无线Mesh网中的Quorum节能机制Word下载.docx

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Keywords:

energyconserving;

Quorummechanism;

asynchronous;

synchronous;

wirelessMeshnetwork

无线Mesh网（WMN）[1]作为一种新型无线网络解决方案备受关注。

WMN中节点的节能，特别是Mesh客户终端的节能十分重要。

由于Mesh客户终端需要支持移动AdHoc方式组网，所以WMN实际上是移动AdHoc网（MANET）的一个超集。

MANET下的节能机制可直接应用在WMN中，并对设计WMN的节能算法有重要参考价值。

关于WMN/MANET的节能，已经有大量相关研究，主要方法分为3类：

功率控制、功率感知路由和低功耗模式管理。

本文介绍的方法属于低功耗模式管理。

传统的基于同步-周期休眠/唤醒的节能机制在WMN/MANET环境下遇到了很多困难，这主要是由于同步困难引起的。

在大规模、高密度、多跳、移动性网络环境下，时钟同步的开销很大。

一个极端的例子是两个各自同步的子网络，如果移动到一起，这两个网络会互相异步，造成网络分化。

文献[2]的作者首次应用分布式系统中的Quorum概念，开启了异步节能的新领域，经过几年的发展，基于Quorum机制的节能算法在MANET下取得了良好的效果。

1基本原理

1.1IEEE802.11的节能模式

目前关于MANET的研究基本都基于IEEE802.11，本文介绍的Quorum机制也首先应用在IEEE802.11上。

在AdHoc工作方式中，IEEE802.11支持两种模式：

活跃模式和节能模式（PSM）。

IEEE802.11假设所有节点的时钟通过定时同步功能（TSF）实现了完全同步。

PSM的帧结构和一个数据传输的例子如图1所示。

时间轴被划分为等间隔的信标间隔（BI），BI开始有一个广播传输指示信息（ATIM）窗，ATIM窗的开始阶段，有一个Beacon窗（BW），ATIM窗后为数据窗（DW）。

所有节点都周期性地在ATIM窗内保持活跃状态。

ATIM窗通常占BI的20%。

在ATIM开始的BW内，每个节点通过竞争发送信标（Beacon）。

为了减少碰撞，每个节点在尝试发送Beacon前有0～2×

（CWmin-1）个时隙的随机规避时间。

发送完Beacon后，如果缓冲区有数据要发送，则通过竞争发送ATIM帧，收到ATIM帧的节点必须回复ATIM应答帧完成握手，并在ATIM窗结束后仍保持活跃，进行数据帧的发送和接收。

如果在ATIM窗没有完成握手，则进入休眠模式，等待下一个BI的到来。

1.2Quorum系统定义及表征参数

Quorum系统的数学定义为：

给定一个全集U={1……N},Q={Q1,Q2……Qq}，?

坌Qi∈Q:

Qi?

哿U。

满足?

坌Qi,Qj∈Q:

Qi∩Qj≠Ф被称为Quorum系统。

Qi被称为一个Quorum。

在分布式应用领域，人们已经设计了大量的Quorum系统，如GridQuorum系统、CyclicQuorum系统、ByzantineQuorum系统、ProbabilisticQuorum系统。

