2010年《埃及信息学杂志》：多速率自组网中的能量性能和带宽资源优化

Egyptian Informatics Journal（2010）11，33开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com原创文章多速率自组网艾哈迈德·叶海亚Department of Electrical Engineering，Faculty of Engineering，Al-Azhar University，Nasr City，Cairo-11371，Egypt2009年11月收稿; 2010年2010年7月17日在线提供摘要Ad hoc网络设计的核心是能量性能和带宽资源的限制。已经提出了多速率自适应架构以减少控制开销并增加带宽利用效率。在本文中，我们提出了一个多速率协议，在非常低的控制开销下提供最高的网络性能。使用QualNet网络仿真器进行了大量仿真，验证了所提出的自动多速率协议的有效性。仿真结果表明，我们的解决方案显着提高了整体网络性能。©2010计算机和信息学院，开罗大学。制作和主持人Elsevier B.V.保留所有权利。1. 介绍有限的电池能量和有限的带宽资源是adhoc网络设计中最重要的约束。因此，大多数关于ad hoc网络的研究都集中在优化算法上，以减少控制开销并提高带宽利用率。在其他场合，自动数据传输速率选择协议[1]允许无线设备以高数据速率运行，电子邮件地址：ahmed_yahya_1@yahoo.com1110-8665© 2010 开 罗 大 学 计 算 机 和 信 息 学 院 。 制 作 和 主 办Elsevier B.V.保留所有权利。开罗大学计算机和信息学院负责同行审查。doi：10.1016/j.eij.2010.06.005制作和主办：Elsevier信道条件足够清晰，从而提高网络吞吐量并增加带宽效率。在本文中，我们提出了一种新的解决方案，有效的网络操作在adhoc网络中，通过引入多速率算法与多级节能协议，以实现高网络吞吐量与低开销。本文的其余部分组织如下。第二节讨论了adhoc网络中的第三节介绍了移动自组网的多级节能协议。第四部分介绍了相关的工作。第5节讨论了所提出的自动多速率原型性能。第5节简要介绍了我们提出的协议的仿真参数和结果。最后，我们在第6节中做了一些总结。2. 网络中的多速率该802.11物理层（物理层）提供多种传输速率，通过采用不同的调制和信道编码，荷兰国际集团计划。例如，802.11b PHY[2，3]在 2.4 GHz频带提供高达11 Mbps的4种速率，802.11a PHY[2，3]在2.4 GHz频带提供高达11Mbps的4种速率，802.11a PHY [2，3]在2.4 GHz频带提供高达11Mbps的4种速率，[4] 在5 GHz 频段上提供8 种速率，最高可达54 Mbps，802.11g PHY[2，3]支持12种速率，最高可达54 Mbps，关键词能量感知协议; Ad hoc网络性能;MANET体系结构第34章叶海亚2.4 GHz频段。此外，越来越多的商用802.11产品支持多个发射功率电平。例如，Cisco Aironet 802.11A/B/G无线CardBus适配器[4]是一种无线设备，支持从0 dB m到20 dBm的多种发射功率电平（见表1）。虽然多速率设备提供了更高的灵活性，但它们不能改变速度和范围之间的固有权衡。高速和远程不能同时实现。长距离通信必须以低速率进行，而高速率通信必须以短距离进行。这种多速率能力仅仅提供了多个不同的性能。权衡点（图1）。多速率设备必须具有针对给定情况选择适当速率的协议。因此，通过利用由802.11设备提供的多个传输速率和多个传输功率电平，已经提出了各种自动多速率机制，如：自动速率回退（ARF）协议[6，7]，这是利用此功能的MAC的第一个商业实现。使用ARF，在连续传输成功（这表明信道质量高）后，RNC尝试使用更高的传输速率，并在失败后恢复到更低的速率。基于接收器的自动速率（RBAR）[5，8，9]协议。RBAR的核心思想是接收方通过对请求发送的物理层分析来表1Cisco Aironet无线CardBus适配器（802.11 b）的数据速率和相应的范围及调制技术。速率（Mbps）最大射程（m）调制技术DSSS1148补码键控（CCK）5.591微分正交相移1124键控（DQPSK）二进制相位移位键控（DBPSK）（RTS）消息。然后，接收器根据信道条件所允许的最高可行值来设置每个分组的传输速率。主动自动速率（OAR），无线自组织网络中多速率IEEE 802.11的增强协议。OAR的关键思想是当高质量信道通过多个背靠背分组的传输出现时，机会主义地利用高质量信道。具体地，当多速率MAC（RBAR）指示信道质量允许高于基本速率的传输时，OAR与可实现的数据速率与基本速率的比率成比例地准许用于多个分组传输的信道接入。因此，OAR节点在高质量信道下比在低质量信道下传输更多的分组[5，8，9]。关键思想是允许无线站基于其自身与接收器之间的链路质量来选择最节能的传输策略，该传输策略包括传输速率、传输功率和/或数据有效载荷长度。