移动多跳无线网络中链路协同的能效优化方法研究

东北大学硕士学位论文摘要PAGEII移动多跳无线网络中链路协同的能效优化方法研究摘要随着信息新技术的发展，移动多跳无线网络已成为下一代无线网络的重要组网方式。移动多跳无线网络具有部署快速，组网灵活，接入方便，可扩展性强的特点。由于其网络拓扑结构随着网络节点的移动而动态变化，特别是其网络节点常常为了适应特殊应用而配备的能量有限，如何在动态移动的时变网络环境下构建高能效的多跳网络是其面对的重要问题。提高网络能效可以用更少的能量传输更多的信息，达到保证通信质量的同时降低系统能量消耗的目的，从而提高系统效率，改善系统性能。本文利用链路协同研究移动多跳无线网络中的能效协同优化方法，并设计了相应的能效路由算法。本文首先研究了链路协同的能效路由协议。高能效的路由协议是降低无线网路能耗的最重要方法之一。设计一种简单高效的路由协议使之能感知网络拓扑结构的变化，快速准确发现路由，更新链路状态并动态维护网络拓扑的连接。近些年来很多学者做了大量的研究，但是由于很多设计其考虑的模型并不够细致，它们通过直接变更路由的方式达到能效目的，却忽略了变更路由所造成的代价，造成了大量的能量消耗。在802.11DCF机制下，本论文仔细的设计了路由发现和路由维护方案。其中路由发现方案代价低、速度快，路由维护方案利用链路协同的思想以带价最小的方式建立高能效的路由。仿真结果表明，本文所提的链路协同能效路由协议能够明显的提高网络能效。其次，本文研究了链路协同的能效休眠协议。经过对节点在不同工作状态下的能耗分析，表明休眠是降低节点能耗的重要措施。休眠不仅大大降低了空闲监听能耗和不必要的“偷听”能耗，在一定程度上避免了冲突和干扰。然而节点关闭射频导致它不能感知周围的通信，休眠导致多跳时延加大，重负载下吞吐量降低。因此必须解决节点的休眠协调同步问题。本论文结合路由协议、休眠机制和同步算法三个方面，将休眠机制划分为有节点占用信道时休眠和信道空闲时基于信道平均空闲时间的同步休眠两部分，利用链路协同的方式实现了移动无线网络节点的动态休眠。仿真结果表明本文所提的链路协同休眠能效路由协议能够明显降低网络能耗，提高整个网络能效并降低因休眠造成的时延。最后，本文研究了链路协同的速率自适应机制。在可变速率网络中，当发送端使用不同的发送功率发送数据时链路带宽不同。发送节点速率变化时，接收节点在理想带宽下接收每bit数据所消耗的能量和接收信噪比也会相应的改变。每个节点所选择的传输策略、所处的位置和所选择的传输速率决定了网络的性能，如：能耗、能效。在以不同速率发送信息条件下，其能效大小会有所不同。移动多跳无线网络中，从源节点到达目的节点的路径中存在多条链路，恰当的协调路径中节点的发送速率和功率是提高整个网络能效的重要途径。本文中传输策略是在多跳路径中节点的发送速率相同条件下，链路之间通过协同发送速率的大小来最大化整个网络的能效。仿真结果表明链路协同的速率自适应机制能够大幅度的提高整个网络的能效。关键词：无线网路；移动多跳网络；能效；协同优化东北大学硕士学位论文Abstract东北大学硕士学位论文AbstractTheResearchofCollaborativeOptimizationofEnergyEfficiencyofLinksinMobileMulti-hopWirelessNetworksAbstractWiththedevelopmentofnewinformationtechnologies,mobilemulti-hopwirelessnetworkshavebecomeanimportantnetworkingmodeofnext-generationwirelessnetworks.Mobilemulti-hopwirelessnetworkshavesuchfeaturesasquickdeployment,strongexpansibility,flexiblenetworking,convenientaccessandsoon,however,theirnetworktopologydynamicallychangeoverthemobilenodes,andareoftenequippedwithlimitedenergyforspecificapplication,howtobuildahighenergy-efficiencymulti-hopnetworksinadynamictime-varyingmobilenetworkenvironmenthasthenbecomeanimportantissue.Improvingnetworkenergyefficiencycanmakenodestransmitmoreinformationwithlessenergy,thusachievingthegoalofcommunicationqualityinsuranceandreducingsystempowerconsumption.Inthemeanwhile,itcanimprovesystemefficiencyandsystemperformance.ThisthesisuseLinkscollaborativetooptimizetheenergyefficiencyinmobilemulti-hopwirelessnetworksanddesignthecorrespondingenergy-efficientroutingalgorithm.Thethesisfirstlystudiestheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinks.Theroutingprotocolwithhighenergyefficiencyisoneofthoseimportantmethodstoreducetheenergyefficiencyofmobilenetwork.Asimpleandhighlyeffectiveroutingprotocolcanmakesenseofthechangesofthenetworktopology,findouttheroutesquicklyandcorrectlyandthenupdatethelinkstate,maintaintheconnectionofnetworktopologydynamically.Inrecentyears,theresearchershavemadelargenumbersofstudiesaboutthat,however,theycausedplentyofenergyconsumptionsincemanymodelsamongthedesignsarenotdelicateenoughinwhichtheyachievethegoalofenergyefficiencybyalteringroutesdirectlyandignorethecostcausedbythealteration.Underthesystemof802.11DFC,thethesiscarefullydesignstheschemeforroutediscoveryandmaintenance.Theroutediscoveryschemehaslowcostandfastspeed;whiletheroutemaintenanceschemeisabletobuiltrouteswithhighenergyefficiencywiththelowestcostbythemeansofcollaborativelinks.Thesimulationresultsshowthattheenergy-efficientroutingprotocolsofcollaborativelinksproposedbyourthesiscansignificantlyimproveupliftnetworkenergy-efficiency.Thethesisthenstudiestheenergy-efficientsleepingprotocolsoflinkcollaborations.Byanalyzingtheenergyconsumptionofdifferentnodesunderdifferentworkingcondition,itimpliesthatdormancyisanessentialmeasuretolowerenergyefficiencyofthenodes.Dormancycannotonlyreduceboththeenergyconsumptionofidlemonitorandunnecessaryoverhear,butalsocangetridoftheconflictsandinterferestoacertainextent.Fornodes,shuttingdowntheirradiofrequency,however,willmakethemunabletosensesurroundingcommunication,andthedormancywillresultinlargermulti-hopdelaysuchthatthethroughoutisloweredunderheavyloads.Soweneedtosolvethecoordinationandsynchronizeproblem.Thethesiscombinethethreeaspectsofrouteprotocols,dormancyschemeandsynchronizationtogether,dividethedormancyschemeintotwoparts,namely,dormantwhentherearenodesoccupyingchannelsandsynchronousdormancybasedonaveragechannelidletimewhenchannelsareidle,andthenachievenodes’dynamicdormancyofmobilewirelessnetwork.Simulationresultsillustratethattheenergy-efficiencydormancyprotocolsofcollaborativelinkscansignificantlyreducethenetworkenergyconsumption,raisenetworkenergy-efficiencyandreducethedelaysbroughtaboutbydormancy.Attheendofthethesis,wemakeresearchabouttherateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinks.Inanetworkwithchangeablerate,thelinkbandwidthvarieswhenusingdifferentsendingpowertosenddata.Whenthesendingratevaries,theenergyconsumedbyreceivingnodeswhentheyreceiveperbitdatainthecaseofidealbandwidthandreceivedSNRwillchangecorrespondingly.Theselectedtransmissionstrategy,positiontogetherwithselectedsendingrateofeachnodewilldeterminethenetworkperformance.Ofcourse,theenergyefficiencywillbedifferentisthecaseofdifferentsendingrate.Inthemobilemulti-hopwirelessnetwork,thereexistmultilinksbetweenoriginnodesanddestinationnodes,propercoordinationonnodes’sendingrateandsendingpowerofthepathisacriticalmeanstoimprovingthewholenetworkenergyefficiency.Thetransmissionstrategyinourthesisistomaximizethewholenetworkenergyefficiencybycoordinatingthesendingrateamonglinksundertheconditionthatthenodesinmulti-hoplinkshavethesamesendingrate.Thesimulationresultsindicatethatrateself-adaptivealgorithmofcollaborativelinksiscapableofincreasingthewholenetworkenergy-efficiency.Keywords:WirelessNetworks;MobileMultihopNetworks;EnergyEfficiency;CollaborativeOptimization

东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明 I摘要 IIAbstract IV目录 VII第1章绪论 11.1研究背景及意义 11.1.1研究背景 11.1.2研究意义 11.2研究现状 21.2.1能效路由协议的研究现状 31.2.2节能休眠协议的研究现状 41.2.3能效速率控制研究现状 51.3本文的主要工作 51.4课题来源 6第2章移动多跳无线网络概述 72.1无线多跳网络概述 72.2移动多跳无线网络概述 72.3移动多跳无线网络特点 82.4移动多跳无线网络的应用 92.5IEEE802.11DCF机制概述 102.6链路协同介绍 122.7本章小结 14第3章链路协同的能效路由协议 153.1概述 153.2快速建立路径的路由发现方案 163.3链路协同的路由维护方案 183.4能效分析方案 203.5仿真结果及分析 223.5.1仿真环境及参数 223.5.2能效路由协议的仿真与分析 223.5.3网络能耗和能效的仿真与分析 223.6本章小结 34第4章链路协同的能效休眠协议 354.1概述 354.2休眠方案 354.2.1有节点占用信道时期的休眠方案 364.2.2信道空闲时的休眠策略 374.3链路协同的功率控制方案 384.4同步策略 394.5能效分析方案 404.6仿真结果及分析 424.6.1仿真环境及参数 424.6.2能效路由协议的仿真与分析 424.6.3网路能效、能耗和发送时间的仿真与分析 434.7本章小结 51第5章链路协同的速率自适应机制 535.1概述 535.2问题阐述 545.3能效最优的发送速率 555.4链路协同的速率控制 585.5仿真结果及分析 595.5.1仿真环境及参数 595.5.2链路接收信噪比与bit能耗关系的仿真与分析 605.5.3网路能效、能耗和发送时间的仿真与分析 605.6本章小结 69第6章总结 716.1工作总结 716.2未来展望 72参考文献 73致谢 73攻读硕士学位期间发表的论文 83攻读硕士学位期间参与的科研项目 83

