传输数据信息的效率。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法，所采用的步骤是：

第二步骤：当邻居节点i收到数据包RREQ时，取出数据项cost的内容设为cost_old，并结合该节点的能量消耗E(i)，更新数据项cost的内容为cost_new＝cost_old+E(i)，记录前项节点为S，并依次向i的下一个邻居节点转发数据包RREQ，并向源节点S发送数据包RREP来建立通向源节点的反向路径；

第三步骤：依次执行步骤2，当中间节点j接收到从不同三个邻居节点k，l，m节点发送的数据包RREQ时，分别取出对应的数据项为cost_k，cost_l，cost_m，并且这三个值各不相同，首先进行判断这三个值，得到最小的设为数据项cost_min，如果数据项cost_k＝cost_l＝cost_m选取其中之一作为j的上游节点m，记录前项节点m，同时转发数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点m发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径；

2.如权利要求1所述的一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法，其特征在于：第3步骤中，如果数据项costk，costl，，costm都不相等，则进行下面的过程：

第二步：当数据项cost_min等于数据项cost_l时，节点j更新数据包RREQ中的数据项cost＝cost_l+E(j)，并记录前项节点l，同时转发RREQ数据包RREQ给下一个节点，并向上游节点l发送数据包RREP来建立通向上游节点的路径；

3.如权利要求1所述的一种Ad hoc网络中实现优化能量消耗的方法，其特征在于：能量消耗

E (S) = α E_{active} + (1 - α) E_{sleep} = α \times (P_{it} + Σ_{j = 1}^{k_{i}} \frac{P_{jt} G_{jt} G_{ir} {h_{jt}}^{2} {h_{ir}}^{2}}{{(d_{ij})}^{4} L}) \times

\frac{8 \times packetsize}{bandwidth} + P) + (1 - α) \times Q

其中：P_ir，G_ir，h_ir为节点i的发送功率，天线增益和高度，d_ij为节点i与邻居节点j的距离，P_ji，G_ji，h_ji为邻居节点j的发送功率，天线增益和高度；0＜d_ij≤D，1≤k₁≤n。