在典型的802.11MANET中，一些站可能远离它们的邻居并且它们的无线电传输的质量低，而一些站可能靠近它们的邻居并且经历更好的无线信道条件。结果，不同的无线站可以选择不同的传输策略来与其邻居通信。为了详细说明，我们注意到，在无线网络中，发送器和接收器之间的距离是信道质量的主要因素。例如，当两个节点使用IEEE 802.11b以相反的方向移动时，自动速率协议[10]将在节点最终断开连接之前将其链路速度从11 Mbps降至1 Mbps（图2）。因此，在到达具有多速率能力的相反方向之前，不会遇到可靠性问题。3. 移动自组网中的多级节能协议多级省电协议为PSM增加了k个功率级别，这可能会导致一些问题：相应的休眠和唤醒过程：由于多级省电协议假设节点分别从一级遍历到另一级，因此如果存在传输或不存在传输，则意味着图1802.11b范围。图2两个节点以相反的方式移动。●●●●多速率自组织网络的能量感知架构35网络的等待时间将增加并且性能将降低。如果节点具有要发送的分组，则它将等待直到下一个ATIM（自组织业务指示消息）窗口，由于节点处于级别k，所以下一个ATIM窗口可能很远。节点敏感性：只要节点进入深度睡眠（级别k），节点对外部环境变化的感知就会降低，这是以协作方式工作的adhoc网络中的一个关键问题。从一级移动到另一级，系数为2：在k = 1时，ATIM（自组织业务指示消息）窗口间隔和信标窗口间隔（图3）之间的标准比率为10%。当k=2时，这个比率将是5%，当k=3时，这个比率将是2.5%，依此类推。第一个比率和第二个比率之间的差异非常大，这将影响网络的性能。我们将多级省电协议的k级分为两级，因为它比标准PSM节省更多的功率，并且具有可接受的性能。从一个级别移动到另一个级别，系数为1，以减少网络的延迟。如果有数据包要发送，则立即唤醒，这得益于一些网络节点工作在级别1，而一些网络节点工作在级别2等。基于上述准则，我们提出了三个省电协议。对于每个PS主机，它将其时间轴划分为多个固定长度的间隔，称为信标间隔。在每个信标间隔处，存在称为图4多级省电协议流程图ATIM间期。在ATIM间隔期间，PS主机应该打开其接收器以监听任何分组并像往常一样采取适当的动作，并且如果站有分组要发送，则它将竞争将其ATIM帧发送到其邻居。 如果站点在ATIM窗口中没有任何活动，则它将周期性地向其邻居发送信标帧以同步网络站点。在ATIM间隔之后，没有分组要发送或接收的PS主机可以进入睡眠模式。4. 相关工作为了提高MAC层的性能，人们对节能模式（PSM）协议进行了大量的研究。这种改进是通过修改睡眠间隔的增加来进行的，如引入的多级节能机制[8]。所提出的方案的一般流程图如图4所示。这些改进的贡献如下。4.1. k=2的多级省电协议（M2）该方法的基本思想源自k=2的多级省电协议。该协议的形式推导如下。每个PS主机将其时间轴划分为固定长度的信标间隔，在每个信标内，ATIM窗口的长度是固定的。从级别1移动到级别2分别基于是否存在传输的事实。如果PS主机处于级别1，则PS主机将唤醒在每个信标间隔的ATIM窗口处向上。但是如果PS主机处于级别2，则唤醒过程将基于信标序列号。如果信标序列号- ber是整除由站的水平，唤醒否则继续睡眠- ING。我们通过修改QualNet[8]实现的标准PSM协议来实现此协议。4.2. k= 3的多级省电协议（M3）该方法的基本思想源自k=3的多级省电协议该协议已正式...图3MAC层的省电。●●第36段。叶海亚如下所示。每个PS主机将其时间轴划分为固定长度的信标间隔，在每个信标内，ATIM窗口的长度是固定的。从级别1到级别3通过级别2分别基于是否存在传输的事实。如果PS主机处于级别1，则PS主机在每个信标间隔的ATIM窗口唤醒。但是如果PS主机处于级别2或3，则唤醒过程将基于信标序列号。如果信标序列号可被站点级别整除，则唤醒，否则继续休眠。我们通过修改QualNet[9]实现的标准PSM协议来实现该协议，自动利率与固定利率3500300025002000150010005000PSM M2 M3 MM3议定书其中通过将每个级别的休眠时间增加1倍来实现K个4.3. 改进的多级省电协议，k= 3（MM3）该方法的基本思想源自k=3的多级省电协议。该协议的形式推导如下。每个PS主机将其时间轴划分为固定长度的信标间隔，在每个信标内，ATIM窗口的长度是固定的。从1级移动到3级而不进入2级是不分别的;如果有传输，则PS主机将移动到1级;如果没有，则PS主机将转到3级如果PS主机处于级别1，则PS主机在每个信标间隔的ATIM窗口唤醒。但如果PS主机处于第3级，则唤醒过程将基于bea-con序列号。如果信标序列号除以站点级别，则唤醒，否则继续休眠。我们建议使用多级协议（k=3），以实现低功耗，同时保持良好的性能。5. 建议的自动多速率协议性能在本节中，我们使用QualNet模拟器中实现的自动多速率功能在网络元件之间发送数据并测量网络性能。5.1. 仿真模型为了评估所提出的自动多速率协议的性能，我们使用QualNet模拟器创建场景，并修改QualNet实现的标准PSM协议，以适应每个协议的特性。