东北大学硕士学位论文第1章绪论-PAGE24-绪论研究背景及意义随着无线移动通信技术的快速发展，人们对移动通信的依赖性越来越强。由于移动通信技术的迅速发展与推广，WiFi、WiMax、无线局域网、蓝牙、蜂窝通信系统等移动通信技术不断丰富和发展，网络发展的热点问题受到广泛关注。这些技术极大的方便了人们的生活，同时也使无线移动通信技术得到了快速发展。但迅速增加的无线设备和通信流量带来了巨大的能量消耗。因此，通信能耗的标准也逐步严格。绿色通信作为未来通信的发展趋势，受到越来越多研究人员的关注。特别是对于无线通信，网络能效是其重要指标，已逐步成为衡量通信机制优劣的重要依据。研究背景移动多跳无线网络具有无中心、自组织性、分布式和动态变化的网络拓扑等特点。由于这些特点，移动多跳无线网络成为目前国内外学术界的研究热点。由于现有网络节点的处理能力和存储能力等逐渐提高，而现有电池技术远落后于其他方面。节点能量受限成为了限制移动多跳无线网络发展的一个瓶颈。同时绿色通信作为未来通信的发展趋势，受到越来越多研究人员的关注。对于现有快速增长的通信能耗，特别是对于无线通信，网络能效是其重要指标，已逐步成为衡量通信机制优劣的重要依据。研究意义移动多跳无线网络的节点大多依靠电池供电，目前低功耗硬件技术和电池技术难以取得突破性的进展，而且在许多处于无人值守的场景下，不可能更换电池。因此研究适合于移动多跳无线网络的节能方案具有重要意义。网络和计算机技术的快速发展对无线通信技术提出了更多的要求，相应的带来了巨大的能耗。路由技术作为移动多跳无线网络关键技术之一[1-3]，得到了广泛的关注。之前许多的研究都在固定网络和蜂窝网络的研究方法基础上加以改进，但其并不适合移动多跳无线网络中节点位置动态变化、自组织特性和能量受限的问题。简洁高能效的路由协议是解决网络拓扑结构的变化和能耗瓶颈的重要途径。无线收发电路有四种状态：发送、接收、空闲和休眠。大量学者对这四种状态的能耗进行了深入研究。文献[4]的研究表明，“偷听”会消耗大量的能量。由于无线信号的广播特性，节点会收到大量与自己无关的数据包，尽管这些包被立即丢弃，但接收电路处理会消耗能量。对短距离传输来说，接收数据比发送数据的功耗可能更大。无线网络节点不仅在发送和接收需要消耗能量，射频即使在空闲状态也具有很高的功耗。其能耗几乎与接收模式下接近。Stemm和Katz的测量表明[5]，工作于915MHz的W.card的空闲监听、接收、发送的功耗比为1:1.05:1.4；在文献[6]中该比值为：1:1.2:1.7。例如MicaZ的射频模块CC2420发送时的工作电流为17mA(发射功率1mW)，接收时为19mA，而休眠时仅需要0.001mA[7]。在文献[8-9]中给出了几种常见的无线设备的网络接口在四种工作状态(待机、接收、发送和睡眠状态)下的能量消费情况。结果表明，节点处于发射状态时能量消耗最大，其次是接收状态，而在睡眠状态时能量消费最小。处于睡眠状态的网络接口的能量消耗大概只有待机状态时的二十分之一。降低射频能耗可以大大降低节点的能耗，延长网络寿命。在节点处于空闲状态时，尽可能将其关闭(即置于休眠状态)以减少空闲监听能耗。无线网络通信协议直接控制着射频模块的工作。由上面分析可知，将处于空闲状态的节点置于睡眠状态能够显著的降低节点能量的消耗，是一种非常有效的节能方法。研究高效节能的通信协议，优化射频的工作状态，对于降低网络能耗具有重要的意义。无线网络快速发展受到了电池能量的限制。对于移动多跳无线网络，高效的传输信息具有重要意义，降低传输功率是降低网络能量消耗的重要方法。但是在可变速率的网络中，降低节点的传输功率会造成节点传输速率的降低，从而可能会导致吞吐量大幅度下降，降低了整个网络的能效值。因此需要将功率控制与速率控制同时考虑。移动多跳无线网路中，每个节点在选择传输策略的时，提高网络能效成为了关键的考虑因素。通信策略包括调整每条链路的传输速率和每条链路节点的发送功率。总之，无线网路规模不断扩大[10-12]，流量增长迅速，带来了巨大的能耗。在移动多跳无线网络中，各种业务的进行依赖于网络中的节点。在能源技术还没有取得突破前，移动节点均不得不采用各种形式的电池作为其工作能量的提供者。因而，在能量有限的基础上，对于各种网络业务而言，尽量延长节点的工作时间是十分必要和必需的。为了达到这一目标，除了通过提高电池容量等硬件措施延长节点的工作时间外，提高能量的使用效率，是一个切实可行的方法，对此展开研究，具有十分积极和现实的意义。研究现状近些年能效作为网络重要的性能指标被学者们广泛研究。电池能量是制约移动多跳无线网络发展的瓶颈，因而高能效通信问题被广泛研究。提高移动多跳无线网络能效的方法较多，但主要集中于路由协议和休眠协议两部分，此外也有速率控制，数据融合等方法。本文中重点研究了路由协议、休眠协议、速率控制这三个方面。能效路由协议的研究现状DSR协议作为按需路由的源头性的最重要的路由协议之一，其主要特点是使用源路由机制进行分组转发。在2007年DSR协议被定为标准以后，许多研究机构与学者都对它进行了研究，进而提出许多修改版本，从不同角度对这个协议进行了完善和改进[13]。虽然DSR的改进协议都在性能上相比较传统DSR协议在性能上都有了显著的提高，但是DSR协议仍然存在着一些缺陷：路由缓存失效路由太多，路由缩短效果不理想、节点耗能太大导致节点快速死亡的问题。而对于现有很多新提出的能效路由协议，其考虑的模型并不够细致。其通过直接的变更路由的方式达到能效的目的，却忽略了变更路由所造成的代价。因而其不仅提高的能效值有限，而且可能造成更多的能量消耗。在移动的环境中，由于节点的移动随时可能造成原有路径的中断，而且DSR路由协议并没有考虑路径的节能和提高能效的方案，其路由协议能耗较高，造成了巨大的能量浪费。对于很多能效路由协议，其单纯的寻找能效最优的路径，而忽略了路路由立和路由维持的代价。在移动多跳无线网络的路由发现时期，路由发现包REEQ要以最大功率级别发送，其能量消耗与数据包发送所消耗的能量相接近[14]。对于DSR及DSR改进算法和AODV等协议在路由发现阶段，当源节点有数据要发送并发送路由请求包。其邻居节点会将先收到的REEQ包广播转发，将后来收到的REEQ包丢弃。其路由开销为。因为能效最优的路径跳数相对较多[15]，时延较长。对于传统的能效路由算法[26]，其根据网络的拓扑信息动态的调整节点传输路径。通过对节点密度进行侦听，动态变化传输路径使得当前通信路径能耗更低。