Ad hoc网络功率控制策略研究

摘要:该文对MAC层需要引入功率控制进行了分析和研究,详细介绍了采用功率控制的原因及可行性,同时对功率控制的理论依据和准则进行了探讨。

关键词:自组网;功率控制

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-3901-02

Ad hoc Network Power Control Strategy

ZHANG Zhi

(Information Engineering Department, Chongqing City Management College, Chongqing 400055, China)

Abstract: This paper introduced the MAC layer need power control are analyzed and studied, detailed introduces the reasons and the feasibility of power control of power control, the theoretical basis and standard is discussed.

Key words: Ad hoc; power control

1 引言

在无线自组网的MAC协议中引入功率控制并不能完全照搬CDMA蜂窝移动通信系统中的功率控制方法,这是由二者的特点决定的。在CDMA蜂窝移动通信系统中,有基站进行控制且基站位置是固定的,通信方式是全双工的;而在自组网中,各节点是功能相同、地位平等、随机移动的,采用分布式控制,通信方式是半双工的。因此,在自组网的MAC协议中引入功率控制技术,其原则是在保证目的节点能够正确接收分组的基础上尽可能的减小发射功率。同时,在自组网中的数据传输是以分组为单位的,因此功率控制是基于分组的,发送一个分组所用的功率是发送前已经确定好的,在一个分组的传输过程中,功率是不可改变的。

2 采用功率控制的原因

无线802.11信道接入协议中,不管与目的节点距离的远近,源节点始终以最大功率发射,这会带来如图1的问题。

考虑如图1所示的情况:

节点A要向节点B发送数据,那么根据协议的规则,A先要向B发送RTS分组,B回复A一个CTS分组,A收到此CTS分组后开始向B发送数据,若此时:

1) 节点C要向节点D发送数据,C会向D发一个RTS分组,但由于D在A的覆盖范围内,D肯定会收到A的RTS分组并进入延迟状态,因此在延迟时间内,D不会回复给C一个CTS分组,这样,C和D之间的通信不会建立起来。

2) 节点E有数据要向F发送,但因为E在B的覆盖范围内,E会收到B的CTS分组并进入延迟状态,在延迟时间内,E不会向F发送RTS分组,二者之间的通信不会建立。

若采用功率控制技术,使源节点的发送功率能保证目的节点正确接收数据即可,这样的话,如图1中(b)所示,D已不在A的覆盖范围内,C和D之间的通信可正常进行;同理,B不在E的覆盖范围内,E和F之间的通信也可正常进行。这样,不但节省了节点的能量消耗,也增加了同时进行通信的节点对的数量,并且互不干扰,提高了信道利用率。

3 采用功率控制的可行性

在IEEE802.11DCF协议中采用功率控制技术的设计思想是通过RTS分组和CTS分组的交换,来获得进行功率控制所必需的信息。在802.11协议中,控制分组和数据分组使用同一频段,信道的衰减是相关的,通过控制分组得到的控制信道的信息可以用在数据传输的功率控制上,因此,在802.11协议中使用功率控制技术是完全可行的。

4 功率控制的理论依据

为了进行功率控制,有以下前提条件:

1) 一个节点可以选择用多大功率来发送分组,这要由物理层来提供支持。

2) 在接收到一个分组后,物理层可以向MAC层报告该分组是以多大的功率被接收的。

设有一个源节点向一个目的节点发送一个分组,则有以下公式成立[1]:

式中,Pt是发射机发送分组时传递给发射天线的功率;Pr是分组到达接收机混频器输入端的功率;λ是载波波长;d是源节点和目的节点间的距离;n是路径衰减系数;Gt是发射机天线增益;Gr是接收机天线增益。

通常情况下,λ、Gt和Gr为常数;n典型值为2,根据空间环境的不同可在2~6之间变化。

虽然自组网中的各节点都是移动的,但在发送一个分组的非常短的时间内,可将d和n看作常数,这在实际应用中是成立的。

设源节点以功率Pt向目的节点发送RTS分组,目的节点收到RTS分组的功率为Pr,若源节点以功率Pdata向目的节点发送数据,使得目的节点收到数据分组的功率为Pmin,由式(1),有下式成立:

式(8)计算出来的Pmin就是接收机灵敏度Ps,这样,根据式(4)在进行功率控制时,只要知道了Pt、Pr的大小,就可以根据接收机灵敏度Ps计算出Pdata的大小。目前提出的使用功率控制的MAC协议基本都采取接收机灵敏度准则来计算节点发射功率[2]。

5.2 实际信噪比准则

当接收机外部噪声环境变化较大时,为了保证功率控制的效果,可以在测得接收机外部噪声Ne和接收机内部噪声Ni的基础上,根据式(6)直接计算Pmin的大小,再通过式(4)算出发射功率Pdata的大小。

两种功率控制准则相比较,接收机灵敏度准则实现起来比较容易,但不能用于外部噪声强度起伏较大的情况;实际信噪比准则的实现比较复杂,需要接收机能够实时估计外界干扰强度,但不论外部噪声的起伏情况如何,它都能适应[3]。

参考文献:

[1] Qiang H,Witold A K.Performance Improvement of Closed-Loop Power Control in CDMA Cellular Mobile Communication Systems[C].Online Public Access Catalogue.IEEE Vehicular Technology Conference,1996:56-60.

[2] Wu S L,Tseng Y C,Sheu J P.Interlligent Medium Access for Mobile on Selected Areas in Communications[J].IEEE Journal,2000,18(9):1647-1657.

[3] Lahiri K,Ragbunathm A,Dcy S,et al.Battery-Driven System Design: A New Frontier in Low Power Design[C].Bangalore,India:Process International Conference on VLSI Design,2002:261-267.