每个场景都是图5吞吐量与自动多速率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点）。与随机分布在1000 m · 1000 m地形上的固定30节点网络相匹配;每个主机的总能量为100 mJ。随机选择15个节点，1.2自动速率VS固定速率自动评级固定利率10.80.60.180.160.140.120.10.08自动速率与固定速率0.40.060.040.20.020PSM M2 M3 MM3议定书0PSM M2 M3 MM3议定书图6延迟（时间）与自动多速率（移动性10 m/s，信标100 s，30个 节点）。图7消耗的能量与自动多速率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点，固定速率=2 Mbps）。自动评级固定利率时间（秒）自动评级固定利率吞吐量（bps）消耗能量（mJoule）多速率自组织网络的能量感知架构37100 固定利率90807060PSM50M240M330毫米320100250 300 350 400模拟时间（秒）图8固定速率生存率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点，固定速率=2 Mbps）。可以是恒定比特率源，每个源以每秒10个分组的速率生成512字节的数据分组，持续100秒，发送到随机选择的目的地。网络对每个恒定比特率源使用adhoc按需距离向量路由来发现到目的地的路由。 修改了802.11 Mac和物理无线参数，以匹配Cisco Aironet 802.11A/B/G无线CardBus适配器的规格。5.2. QualNet模拟参数在我们的模拟中有四个参数是可调的：主机密度（30-50个节点），信标间隔（100-400 ms），移动性（暂停时间被设置为30秒，主机将以0和20米/秒之间的速度移动），以及自动多速率（已经在模拟器中实现）。自动多速率功能将通过第4节中讨论的多级节能协议进行研究，并与固定速率协议（2 Mbps）进行比较5.3. 仿真结果图5绘制了在自动多速率协议（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点）中操作的网络协议的吞吐量。图6绘制了在自动多速率协议（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点）中操作的网络协议的延迟。100自动速率90807060PSM50M240M330毫米320100250 300 350 400模拟时间（秒）图9自动多速率生存率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点，固定速率=2 Mbps）。存活率（%）存活率（%）38年。叶海亚这些图显示，对于所有协议，使用自动多速率时吞吐量增加，延迟也增加。这是预期的，因为如果吞吐量高，则无线网络中的延迟是不可避免的。该结果表明了传播时间和多径问题的影响。图7绘制了消耗的能量与自动多速率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点，固定速率=2Mbps）的关系。其显示使用自动多速率协议对总能耗的影响，预期总能耗低于使用固定速率。这是因为在某些链路上以较高速率发送将消耗更多能量，但是发送更多数据将使节点空闲更多时间，这将节省能量。发送和转发数据可能需要这种能量，而不是以固定速率发送。总的网络生命期几乎相同，如图2和图3所示。图8和图9描绘了存活率固定速率和自动多速率（移动性10 m/s，信标100 s，30个节点，固定速率= 2 Mbps）。通过测量每个协议的吞吐量和延迟，研究了使用自动多速率协议对所选协议（PSM、M、M3和MM3）的影响，如图1和图2所示。六比九这些结果表明，对于PSM、M3和MM3，使用自动多速率的吞吐量优于使用固定速率。6. 结论在本文中，我们研究了在802.11无线网络中利用多速率来本文提出了自动多速率协议，研究了它对多级节能协议的影响，并将其与基于IEEE 802.11的三种节能协议进行了比较。仿真结果表明，采用自动多速率协议后，系统的性能得到了提高，功耗得到了降低。这将增强整体信道特性，然后主动节点可以在更短的时间内发送更多的数据，因为功率更长。我们强烈建议激活自动多速率协议在自组织网络中，特别是如果我们关注功耗问题。引用[1] 作 者 ： J. 无 线 自 组 织 网 络 中 的 节 能 路 由 。 参 见 ： IEEEINFOCOM会议记录;2000年。[2] IEEE 802.11标准。无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范。USA：IEEE; 1999.[3] IEEE信息技术标准-系统间电信和信息交换-局域网和城域网-特殊要求-第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范。[4] Cisco. 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