同时节点通过计算出能够保持网络连通所需要的最小的发射功率，通过使用优化的发射功率，使路由所消耗的总功率最小化。但是文献[16]中在路由发现阶段，邻居节点在收到后来到达的路由请求时包时不能直接丢弃。因为该路径可能是能效最优的路径。其算法复杂度为。因而，传统能效方法在路由发现时期带来大量的能量消耗。网络用户的数量急剧扩增[17-19]，网络的结构也变得复杂多变。在多跳无线网络中对能效的研究近年来已经取得了一些成果[20]。M.J.Miller[21]将载波监听用于监听邻居节点是否有数据发送，同时可以判断邻居节点是否停止载波监听进入休眠状态。本文中节点通过监听邻居发送的数据包而获得链路的能耗信息，为找到能效最优的路劲提供了依据。Hanan.S[22]为随机接入点建立最短树从而降低网络能耗提高网络的生存时间。T.Zhu[23]等人在无线多跳网络中使用一种机会转发传输控制消息和数据包的机制，引入一个新的贪婪转发算法和高效的自我抑制方案，进一步减少控制消息的开销。本文中通过在数据包中加入能量消耗等相关信息，利用包中所包含的信息发现能效的路径。而Tavli.B[24]等通过修改帧中所包含的信息达到发现能效路由的目的。S.Gobriel[25]等提出了一种延迟转发的方案，即中间节点在等待固定时间后才转发路由请求包。这样可以在找到能耗最低链路的同时减少中间节点转发路由请求包的次数，降低了路由发现过程代价。节能休眠协议的研究现状网络的规模迅速膨胀[26-28]，休眠是有效的节能手段，如果节点只在需要通信时处于活动状态，而在其余时间均处于休眠，不仅大大降低了空闲监听能耗和不必要的“偷听”能耗，而且在一定程度上可以避免冲突和干扰。然而节点休眠也带来了一系列的新问题。首先，节点关闭射频导致它不能感知周围的通信，必须对相邻节点进行休眠协调。一种方式是休眠和唤醒机制中采用的信标采样(或低功耗监听)，即每个包被发送时需要先发送一个很长的信标，以便于接收方在信道检测时知道有节点发送数据。这种技术需要节点在任何时刻听到通信时都要醒来，而不管是否此次传输的目的地是自己，消耗了大量的能量。而且在密集多跳网络中，如果信道采样率较低，这种技术的端到端的包接收成功率很低[29]。另一种方式就是周期性让节点进入休眠和唤醒状态，这种机制需要保证节点之间的同步，使节点尽可能多地处于休眠状态，而在需要通信时，能够自动开启射频设备，完成数据传输任务。目前休眠节能协议的研究大体上分为三个方面：休眠和唤醒机制，具有低占空比的通信协议以及利用拓扑管理实现休眠机制[30]。STEM用双频无线电工作，一个频道用于数据传输，另一个用于唤醒节点。Tseng等人为了提802.11节能模式提出了三种休眠方式[31]，这三种都不需要节点同步，代价是发送更多的信号和在广播前发送更多的唤醒包。GAF[32]利用地理定位信息把网络分成固定的方格。在每一个方格里面，从路由的观点看所有的节点都是平等的，因此在给定的时间内，仅需要有一个节点是活动的。Z.Yuan等人则依据节点剩余能量来决定节点是否进入休眠状态[33]。S-MAC休眠时延的方法[34]通过附加控制信息，能在一定程度上实现连续传输，但这些控制信息一方面使协议非常复杂，健壮性削弱；另一方面增加了能量消耗，也干扰了数据包的传输，使竞争加剧。采用长消息传递机制解决多个分组集中发送的问题，通过一次RTS/CTS预约，多次数据发送，减少了数据传输的冲突和协议开销，降低了射频转换状态的能耗。但局部传输效率的提高并不能从根本上解决休眠延迟造成的时延较长的问题，因此对拥塞造成的缓存溢出并没有很好地解决。拓扑管理中基于经典的邻近图模型有RNG(relativeneighborhoodgraph)，GG(Gabrielgraph)，DG(Delaunaygraph)，YG(Yaograph)和MST(minimumspanningtree)等。DRNG(directedrelativeneighborhoodgraph)算法和DLSS(directedlocalspanningsubgraph)算法[35]是两种以邻近图的观点考虑无线传感器网络拓扑问题的算法，它们针对节点发射功率不一致问题提出了拓扑解决方案。能效速率控制研究现状之前大量研究的侧重点是最小化节点发送能耗。V.Rodoplu等[36]研究了在发送有限数据的情况下bit/J容量的效率。S.Verdú[37]研究了宽频下权衡带宽与能耗的关系方法，达到最小化每bit能量消耗的目的。E.Uysal-Biyikoglu等[38]在包传输时间不同的情况下，通过求解最优时序问题来最小化发送能耗。对于远距离的信息传输来说发送能量占了能量消耗的主要部分，但是对于短距离的信息传输，接收节点的电路能耗就不能够忽略了。C.Isheden等在[39]中考虑了更加复杂的电路能耗。文献中[40-44]每个节点位于等距离的直线上，但这并不符合实际多跳无线网路的分布情况。其中[42-44]考虑了能量和带宽的权衡问题，但却没有考虑电路能量消耗。KunWang等[45]通过速率自适应的方式来提高802.11无线多跳网络的能效。其将速率自适应问题转化为速率选择的背包问题然后通过寻找次优解来转化NP-hard问题。B.Alawieh等[46]利用802.11四种接入方案，依据网络中的干扰情况自适应的调整无线多跳网络中发送帧的功率和速率。此外也有[47-50]利用速率控制来避免无线AdHoc网络拥塞的发生。文献[51-52]中自适应速率的方法是利用卡尔曼滤波器来预测信道条件(SNIR)，从而提高网络的吞吐量更好的利用网路资源。MinaSartipi等[53]研究组播路由中的速率最优问题。也有[54-61]研究WLAN中的速率自适应问题。ApoorvaJindal[62]等研究了静态802.11多跳无线网络可以达到的速率范围。本文的主要工作本文主要研究高能效的移动多跳无线网络，提高网络能效方面包括以下几点：(1)提出了移动多跳无线网络中链路协同的能效路由协议，解决了网络拓扑结构的变化下，快速准确发现路由，及时更新链路状态高低能耗动态维护网络拓扑的连接问题。(2)提出了移动多跳无线网络中链路协同的能效休眠协议，大幅度降低了网络中节点不必要的空闲监听所消耗的能量。(3)提出移动多跳无线网络中链路协同的速率自适应机制，通过恰当的协调路径中节点的发送速率和功率是提高整个网络能效。(4)采用Matlab2010进行仿真验证和分析。本文的结构如下所述：第1章简要阐述移动多跳无线网络中能效优化方法的研究背景、现状及研究意义，并对本文的结构作出安排。第2章对无线多跳网络、移动多跳无线网络、802.11DCF机制、链路协同方案、移动多跳无线网络应用进行了详细阐述。第3章在802.11DCF机制下，仔细的设计了移动多跳无线网络中路由发现和路由维护方案。方案中能效路由协议路由发现代价低，速度快，链路协同的路由维护方案可以以带价最小的方式建立能效的路由提高网络能效。并将所提出的能效路由协议与DSR(动态源路由协议)，传统能效路由协议MTTCP[26]进行了比较。第4章中将休眠划分为两个部分。在有节点发送数据时，节点利用虚拟载波监听时间通过链路协同的方式动态调整节点休眠时长，使得不参与数据转发的节点迅速同时进入休眠状态。而在没有节点发送数据时，网络中所有节点利用信道平均空闲时间恰当的休眠和唤醒。算法中我们将休眠机制与功率控制结合，利用高效同步及IP信息减少路由开销，从而进一步降低了网络的能耗。