单位文秘网 2021-10-16 08:14:17 点击: 次
摘要:节能问题在移动自组网络中已成为一个越来越重要的设计标准。提出了一种基于集群计算的低功耗路由协议-Cluster-based Energy Saving Routing Protocol(CESP)。其原理是使网络中的若干个节点以一个集群的方式工作在一个特定的节点周围,这个特殊的节点我们称之为集群指挥节点(Cluster Commanding Node-CCN)。集群指挥节点集中管理整个集群节点的能源管理机制,并且在该集群与同一网络中其他节点进行通信的时候起到代理节点的作用。当一个普通的集群节点启用了能源管理机制,它便进入节能模式以使能源消耗最小化。同时,集群管理节点采取缓存数据帧的方式来节能,仅当它接受到相应请示的时候才进行数据发送。
关键词:移动自组网;路由;节能;集群
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3367-03
1 引言
移动自组网络由若干个通过无线链路通信的可自由移动节点组成,是一种不需要固定基础设施的通信网络。这种网络中的绝大多数节点的工作能源都依赖于电池或类似的有限容量的能源贮存装备提供动力,所以节能问题便成为移动自组网中的一个重要设计标准[1-2]。
提出了一种基于集群计算的低功耗路由协议-Cluster-based Energy Saving Routing Protocol(CESP)。通过在Ubuntu下使用ns-2 simulator对CESP协议进行了仿真实验以对其实际表现进行评估。仿真结果得出了几种不同方式下的总能耗与平均能耗。结论表明,在保证足够的数据传送成功率的前提下,每单位网络内使用CESP协议可以节省大约30%的总能耗。
2 背景介绍
针对ad hoc网络,业界有很多节能路由协议[4-8]采用的方式是使每个移动节点传输数据包时采用的能级与相应的传输距离成一特定的函数关系。但Laura[4]与Elizabeth[6]提出的节能协议模型是以单个节点为研究粒度,过于单一地将各个节点独立化,未能顾及节点间的协作度,从而使得协议在整个网络中的协作度不可观,导致的直接后果就是各个节点间的节能幅度差别很大。
而Juan[5]与David[8]等人的研究虽然提出了将集群模型引入路由协议的概念,但前者并没有将这种模型概念应用到节能的议题上,只是在基于集群的基础上提出了一种新的路由方式,与能耗并无关系。后者的研究中开始涉及到节能,但却是依靠集群在进行路由选择时选择更短的路径或者负载更小的路径这种途径来控制能量消耗。
本文在IEEE 802.11标准中能源控制管理的基础上提出一种基于集群式的节能路由协议(CESP)。本协议的机制是使特定区域内的若干节点以集群的方式围绕在一个特殊的节点周围工作,我们称这个特殊的节点为集群控制节点(CCN)。集群指挥节点集中管理整个集群的能源管理机制,并且集群指挥节点在该集群与同一网络中其他节点进行通信的时候起到代理节点的作用。
3 协议介绍
在本协议中,我们将一个区(region)内网络分为两层:域(domains)和集群(clusters)。
在这种分层次的网络结构中,路由选择将基于目的节点的MAC地址并且取决于每一个路经的节点。在一个所谓的k跳集群中,是指集群内的所有成员节点之间都能找到一条最多包含k-1个中间节点的链路相连接,本文将只讨单跳(即1跳)的集群。集群的规模(size)是指其包含成员节点的个数。节点标识符(node identifier)则是指一个用来唯一标识每个特定移动节点的字符串。一个集群的维持需要多个变量的存在,我们假定这些变量都存贮在一个集群记录里,借用操作系统里的概念,该集群记录可以称之为集群控制块(Cluster Control Block-CCB)。
在图1中,描述了CESP的行为分析。每一个转换都用一个标识符表明其“触发事件/导致动作”关系。当这些事件或者动作用大写字母表示时,它们代表相应CESP消息的接收或者传输。
当一个移动节点打开后,它便进入CCN状态并且开始执行初始化程序,该程序会设立一个只包含当前此节点的集群。接下来,该处于CCN状态的节点会每隔hTimeOut毫秒发送一个Hello消息。单独的节点或者集群根据相应的位置来决定加入或者离开其它的集群。当一个CCN收到一个Hello消息之后,它将此消息来源的集群规模与自己所处集群的规模进行比较,如果它本身所处的集群规模更小,则发送Hello消息的CCN将发送一个ADD REQUEST的消息以启动一个加入进程。等接收方CCN针对此ADD REQUEST消息发送一个ADD REPLY消息之后,在此REPLY消息成功被请求方CCN接收到之前,请求方CCN在等待过程中一直保持在Passive Join的状态。
当一个CCN接收到ADD REQUEST消息之后,它在回复ADD REPLY消息的同时将转换到Active Join状态。在一个集群中,是否接纳一个新节点为成员节点取决于该节点是否和该集群中的任意一个节点都有一个单跳链接。所以,这也就意味着恰好所有的成员节点能接收到ADD REQUEST消息。如果没有成员节点发送拒绝接收的ADD REPLY消息,加入进程将中止并且CNN发送一个ADD REPLY消息。最新加入集群的节点会发送一个Bye消息并且进入Node状态。万一该节点没有被接收,则它将转换为CCN状态。
BYE消息的作用是通知即将离开集群的节点的伙伴节点。收到通知之后,所有的伙伴节点通过启动CCN选举进程将该节点从它们的成员节点名单中删去。CCN选举进程的工作机制是,判断出哪一个当前成员节点的节点标识符紧接着刚离开集群的前一个CCN的节点标识符,然后将其选举为新的CCN。
