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随着无线移动通信技术的发展,无线多跳网络(Wireless Multi-hop Networks)引起越来越多研究人员和工业界的关注。与现有基于固定基础设施的无线接入网络相比,无线多跳网络具有自组织、分布式、动态拓扑、容错性强、可靠性高、部署成本低等特点,在军事通信、野外勘探、传感器网络和临时应急等众多领域得到日益广泛的应用。
一般根据应用场景的不同,可以将无线多跳网络分为移动Ad Hoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络。移动Ad Hoc网络和无线传感器网络的节点大多采用电池供电模式,部署后不易更换,能量使用快慢决定网络的生存时间,因此,在保证数据通信正常进行的前提下,提高能量的使用效率以节省能耗是这类网络的主要设计目标;无线Mesh网络的设计目标是扩展通信传输区域,为无线用户和网络节点提供高速接入服务,因此,提高网络吞吐量是主要设计目标。可以看出,降低能耗和提升吞吐量分别是两种不同类型的无线多跳网络中的主要设计目标。
功率控制机制指网络中的节点按照分布式方式根据动态获取的信道衰减状况、节点连接状况等自主选择发射功率。功率控制机制决定发射信号的传输距离,改变网络的连通情况从而改变网络的拓扑结构;决定接收节点的信号质量,影响数据传输的成功率;决定发射节点对其他节点的干扰强度,影响数据发送的成功率,决定无线信道的接入竞争强度,影响信道的利用率。功率控制的设计需要综合网络的设计场景和主要设计目标进行,有效的功率控制机制能够提高能量效率和网络吞吐量。
本文关注无线多跳网络中以提高能量效率为目标和以提升吞吐量为目标两种情景下的功率控制机制。本文的主要贡献有以下两点:
1.提出基于帧长度的自适应功率控制机制。根据数据帧与控制帧的相对长度对功率进行动态微调,提高通信成功率并尽量减少信号间干扰,从而增加数据传输成功率,减少由于冲突造成的能量浪费。仿真结果表明在负载轻的情况下,所提方案与现有方案的能量有效性参数类似,随着负载增加,所提方案比现有方案的能量有效性、吞吐量和时延等参数性能更加优化。在节点发送速率为1600packets/s时,能量有效性比现有方案提高8-17%,吞吐量提高13-35%,时延降低8-15%。
2.提出基于发送队列长度的自适应功率控制机制。首先证明了发射功率与节点分组发送速率和发送成功率成正相关,并扩展网络流模型,结合输入数据流和输出数据流,对基于发送队列长度的功率控制进行理论分析,证明基于队列长度的功率控制机制存在可行解。基于这一结论,提出一种基于发送队列长度的自适应功率控制机制。提高转发节点的发送成功率和数据发送速率。仿真结果表明比现有研究的吞吐量增加20-30%,端到端时延降低10-20%。