最后将所提出的休眠能效路由协议与第一章三种路由协议做了相关对比。第5章，在所有节点以能够达到信道容量的编码方式发送数据条件下，当多跳路径中各节点具有相同发送速率时，经过推导求得了能够最小化bit/J的传输速率。链路之间通过协同发送速率的大小来最大化整个网络的能效。并在前两章的基础上，本章对使用速率控制算法和不使用速率控制算法的四种能效路由协议做了比较。第6章总结全文，回顾了前面所述的研究工作，并对未来的研究方向做了展望。课题来源该课题得到如下项目资助：国家自然科学基金(61071124)、新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0075)、教育部博士点新教师基金(20100042120035)。东北大学硕士学位论文第2章移动多跳无线网络概述移动多跳无线网络概述随着信息技术的快速发展[63-65]，网络流量迅速增加，人们对无线通信的需求越来越强。近年来，无线通信技术得到了飞速的发展和普及。从蜂窝移动通信技术的普及到无线局域网(IEEE802.11)[66]、蓝牙、家庭无线网等技术的大量应用。无线通信技术领域呈现出多种技术共存，新兴技术不断涌现的局面。这使得人与人之间的通信更加方便快捷，同时也使得人们的生活变得更加的丰富多彩。但是，我们通常提到的无线通信技术一般都是集中式的，需要基于预先架设的网络基础设施才能运行。如蜂窝移动通信技术需要有基站和移动交换中心等功能设施的支持。无线局域网也需要接入点和有线骨干网的支持。对于一些特殊的应用场合，如临时性组织的大型会议、灾后救援、野外科考等。在这种场合下集中式的通信技术并不胜任且不能迅速的实现和展开。移动多跳无线网络技术恰恰就可以满足这种需求。无线多跳网络概述无线多跳网络是由很多智能节点或智能终端相互之间通信构成的，并且用分散方式维持他们之间的通信。网络中的无线节点通过无线链路相互通信，这些无线链路会受到诸如噪声、衰减、干扰等无线通信的影响，另外在无线多跳网络中，链路的带宽一般比有线网络中的带宽相比低很多。在移动环境下，网络的拓扑一般情况下也是在不断的随着时间变化的，节点间的链路由于节点的失效、新节点的加入和无线环境的变化而在不断的动态变化。在无线多跳网络中，源节点到目的节点之间的典型路径是由多跳组成的，该路径上的中间节点需要充当转发节点。因而，无线多跳网络中一个节点需要充当两种功能，首先节点可以充当端节点产生或接收数据分组，其次节点充当路由器对来自其它节点的数据分组进行转发。无线多跳网络是一种分散在网络中每个节点上的分布式系统，因此高效的路由协议需要使网络每个节点能够相互协调，以多跳的方式相互通信。无线多跳网络的两个主要类型是无线AdHoc网络[67-68]和无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)[69-70]，另外无线Mesh网络[71]也可以归入无线多跳网络中。虽然这三种网络均是无线多跳网络，但它们都有各自不同的产生背景和特点。移动多跳无线网络概述移动多跳无线网络与传统的有线和蜂窝网络相比，移动多跳无线网络由一组移动的节点组成，采用分布式管理的自主网络，不依赖于现有的网络基础设施。它与传统的无线网络通信的最大区别就是不需要中心节点管理和控制。网络中的每个节点可以任意分布，任意移动。每个节点都可能随时进入或离开网络，整个网络分布式运行。随着网络技术的发展[72-74]，传统网络中对连接性和业务传输的基本需求，在移动多跳无线网路中也同样需要得到满足。网络的移动终端具有无线收发功能。其可以像路由器一样，根据路由策略和路由表转发数据包、维护路由，通过其它节点传输数据的同时也为其它节点转发数据。网络中节点间的路由通常是多跳的，由于终端的无线传输范围的限制，数据的源端与目的端无法直接通信的情况非常常见，这时就需要网络中的其它节点充当中间转发节点，节点之间的通信需要其它中间节点作为中继节点。数据转发时两个需要通信的节点通过多个节点转发数据，这就使节点可以同相距很远的节点进行通信。具体的工作原理如图2.1所示，一个典型的AdHoc网络的逻辑结构。图中终端A和F无法直接通信，但A和F可以通过路径A-B-C-F或A-B-C-E-F进行通信。图2.1多跳网络的逻辑结构Fig.2.1Logicalstructureofmulti-hopnetworks移动多跳无线网络特点移动多跳无线网络具有以下几个显著的特点：(1)多跳路由在移动多跳无线网络中，每个节点传输距离是有限的。如果两个不在彼此通信范围内的节点要互相通信时，就需要其他中间节点转发分组，从而实现这两个节点之间的通信。即要经过多跳的路由传输数据。与普通多跳网络不同，由于移动多跳无线网络中节点既有终端功能又有路由功能，移动多跳无线网络不是由专门的路由器完成的，而是由网络中的节点完成。移动多跳无线网络的这个特点使得其可以降低终端的发射功率，达到延长终端工作时间的目的。(2)无中心和自组织移动多跳无线网络中的各个节点的地位是平等的，网络中没有中心控制节点。网络中的节点可以在任意时刻和任意的地点加入或离开网络。各个节点通过网络协议和分布式算法协调各个节点之间的行为。由于各个节点是独立运行的，任何节点出现故障都不会对整个网络类的运行产生严重影响，具有很强的抗毁性。(3)网络拓扑的动态变化移动多跳无线网络中，一组节点可以通过无线信道连接成任意形式的拓扑结构。由于节点可以以任意大小的速度和移动方式运动，加上无线收发装置发送功率的可变性、无线信道间产生相互干扰、地貌和天气状况的影响，移动节点通过无线信道形成的拓扑结构会随时随地的发生变化，同时其变化的方式和变化的速度都是无法预测的。在网络拓扑结构中，这些变化主要体现在：节点的增加、减少，链路数量和分布的变化，网络拓扑结构的分割与合并等。于普通的网络来说，网络的拓扑结构则维持相对稳定的状态。(4)移动终端能量有限在移动多跳无线网络中，用户终端通常有手机、PDA、掌上电脑、笔记本电脑等。这些终端设计的都比较精巧，便于携带，但移动设备依靠电池提供能量，因此有限的电池能量会给移动设备的算法设计提出最大的约束条件。近几十年来，与高速发展的微处理器芯片技术相比，在限制电池重量的情况下提高电池容量的技术发展得相当缓慢。在这种情况下，节省节点的能量消费变得至关重要。能量节省问题涉及到无线网络中的各个层，在每层上都有相应的技术方案。当前的节能机制主要分为两大类：一类是无线网卡动态关闭机制[75]，另一类是功率控制机制[76]。移动多跳无线网络的应用移动多跳无线网络易组网、无中心分布式控制、动态拓扑、鲁棒性强等优良特性使能够满足民用和军事通信领域等很多场景的应用要求，可以归纳为以下几类。(1)个域网络随着网络技术的快速发展[77-79]，个域网络PAN(PersonalAreaNetwork)是移动多跳无线网络的一种形式，这种网络通信形式可以将个人电子通信设备，如手机、PDA、笔一记本电脑、个人健康监护仪、GPS导航仪等连接成网。个域网络设备发射功率应尽量小，现有的蓝牙和Zigbee等通信技术只适合于小范围内近距离的通信。移动多跳无线网络可以适用于大范围的个域网组建。(2)紧急服务和临时场合在发生自然灾害和各种灾难，原有的基础通信网络设施被损毁的情况下或在没有基础通信网络设施的临时场合中，移动多跳无线网络可以不依赖于任何网络基础设施组成一个临时网络来协同工作，提供临时通信支持。