无线网络低功耗

无线网络降低功耗的主要软件机制有拓扑控制、功率控制、数据融合和基于移动节点的节能机制。

拓扑控制

拓扑控制指网络拓扑随着一个或多个参数的变化而变化，这些参数包括节点的移动性、节点位置、信道、发射功率、天线方向等。通过拓扑控制能够在保证网络的覆盖率和连通性的前提下，降低通信所造成的干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合提供优化的拓扑结构，从而提高网络的吞吐量、可靠性、可扩展性等其他性能。

拓扑的形成受各种因素的影响，其中包括可控因素和非可控因素。

  • 非可控因素
    节点移动性
    天气
    噪声等
  • 可控因素
    节点的传输功率
    天线方向
    信道分配等

研究无线Mesh网络的拓扑控制问题，就是在维持拓扑的某些全局性质的前提下，通过删除或关闭某些产生冲突可能性比较大的边，或通过调整节点的发送功率来降低或避免通信时节点之间的冲突问题，以降低网络干扰，进而提高网络吞吐量。

Mesh网络是一个动态性网络体系模型，其网络拓扑结构会因动态因素激发产生随机变化。
因此研究无线Mesh网络的拓扑控制问题，需要重点考虑以下因素：

  • 环境因素或能量耗尽导致部分节点出现故障或失效。
  • 恶劣的外部环境条件引发无线通信链路带宽发生变化或出现通信中断状态。
  • 自组织网络涉及节点实时进入和移出，其网络的扩展和收缩导致了网络的动态可重构性。

目前对拓扑控制的研究可以分为两大类：

  • 一类是计算几何方法，以某些几何结构为基础构建网络的拓扑，以满足某些性质。
  • 另一类是概率分析方法，在节点按照某种概率密度分布的情况下，计算使拓扑以大概率满足某些性质时节点所需要的最小传输功率和最小邻近节点个数。

无线Mesh网络现有拓扑控制策略有两种方式：

  • 基于位置驱动
    1.以节点位置为依据的分簇算法(Geographical Adaptive Fidelity,GAF)是一种典型的基于位置驱动的拓扑控制方法。
    2.基于位置驱动的拓扑控制方法还有GRF(Geographic Random Forwarding),利用节点位置和网络冗余来达到拓扑控制的目的。
  • 基于连接驱动
    基于连接驱动的拓扑控制方式有Span、ASCENT、Naps、DDEMA四种。

近年来拓扑控制策略已经成为无线自组网的研究热点，但是目前在这个领域中尚存在着一些迫切需要解决的问题：

首先，对于节点分布的假设过于理想化。
目前很多研究都假定节点是均匀分布的。虽然在某些情况下这种假设是合理的，但是在大多数情况下这样的假设都是过于理想化的。

其次，当前理论研究与仿真实验所基于的无线信道模型和能量衰减模型相对过于简单与理想化。
实际的WMN网络环境往往相差较大，从而导致理论研究结论在实际网络环境中并不适用。因此，为了获得更加符合实际的量化结果，理论研究需要在模型的精准度和复杂度之间选取恰当的折衷点。

最后，当前关于拓扑控制的理论研究与算法设计通常基于二维平面网络的前提假设，这样的假设也是过于理想化的。因为在网络中节点的部署有很强的随机性和地域限制，因此三维立体空间更贴切无线Mesh网络的实际部署环境。