所有处于Node状态时的节点都会检查通向CCN的链路故障。当一个节点丢失了LOST-TIME个连续的HELLO消息包之后,它会发会送一个LOST消息并且转换到Lost状态。引起这种情况往往有两种可能:该成员节点在移动过程中走超出了所属集群的区域;或者是由于该集群的CCN离开了该集群。当一个节点处于Lost状态时,且没有接收到任何其它LOST消息,它会在发送一个BYE消息之后转换为CCN状态以创建一个新的集群。另外一种情况,如果当一个节点处于Lost状态时接收到了其它若干个LOST消息,并且所有的LOST消息中包含的集群规模减去2之后的值等于其自身节点信息中包含的集群规模,则说明该集群中的CCN已经离开,此时所有集群成员节点将在成员列表中的CCN删去,并且开始执行CCN选举进程。
CCN通过根据对应请求分发数据帧来节能。在没有数据帧发送的时候,CCN允许每个移动的工作站相当长时间地处于节能状态。在这个过程中,成员节点的职责是以HELLO消息的个数为单位时间来告诉CCN相应的工作站将保持多长时间的节能模式,以及在有数据帧等待的情况下相应工作站应当在多长时间之后被唤醒。当一个普通的集群节点启用了能源管理机制,它便进入节能模式以使能源消耗最小化。此时数据帧将会在CCN的缓冲区中缓冲一段时间,这段时间的具体值取决于移动工作站的Association Request中设置的HELLO消息的个数。
4 协议评估
在本文采取的评判CESP性能的评估方法中,比较了关于经典802.11无线局域网的能源消耗行为。本方法基本上包含对于一个相对较小的静态ad hoc网络中多媒体数据通信广播的仿真,以及根据对数据通信过程中的参数与CESP中的参数做出调整之后的灵敏度分析。其中,本仿真实验中采用的数据通信参数为:数据通信结构(data traffic structure),数据包大小(packet size)和数据传输率(sending data rate)。CESP中的参数为hTimeOut,RING-TIME,LOST-TIME和HADDTIME。这四者之间的关系为:
RING-TIME=1000*hTimeOut, LOST-TIME=3* hTimeOut, HADDTIME=2* hTimeOut
hTimeOut的值控制着Hello消息发送的间隔时间,这一操纵过程是在MAC子层中完成的。我们使用基于漏桶算法的数据通信调整技术来产生一个持续的比特流。此比特流中传输率为500个包每秒,每个数据包的大小为512字节,整个比特流持续10分钟。本实验环境中网络拓扑包含10个节点,每个节点的发射信号覆盖面积为200m*200m的范围内。
4.1 节能模型
本仿真实验中采用的NIC模型基于Lucent WaveLAN-IEEE Turbo 11M PC Card,该网络设备相应的基础数据在文献[4],文献[9]中有详细的描述。下列公式1计算了当数据包p被发送时的能量消耗情况,公式2描述了当数据包p被接收时的能量消耗情况,公式3计算了基于时间函数t的空闲时间内的能量消耗。
■(1)
■(2)
■ (3)
一般说来,节点在处于空闲状态时还是会维持其网络接口以保证路由的进行,因此空闲期间的能量消耗是相当可观并且是可以加以节省的。尽管如此,接收方等待数据包到达的这段时间要远远大于其真正地接收一个数据包所需要的时间。这一现实特性表明,能源消耗减少是由于空闲状态这一节能的基本条件存在。在IEEE802.11网卡技术里,只要睡眠时间能够使工作节点按时被唤醒(整个睡眠时间即为回复时间),任何时候进入睡眠模式都是切实可行的。并且,睡眠模式越彻底,所需要的能量消耗越少,相应的回复时间就越长。表格1列出了在不同的睡眠模式下,Lucent WaveLAN-IEEE Turbo 11M PC Card的能量消耗与回复时间。本实验中,采用的模式是第4种模式。
公式4用来计算一个节点在进入睡眠模式次数为n,剩余睡眠状态时间为t秒的情况下的能量消耗。
■ (4)
4.2 引入集群计算后的节能模型
假设总的能量传输消耗为Ptran,则Ptran可以被分解成Px+Prf。其中,参数Px表示逻辑控制与调节所需要的能量消耗,它主要由硬件设计本身所决定,几乎不可能通过协议改变。在本仿真实验中,设定Px为240mA。另一个参数Prf则表示无线电波频率的能量(即power of radio frequency),它可以通过传输距离来调节的。对于接收方的能级而言,当距离范围参数n在2-5之间时,第n级的能级与n成反比例关系。所以可以得出一个公式用来计算在一个集群内部进行数据传输时的无线电波频率能级:
■ (5)
其中,n由具体的网络环境决定,d是节点间距离。利用n=2的平面空间传播模型,无线电频率的范围应当在280mA-240mA=40mA之内。加之如前文所述,本实验中的每个移动网络节点的有效覆盖面积为200M*200M,所以K=40mA/2002=0.001。
假定每个节点集群的范围在100米左右,则Prf的相应取值应为Prf = 0.001*100≈10mA。下面的公式6表示在一个大小在100米左右的集群中发送一个数据包p所需要的能量:
■(6)
对于在集群模式中的receive, idle和sleep这另外的三种状态下的能耗情况则保持不变。
5 仿真结果
5.1 基本对比