对救灾、抢险、野外科考、矿山作业、临时展览庆典和分布式会议等场景和具有重要意义。(3)动态场景在城市交通、远距离车队运输等节点移动性较强的场景，移动多跳无线网络可以提供动态组网的通信支持。美国加州大学伯克利分校和哈佛大学研究在高速公路上自动驾驶汽车间的相互通信即是移动多跳无线网络应用模式以取得初步研究成果。(4)商业应用移动多跳无线网络在一些商业场景下也有广泛应用，如机场无线网络、商场中的无线网络、移动医疗无线网络。场景中，用户可以相互组成网络，并能够与这些场景中的固定网络相连，享受无线自组网络带来的方便，如信息共享、医疗监护、位置服务等。(5)军事领域由于移动多跳无线网络的组网具有无需基础设施、抗毁性强、组网灵活性强等特点。移动多跳无线网络在战场中可以用于军载、飞机、单兵等不同的场合。IEEE802.11DCF机制概述IEEE802.11MAC协议是目前自组织网络最常用的信道接入协议。其定义了两种接入方式：分布式协调功能(DCF)与点协调功能(PCF)[80]。由于点协调功能(PCF)需要AP来协调网络中节点的信道接入，不适用于AdHoc网络。因此在AdHoc网络中的研究所涉及的802.11MAC协议都是指DCF功能。构成DCF基础的信道接入协议为载波检测多接入/冲突避免(CSMA/CA)机制。在基于IEEE802.n标准的无线网络中，由于发送信号的功率和接收信号的功率之间存在比较大的差异，同时无线媒质中传输的所有信号共享同一个信道，所以节点在发送信号时往往不能同时监听信道。为使发送节点能够知道所发送的信号是否与信道上传输的信号发生冲突，发送端采用了冲突避免(CA)方案：在每次发送一个数据帧后，等待一个来自接收端的确认(ACK)。如果没有收到ACK，那么发送端必须重发这个数据帧。IEEE802.11DCF的多接入部分又可以分为两类：基本方案、RTS/CTS方案。当采用基本方案时，如果节点有数据需要发送，其首先检测当前信道是否空闲。(1)如果信道空闲，并且空闲时间的长度达到DIFS，那么这个发送端就发送Data，当接收端收到该Data包时，在SIFS时间后应答一个ACK反馈信号，且DIFS>SIFS。(2)如果当前信道不空闲，或者空闲时间小于DIFS，那么发送端进入冲突避免(CA)状态。如图2.2为基本方案的示意图。图2.2基本接入方案Fig.2.2BasicaccessschemeRTS/CTS是另一个可选的接入方案。当采用这种方案时，在信道空闲DIFS时间并且发送端退避时间为0后，首先发送一个RTS信令包预约信道，接收端应答一个CTS。收到CTS后，发送端才开始发送数据，发送数据完成后，接收端再应答一个ACK。由于RTS较短，RTS冲突对网络性能造成的损害远远小于发送数据所造成的冲突带来的损害。因此采用RTS/CTS机制可以明显的提高网络的性能。但是当DATA的长度比较小时，采用基本方案可以减小发送RTS/CTS所造成的额外开销。如图2.3为RTS/CTS方案的示意图。图2.3RTS/CTS接入方案Fig.2.3RTS/CTSaccessschemeIEEE802.11DCF的载波检测包括物理载波检测和虚载波检测两种。物理载波检测通过物理层设备对信号的检测来实现。而虚载波检测则通过引入NAV(网络分配向量)参数来实现。当一个节点，如节点A收到其他节点发送的Data、RTS和CTS时，A先更新自己的NAV，根据NAV的值，节点A可以知道当前的发送将在什么时候结束，从而通过设置NAV定时器进行有效的退避等待。采用虚载波检测可以减小WLAN中的隐藏节点问题。此外，在许多节省能量消费的方案中，虚拟载波检测对于确定节点应该何时从/睡眠0状态/醒来0而进入/活跃0状态也具有非常重要的意义，流程图如图2.4所示。图2.4802.11DCF流程图Fig.2.4Flowchartof802.11DCF链路协同介绍(1)协同的定义协同是指协调两个或者两个以上的不同资源或者个体，协同一致地完成某一目标的过程或能力。协同是指元素对元素的相干能力，表现了元素在整体发展运行过程中协调与合作的性质。结构元素各自之间的协调、协作形成拉动效应，推动事物共同前进，对事物双方或多方而言，协同的结果使个个获益，整体加强，共同发展。导致事物间属性互相增强、向积极方向发展的相干性即为协同性。研究事物的协同性，便形成协同理论。(2)链路协同在本文中按照协同的范围，我们将链路协同的范围划分为三种。A．局部路径链路协同图2.5局部路径链路协同Fig.2.5Localpathcollaborativelinks图2.5中表示的协同范围是路径中两条链路和。B．整条路径链路协同图2.6整条路径链路协同Fig.2.6Entirepathcollaborativelinks图2.6中表示的协同范围是路径中所有链路、、、。C．节点覆盖范围内链路协同图2.7节点覆盖范围内链路协同Fig.2.7Nodewithinthecoveragecollaborativelinks图2.7中表示的协同范围是在覆盖范围内路径以为中心，所有处于监听状态的节点与之间的所有链路、、。(3)协同目的和依据本文中协同的内容包括有协同相应范围内链路中节点的发送功率、同步时间、节点定时器以及链路发送发送速率等。本章小结本章对无线多跳网络、移动多跳无线网络、移动多跳无线网络应用、802.11DCF机制、链路协同方案进行了详细阐述。为以下章节在移动多跳无线网络中研究并提出高能效方案提供了必要的基础条件。东北大学硕士学位论文第3章链路协同的能效路由协议链路协同的能效路由协议由于无线网络的快速发展，带来了巨大的能量消耗。多跳移动无线网络是学者们研究的重点。但由于电池技术的发展相对缓慢，限制了无线网络的发展。高效节能的通信方式能够有效的缓解电池技术的制约。其中使用高能效的路由协议是降低无线网路能耗的最重要方法之一。近些年来很多学者做了大量的研究。但是由于很多设计其考虑的模型并不够细致，其通过直接的变更路由的方式达到能效的目的，却忽略了变更路由所造成的代价，造成了大量的能量消耗。本章在802.11DCF机制下，仔细的设计了路由发现和路由维护方案。本章提出的能效路由协议路由发现代价低，并利用链路协同的路由维护方案以带价最小的方式建立能效的路由。本章中能效路由协议是基于单源单目地节点情况下讨论的。将能效路由算法分为快速路由发现方案和链路协同的路由维护两部分阐述。在路由发现阶段，我们尽量以最少的发现时间和最小的发送能耗快速的建立路由，达到代价最小的目的。在路由维护阶段，我们将数据包中加入能耗等信息，通过链路间通过移除、替换、插入三种协同方式使节点能够迅速的变更为能耗最低的路径。由于网路中节点处在动态变化中，因此良好的路由协议能够很好的适应网络拓扑的动态变化。概述在多跳最小能耗路由方案中，信令包的传输通常都是以节点的最大功率级别来发送的，这样做可以避免隐藏终端造成的问题。因此，信令包的传输会带来大量的能耗，如图3.1能效路由协议示意图Fig.3.1Schemeofenergy-efficientroutingprotocol802.11中的RTS信令包，同时在更准确的模型下，路由发现所带来的能耗要远大于路径选择的能耗。我们将CLEERP划分为路由发现阶段和路由维护阶段两部分。在路由发现阶段，我们尽量以最少的发现时间和最小的发送能耗快速的建立从源节点到达目的节点的路由，达到代价最小的目的。