功率控制

目前功率控制机制主要利用休眠唤醒协议和MAC协议来实现功率控制的目的（目前功率控制措施主要是在MAC层采用侦听/睡眠交替的无线信道侦听机制）。

休眠唤醒协议

休眠唤醒机制即节点在不工作的时候，关掉通信模块，交替进行休眠和唤醒。

休眠唤醒协议分为非层次型和层次型两种。

非层次型的拓扑控制算法：
每个节点根据自己所能获取的信息，独立的控制自己在工作状态和睡眠状态之间的转换。

层次型的拓扑控制算法：
采用周期性选择簇头节点的做法使网络中的节点能量消耗均衡。

休眠唤醒机制有三种方案：按需、预定回合和同步。

  • 按需的典型方法有：STEM(Sparse Topology Management)、STEM-T、STEM-B、PTW(Pipelined Tone Wakeup)。
  • 预定回合方案需要所有的邻近节点在同一时间唤醒。
  • 同步机制在保证邻近节点活跃状态有重叠的基础上，允许每个节点独立唤醒。此后在同步唤醒机制的基础上设计了异步唤醒机制。

MAC协议

睡眠唤醒机制可以运行在MAC层之上，也可以集成到MAC协议之中。很多MAC协议中都具有低占空比的特点。基于TDMA的MAC协议有TRAMA、FLAMA（Flow-Ware Medium Access）和LMAC（Light-weight Medium Access）。基于竞争的MAC协议有B-MAC（Berkeley MAC）、S-MAC（Sensor MAC）、T-MAC（Timeout MAC）、D-MAC，混合MAC协议最重要的是Z-MAC。

目前MAC层功率控制技术的主要目标是降低功耗，在降低功耗的同时提高信道的空间复用度。降低功耗是第一目标，MAC层功率控制优化工作主要包括两个方面：

1.冲突退避机制
改进冲突避免接入机制，更好的解决功率控制技术带来的链路不对称等问题。

最初功率控制机制采用最大的发送功率发起RTS、CTS帧交互，而以较低的功率完成数据帧的传输和应答，从而降低数据帧的发送功率，节省节点的能耗。

有文献将此类功率控制机制称为基本功率控制机制，该机制的实现较为简单，不需要引入新的控制帧，并能与现有的DCF协议兼容。

但文献中的分析指出，该类功率控制机制不但会引起网络平均吞吐量下降，而且在某些情况下，还可能导致节点能耗的增加。

因此在基本功率控制机制的基础上提出了PCMA协议，该协议在数据帧发送期间周期性的增大发送功率，从而避免冲突。

PCMA协议没能通过功率控制机制提高频率的空间复用度，因而无法提高网络的平均吞吐量。在PCMA协议引入了一种基于双信道的功率控制机制，该机制规定，接收节点在数据信道上接收数据帧的同时，还在忙音信道上发送忙音信号。忙音信号的功率等于该节点正确接收数据帧所允许的最大噪声功率，其他发送节点能通过监听忙音信号来调整发送功率，从而避免冲突。

与DCF协议相比，PCMA协议能获得更高的网络吞吐量，但监听忙音信号仅能避免节点在接收数据帧时发生冲突，无法保证发送节点正确接收ACK应答帧。

在PCDC协议中，冲突避免信息被插入到CTS报文中并在RTS/CTS子控制信道以最大功率发送，此时的CTS的功能不是禁止覆盖范围内的节点进行发送，而是在保证不影响其数据报文的正确接收前提下，告知邻近节点可以一定的功率上限进行功率发送，因此增大了共享信道通信的并行数目，增大了信道利用率和网络吞吐量。