实验中把CESP的表现情况与标准的802.11WLAN进行对比。对CESP设定了四种配置进行测试:既不使用环算法也不使用节能算法的CESP(CESPregular),环算法与节能算法只使用其一的CESP(CESPring和CESPpower),以及同时使用两者的CESP(CESPboth)。
图2标识出了每一个节点的总能耗。其中,802.11WLAN,CESPregular和CESPring仿真结果非常相近,这说明CESP的开销基本上做到了最小化。此外,CESPpower 和CESPboth能够节省大约35%的能耗。这部分节省的能耗都是通过对睡眠时间的利用得到的。当使用睡眠模式时,环进程技术使所有的节点轮流承担集群控制节点的任务,这样便使整个集群的负载几乎平均分担到每个节点上。
数据包发送成功率也是一个重要的评估指标。在这方面,802.11 WLAN,CESPring和CESPregular都能保证99.7%以上的发送成功率。而CESPpower与CESPboth只能保证85%左右的成功率。此情况是由于无线网络中的广播本身现存的一些问题造成的,特别是其中的隐藏终端问题,与仿真本身的无关[11]。
5.2 不同传输率下的仿真结果
仿真分别在2Mbps,1.5Mbps,1Mbps和0.5Mbps四种递减的速率下进行。
对于带宽需求低于1.5Mbps的程序而言,所有的协议都能保证98%以上的数据发送成功率。与此同时,与其它几种方式相比,CESPpower与CESPboth这两种方式能减少大约30%的总能耗。从图3可以得出,对于所有的方式而言,在发送速率的递减情况下,总能耗也有减少的趋势。但是,随着传输率以25%,50%和75%的程度递减,平均能耗却只以1.9%,3.5%和5.5%的程度减少。为了解释这种情况,我们以CESPpower为例来研究节点在睡眠(sleep),空闲(idle),接收(receive)和发送(send)这四种状态下的能耗情况。
图4展示出总能耗与空闲状态时间有非常高的关联度,并且传输率越低,空闲状态占用能量越多。而睡觉状态下的能耗基本上与传输率无关,一直维持在9%左右的水平。总之,空闲状态下的能耗随着传输率的下降而上升。这一结果表明,在没有高带宽需求情况下,针对睡眠状态的路由新技术可以带来较高的节能。图表4还反应出CESP协议的工作情况基本上完全不依赖于传输率,在整个能耗仅仅占0.075%左右而已。
6 结束语
通过在Ubuntu下使用ns-2 simulator对CESP协议进行了仿真实验以对其实际表现进行评估。仿真结果得出了几种不同方式下的总能耗与平均能耗。将CESP的表现情况与标准的802.11WLAN进行对比,结论表明,在保证足够的数据传送成功率的前提下,每单位网络内使用CESP协议可以节省大约30%的总能耗。
本仿真结果是一次比较初步的探索,在将来的后续工作中,尤其是当网络的规模和移动性都发生相应变化时,还需要更多更深入透彻的仿真或者实体实验来继续论证及优化本协议。例如增大链路的复杂度、增加传输带宽的多样性、修改网络拓扑的构造等等。本次仿真实验的结果具有相当程度的现实意义,对减少路由负载及节能方面都能起到积极的作用。
参考文献:
[1] Tsuda S.Battery technologies based on the requirements for applications and future movement[C].Proceedings of the 10th International Meeting on Lithium Batteries,Como (Italy),2000.
[2] Corson S,Macker J.Mobile ad hoc networking (MANET): Routing protocol performance issues and evaluation considerations[S].RFC 2501,1999.
[3] IEEE/IEC Std 802.11, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) specifications[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc,1999.
[4] Feeney L.Investigating the energy consumption of an IEEE 802.11 network interface[R].Swedish Institute of Computer Science,Technical Report n. T99/11,1999.
[5] Cano J C,Manzoni P.A mobile ad hoc network architecture for a bounded region[R].Tech. Rep. 0040, Polytechnic University of Valencia, Department of Computer Engineering,2001.
[6] Internet Engineering Task Force.Manet working group charter[EB/OL]..cn/qkpdf/dnjl/dnjl200913/dnjl20091315-2.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文(责任编辑:单位文秘网) )
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