在路由维护阶段，CLEERP利用数据包中包含的能耗等信息，通过链路协同的方式使节点能够迅速的找到能耗最低的路径并能很好的适应网络拓扑的动态变化。例如图3.1中，路由发现阶段时，源节点快速的找到从源节点到达目的节点跳数最少的路径，中能耗最低的一条路径；在路由维护阶段能够快速的变更原有路径为能耗更低的路径；当原有节点移动到新的箭头所指位置后，原有传输路径能够及时调整路径为。快速建立路径的路由发现方案由于路由建立时能量消耗较大，为了降低能量消耗，CLEERP方法采用最快的方式建立从源节点到达目的节点的最短路径。同时，为了最大限度的降低能耗，我们改进了使用路由缩短技术的DSR协议并利用延时等待的思想。为了保证算法的执行，需要在路由请求包REEQ中加入跳数标记和能量消耗信息。当源节点缓存中不存在到达目的节点的路由时，源节点要向网络中其它邻居节点广播信息，即发送路由请求分组RREQ。RREQ分组中主要包括以下内容：目的节点的地址、路由记录、路由请求ID、跳数统计、能量消耗信息等。其中<路由记录>标记了从源节点到达目的节点路由的所有中间节点地址；<路由请求ID>为源节点，而中间节点维护<源节点地址、路由请求ID、跳数累计、能量消耗>序列，<源节点地址、路由请求ID、跳数累计、能量消耗>序列用作快速建立能效路由。当中间节点接收到广播RREQ时，会按照如下步骤处理报文：(1) 中间节点接收到RREQ时，需检查<源节点地址，路由请求ID>中是否存在于当前节点的对列表中。若存在，则证明已经处理过该RREQ，以后将不执行任何操作，若不存在该序列，则执行(2)步骤；(2) 检査路由记录中是否存在当前节点的地址。若存在，则不执行任何操作。否则执行(3)步骤；(3) 检查路由信息的<跳数累计>与节点缓存中保留的<最小跳数累计>相比较。如果收到的跳数累计值大于节点缓存中的跳数累计值将不执行任何操作；如果收到的跳数累计值小节点缓存中的跳数累计值于或等于则执行步骤(4)；(4) 检查路由信息的<能量消耗>与节点缓存中保留的最最低路由能耗，能耗高于节点缓存中保留的能耗最低能耗值将不执行任何操作；若小于或等于则执行步骤(5)；(5) 若RREQ的目的节点地址是该节点，则该节点为目的节点，执行步骤(6)若RREQ的目的节点不是该节点，则执行步骤(7)；(6) 如果本次路由请求为第一个到达的路由请求，则初始化一个短暂的等待时间T，并开始倒计时。如果该条路由请求不是第一个到达的路由请求，并且到达时间倒计时大于零，则在目的节点依据路由记录中<能量消耗>与之前收到的路由能耗相比较，保留能耗较低的路径。当T为零后。目的节点所保存的路由信息便是源节点到此节点的路由。该节点会向源节点发送相应的路由报文RREP，并将该路由信息拷贝到RREP中；(7) 该节点把自己的地址添加到RREQ的路由记录字段更新缓存中的<跳数累计、能量消耗>信息。如果本次路由请求为第一个到达的路由请求，则初始化一个短暂的等待时间T，并开始倒计时。如果该条路由请求不是第一个到达的路由请求，并且到达时间倒计时大于零则当T为零后该节点向周围广播该RREQ报文。表3.1路径发现算法Table3.1RoutediscoveralgorithmRoutediscoveralgorithmInput：S(sourcenode),D(destinationnode),(nodematrix),(NodeList),(routrecode),(receivehopcount),(hopcountbufferkeep),(routconsumeenergy),(routconsumeenergy),(routrequestID),(sequencenumber),(transmitCountdown)Output：RoutReceiveRREQReceiveRREQweightmatrixelse,feedbackREEPOutputtheresultsR通过这种寻找路径的路由方式，源节点最终会快速找到到达目的节点能耗较低的路由，伪代码如表3.1。与DSR和AODV路由发现的区别在于中继节点目的节点在收到的路由请求信息时并不是立即转发，也不是只保留第一个收到的额路由请求，而是只转发T时间内收到的能耗最低的路由请求包。对于在收到第一个到达目的节点REEQ包时，并不是立即回复REEP包，而是等待一个很短的时间T，回复最短且相对耗最低的路径。链路协同的路由维护方案源节点要寻找到达目的节点的路由时，源节点首先检查自身缓存中是否存在到达该目的节点的路由，当其缓存中有到达目的节点的路由时，源节点会选择一条合适的路径来发送分组。由于AdHoc网络中节点不断地移动，且信号容易受到干扰导致链路中断，网络中的路由失效较快。而路由中任何一段链路的失效都将会导致该路由所经过的节点中存在失效路由。同时，在路由发现阶段所建立的路由能耗较高，其并不是能效最优的路由，即使能效最优的路由也会随着节点的移动而变得能耗较高。在移动环境下，为了保证路由的有效性，节点通过路由维护过程来监测路由中的链路是否发生断路。算法中我们的路由协议是通过周期性的广播路由来更新路由信息。现在按照维护时间可以划分为周期性更新方式和按需路由维护方法两种，按照维护方式可以划分为：逐跳确认机制；端到端确认机制。对于能效路由方案，路由维护除了能够维护路径连通外，动态及时有效的路由维护方案是提高网络能效的关键。CLEERP方法采用按需逐跳确认机制。本算法中链路协同的路由维护是指在保证接收节点接收信噪比不变的情况下，多跳路径中每条链路中的节点利用其邻居节点对相邻链路能耗的监听，通过移除、插入和替换三种方式获得能耗最低的传输路径，从而达到能效最优的目的。在路由维护过程中为了达到能效的目的，每个节点及时的更新其路由表，当节点收到邻居节点广播的数据包时(如RTS、CTS信令包、数据包等)，转发节点会将当前链路代价和节点序号、当前时间插入到IP包头。每个节点能够评估到达邻居节点的链路代价。每个节点缓存中会在一段时间内保存、记录、动态更新以上信息。该信息用作节点链路协同的路由选择方案，每个节点能够监测相邻节点的数据包交换，从而窃听对应的链路成本，并利用链路代价来评估一段路径的消耗。每个节点依据包中包含的信息更新其缓存中的相应数据(建立一个邻居节点链路能耗表)。依据以上保存的链路能耗信息，节点能够通过移除、替换、插入[14]三种链路协同方式帮助降低路径能耗，提高网络能效。(1)移除：如图3.2中假设从源节点到达目的节点的路径中存在两跳路径A-C-B。如果节点A发现自己缓存中链路能耗表中链路A-B的能耗要低于链路A-C与链路C-B的能耗之和，那么节点A将会更新自己的路由表。节点A会将其路由表中的下一跳节点地址由C改为B。图3.2移除Fig.3.2Remove(2)替换：图3.3中，假设从源节点到达目的节点的路径中存在两跳路径A-C-B。如果节点D发现其链路能耗表中链路A-D的能耗与D-B的能耗之和低于链路A-C与链路C-B的能耗之和，那么节点D将会将其路由表中的下一跳节点设置为B，并同时向节点A发出请求，请求节点A将其路由表中下一跳节点设置为D。此时节点D协同链路A-D与D-B，使得路径A-C-B变更为A-D-B。图3.3替换Fig.3.3Replace(3)插入：图3.4中如果节点C发现其链路能耗表中链路A-C与C-B的能耗之和低于A-B的能耗。那么节点C将会将其路由表中的下一跳节点设置为B，并同时向节点A发出请求，请求节点A将其路由表中下一跳节点设置为C。