冲突避免机制的设计关系到信道的空间复用问题，好的冲突避免机制有利于传输的并发，对全网性能的提高有非常重要的意义。

2.发送功率选取
通过一定策略选取最佳的发送功率。在选取发送功率级别的过程中，通常有几种方法。

  • 通过节点与周围节点的连接特性作为标准（如节点的度，连接集的定义）来确定发送的功率大小，如基于锥区域的方案来维持网络的连接性，即每个节点逐渐的增大传输功率，直到在每个方向的某个角度范围内至少能发现一个邻近节点。
  • 根据信道质量决定节点的发送功率（如设定接收端的信噪比、QoS保证、丢包率、ACK回应的阈值），如使用闭环的循环计算方法，迭代计算出理想的传输功率，其迭代的过程就是通过递减功率发送探测包，直至不能收到ACK为止，此时的功率为迭代阶段选定的功率；转入功率维护阶段，设定连续成功接收或连续失败接收ACK数量的阈值，当超过阈值时则提升或降低功率级别。
  • 根据路由层的反馈决定功率大小（如依次放大功率级别，直到路由成功），如在路由发现阶段设定两级功率，先用低能级进行路由发现，如果失败，则提高能级继续进行路由发现。
  • 根据博弈论、遗传算法等数学工具计算最优功率，如采用不合作的博弈论方法提出一种新的定价机制，此定价与信干比SIR呈线性关系，通过选定不同的比列常数可以达到不同的网络优化目标，如流量均衡、吞吐率优化等。

发射功率的选取对于保持网络的连通性很重要，节点选取发送功率时，不但要考虑数据的可达性，还要考虑对邻近节点造成的干扰。

通常，网络层功率控制技术所关心的是如何通过改变发射功率来动态调整网络的拓扑结构（拓扑控制，Topology Control）和路由选择，使网络的性能到达最优。

网络层确定了最大功率后，通过MAC层的功率控制在此最大发射功率前提下，根据下一跳节点的距离和信道质量等条件动态调整发射功率。网络层的功率控制依赖于MAC层的功率控制技术，和网络层的功率控制相比，MAC层的功率控制是一种经常性的调整，每发送一个数据帧都可能要进行功率控制，而网络层的功率控制则在较长的时间内进行一次调整，调整频率较低。因此，MAC层功率控制粒度更细，可更高效的调节功率以实现性能的优化。

而独立节点级的功率控制技术根据获知的情况，为每次传输挑选独立的功率进行数据发送，避免网络级功率控制使用统一功率所引起的不必要的相互干扰和网络性能的下降，更具灵活性。

传统的分层协议栈结构是网络设计中最基础、最有影响力的结构，协议栈中各层隐蔽该层及其以下层次的复杂性，为上层提供服务，分层结构逻辑清晰、扩展性强、鲁棒性高，便于实现。

然而，在严格分层协议栈网络中，整个网络系统被分割成若干个独立的层，相邻层与层之间的交互严格的通过层间的静态接口来实现，非相邻层之间不允许直接交互，因此，层与层之间的信息难以共享，增加了信息的冗余及对等层间的通信开销。合理利用跨层设计思想，联合MAC层和物理层，结合多速率和调度技术为WMN设计功率控制机制将会更加高效。

数据融合

根据处理的事件不同，以减少传输给终端节点的数据量为目标，数据融合方式分为两类：

  • 数据整合机制，主要是减少不必要的数据，通过网络内部处理、数据压缩、数据预测三种方式减少不必要的数据。
  • 减少传感器模块的能量消耗，主要通过自适应采样、分层或分级采样和基于模型的主动采样三种方式。

基于移动节点的节能机制

在静态的无线网络中，一般来说，越靠近终端节点的节点能耗越大。通过一些节点（包括终端节点）的移动，可以避免这种情况的发生，从而提高WSN整体的生命周期，使无线Mesh网络中的动态和静态实现最优的配置。这种最优配置主要依赖于两个节点的位置和数据量的发送，在数据密集型无线传感器网络中制定出最佳的移动路径，达到移动节点无线传输的总能量消耗最小的目的。

由于无线Mesh网络的能量供应主要以不可补充的电池为基础，在此基础上，为了有效延长网络生存的时间，除了在节点设计时选用低功耗器件，在网络构建与控制协议设计中除了采用节点冗余技术、优化介质访问控制（MAC）技术、节能路由协议与数据融合技术、功率控制技术以外，还可以采用动态能耗管理（DPM）、动态电压调节（DVS）和动态频率调节技术（DFS）等节能策略，达到对有限能量资源的最大化利用，最大限度延长网络生存时间。

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