此时节点C协同链路A-C与C-B，使得路径A-B变更为A-C-B。图3.4插入Fig.3.4Insert依据以上链路协同方法，整条路径快速的进行局部路由变化，从而使得整条路径能够调整为能耗最低的路径，其伪代码如表3.2所示。表3.2路径维护算法Table3.2RoutemaintenancealgorithmRoutmaintenancealgorithmoneupdateInput：R(routfromsourcetodestination),(linki),(nodenuminroutR),(linkconnectingnodeiandnodei+1),(nodeicovernodematrix)Output：Rforifupdate(R)accordingtoremovealgorithmendifforifupdate(R)accordingtoreplacealgorithmelseifupdate(R)accordingtoalgorithmelsecontinue;endifendforendforOutputtheresults:R能效分析方案由于文章所采用的是802.11DCF中的RTS/CTS机制，所有节点共用同一个信道，使用缓存机制能够有效的降低丢包率。当发送节点在发送数据时，如果其他节点也有数据包要发送，那么该节点会先将数据存于其节点缓存中，等该节点占用信道时，将缓存中的数据一起发送。CLEERP算法影响路径容量的主要因素是节点间的竞争，体现为路径上节点间的相互干扰和节点发送信息时候的碰撞。算法中碰撞因素包括来自邻居节点的同步碰撞与来自隐藏节点的异步碰撞且碰撞主要发生于RTS阶段。且假设节点之间存在有良好的同步和良好的信道复用可以避免传输过程中节点之间的干扰。在无线通信中，信号接收功率与的成正比。(3.1)图3.5不同发送功率的可靠接收范围示意图Fig.3.5ReliableReceivingrangeofdifferenttransmissionpowerdiagram其中传播系数K取决于通信所处环境。由于路由请求包和信令包(RTS、CTS)是以最大发送功率发送的，故接收节点可以依据接收功率和路径信息K求得节点之间距离d。接收节点在获得路径信息、节点之间的距离信息后和最小正确接收功率下可以准确的计算出能够使得接收节点恰好正确接收条件下发送节点所需要的最小发送功率级别，如公式(3.2)和图3.5所示。(3.2)算法中我们认为两个节点间通信时，节点1向节点2发送与节点2向节点1发送数据的功率是相同的。因此，节点2得到的1向2发送的最小功率与节点2向节点1发送的最小功率相同。网络中的节点有三种状态：发送、接收、空闲。在网络中，不参与通信的节点处于空闲状态即偷听状态，能量消耗与发送状态相比为1:1.4。整个网络的吞吐量为该段时间内节点成功发送的数据量之和。在单位时间t内，节点发送、接收和休眠的能耗分别为：(3.3)其中、、表示在单位时间t内，共有发个送节点，个接收节点，个空闲节点(监听节点)。为发送节点i的功率。为接收节点j的功率。为空闲节点k的功率。在时间内整个网络的能量消耗为：(3.4)CLEERP算法中，在内网络的吞吐量我们定义为内成功发送的数据。我们将其分为两种：成功传输的信息量(bit)和成功发送数据的次数。因此我们定义了一下两种能效：成功发送信息能效和成功发送信息次数能效。其中为内成功传输的信息量。为内所有节点成功发送信息次数之和。(3.5)(3.6)仿真结果及分析仿真环境及参数本算法是在Matlab2010仿真环境下进行的，仿真中我们设定网络场景大小为1200M*1200M。节点包到达速率服从泊松过程，每个节点在仿真中发送数据20次。节点随机分布于网络中。源节点、目的节点随机选取。物理层发送速率为2Mbit/s。缓存大小为1Mbit。节点移动方向随机选取。在我们的仿真中节点发送与接收的能耗之比为：1.4:1.05。其余节点在不发信息时处于空闲状态。能效路由协议的仿真与分析(1)路由发现图3.6中反映在路由发现阶段中继节点和目的节点在固定等待时间T内收到的所有最短路径。图3.7中目的节点选择了在单位时间T能收到的耗最低的路径18-5-6-10回复REEP并建立路由。(2)路由维护分析进入路由维持阶段，图3.8、图3.9中反映了当节点19发现其链路能耗表中链路19-11的能耗低于链路19-20与链路20-11能耗之和。节点19将其路由表中的下一跳节点数设置为11，通过路由维护过程，路由变更为19-11。图3.10、图3.11中，路径中两跳路径2-7-19。节点8发现其链路能耗表中链路2-8的能耗与8-19的能耗之和低于链路2-7与链路7-19的能耗之和，节点8将其路由表中的下一跳节点设置为19，并同时向节点2发出请求，请求节点2将其路由表中下一跳节点设置为8，其两跳路径变更为2-8-19。图3.12、图3.13中，节点18发现其链路能耗表中链路17-18与链路18-10的能耗之和低于链路17-10的能耗。节点18将其路由表中的下一跳节点设置为10，并向节点17发出请求，请求节点17将其路由表中下一跳节点设置为18。路径变更为17-18-10。图3.6路由发现阶段节点在固定时间收到的最短路径Fig.3.6Afixedtimenodeintheroutreceiveallshortestpathindiscoveryphase图3.7目的节点回复的最短能耗最低路径Fig.3.7Destinationnoderepliesshortestandlowestenergyconsumptionpath图3.8移除之前路由Fig.3.8Beforeremovingrouting图3.9移除之后路由Fig.3.9Afterremovingrouting请求节点2将其路由表中下一跳节点设置为8。其两跳路径变为2-8-19。节点18发现其链路能耗表中链路17-18与链路18-10的能耗之和低于链路17-10的能耗。节点18将其图3.10替换之前路由Fig.3.10Routingbeforereplacing图3.11替换之后路由Fig.3.11Routingafterreplacing路由表中的下一跳节点设置为10，并同时向节点17发出请求，请求节点17将其路由表中下一跳节点设置为18。路径变更为17-18-10。图3.12插入之前路由Fig.3.12Routingbeforeinserting图3.13插入之后路由Fig.3.13Routingafterinserting经过图3.8、图3.9的移除，图3.10、3.11的替换以及图3.12、图3.13的插入三种路由维护方式，建立了能耗最低的传输路径。网络能耗和能效的仿真与分析随网络中节点数量变化情况分析图3.14-3.17反映了路由发现能耗，成功传输信息能效和成功发送次数能效随着网络节点数的变化情况。其中路由发现能耗为在一次仿真中每个节点发送5次数据，平均发送间隔为slot，路由发现能耗指所有节点累计路由发现能耗之和。从图3.14中可以看出，MTTCP路由发现时消耗了大量的能量，明显高于DSR和CLEERP。这是由于在路由发现阶段MTTCP邻居节点在收到后来到达的路由请求时包时不能直接丢弃，路由发现时期复杂度高。图3.15中，CLEERP算法的能耗略高于DSR因为其路由开销相对于DSR较大。从图3.14、