其中以GridQuorum[3]系统最为直观。

GridQuorum系统的数学定义为：

将U={1……N}，N=n2个元素排列在一个n×

n的栅格上，选取任意一行和一列元素组成一个集合Qi，所有的Qi组成的集合就是GridQuorum系统，Qi为Quorum。

一个n=4的GridQuorum系统如图2所示，其中：

Q1={1,2,3,4,5,9,13},Q2={3,7,9,10,11,12,15},Q1∩Q2={3,9}。

针对不同的应用，Quorum系统有不同的表征参数，本文主要的Quorum系统特性表征参数有：

Quorum的大小、Quorum元素个数、Quorum大小与U大小的比例Quorum权重（QSR）、任意两个Quorum交集大小的最小值m等。

如GridQuorum中Quorum的大小为2n-1，QSR为（2n-1）/n2=（，Quorum交集大小的最小值m则为2。

2Quorum节能机制基本思想及应用模式

2.1Quorum节能机制的基本思想

Quorum具有分布式特征，在WMN中的应用首先是移动性管理，如位置信息管理[4]等。

节能的本质要求是：

尽可能无冲突地实现数据收发后休眠，并在需要数据收发时激活。

传统的节能机制是一种全局的时间调度：

所有节点同步起来，在同一时间段醒来进行数据收发。

Quorum节能机制的核心思想是采用一种分布式的方法，使节点的激活时隙成一种特定分布，保证互相之间时隙有交叠，且激活时隙占总时间的比例达到最小化。

2.2Quorum节能机制的同步和异步工作模式

本文用来节能的Quorum系统中，Quorum中的元素是指一个时隙（如BI）；

而活跃时隙的集合为该节点对应的Quorum。

根据这些时隙的开头是否对齐（也就是是否同步），分为同步和异步工作模式。

Quorum节能的异步工作模式最引人注目。

该模式下，节点不进行时钟同步，而是保持异步工作，由Quorum机制保证批次之间时间上有交叠。

在大规模、高密度、移动、多跳的网络环境下，同步比较困难，开销很大，而异步的Quorum节能机制能保持良好性能。

在时隙同步较易实现的网络环境下，同步Quorum节能机制可以进一步优化能量效率。

3异步模式Quorum节能机制

文献[2]首先提出了异步工作模式的Quorum节能机制，文献[5-6]分别对该异步模式下的Quorum节能机制进行了理论证明和仿真分析，文献[7]则提出了最优自适应调整Quorum大小和占空比的方法。

这些方法的基本思想是保留PSM模式的ATIM窗，同时选取部分时隙进行侦听，时隙选取方法遵循Quorum的原则。

3.1异步Quorum系统的原理和能量最优化

以BI为基本时隙单元，多个BI组成Quorum间隔（QI）。

属于Quorum元素中的BI称为Quorum信标间隔（QBI），非Quorum的BI称为非Quorum信标间隔（NQBI）。

NQBI由一个觉醒窗（AW）开始，AW类似于ATIM窗，节点处于活跃状态，如果没有数据传输则进入休眠状态。

QBI由一个BW（BW≤AW）开始，其余时间为DW，整个QBI期间节点都处于活跃状态。

图3为一个Quorum系统帧结构示意图。

从图3可以看出，两个Quorum重叠的时隙越多，越可能早实现握手；

同时QBI时，节点总处于活跃状态，需要消耗额外的电量，所以在保证前述握手条件下，需要尽可能减少QSR。

异步Quorum系统设计的目标是：

异步的两个节点能够在一个QI内实现握手；

处于活跃时期的时间与QI的比值（即占空比）最小。

所谓异步，就是要求两个节点的时隙可以有任意的偏差。

对于第1个目标，文献[5]证明了假设不存在碰撞和传输错误，满足“旋转闭合特性”的Quorum系统都可以保证在一个QI内，任意两个Quorum的BI处于对方的活跃期内，因此可以完成握手。

旋转闭合性的数学定义为：

一个U={1……N}下的Quorum系统的Q满足旋转封闭性，当且仅当满足条件?

坌Qi,Qj∈Q，k∈{1……n}:

Qi∩rotate（Qj,k）≠Ф，其中：

rotate（Qj,k）={（j+k）modn|j∈H}。

旋转闭合性实际上就是异步条件下的Quorum交集非空特性的数学翻译，包括GridQuorum在内的很多Quorum系统都满足这一特性。

图4就是一个异步Quorum握手过程，可以通过看到主机A的第1、5时隙的Beacon可以被主机B收到，同时主机B的7、12时隙的Beacon可以被主机A收到。

对于第2个目标，文献[5-6]证明了大小为N，具有最小交集个数m的异步Quorum系统的QSR的下界为：

QSR≥m/N。

当m=1时，。

有一类CyclicQuorum[8]系统满足这样的最优条件。

CyclicQuorum用差分集构造。

差分集的数学定义为：

一个Zn的子集D={d1,d2……dk}被称为差分集，当且仅当，?

坌е≠0（modn），存在di,dj∈D，使得di-dj=е（modn）。

CyclicQuorum系统的数学定义为：

D={d1,d2……dk}为Zn下的一个差分集，那么Q={Q1……Qn}是一个CyclicQuorum系统，其中：

Qi={d1+i,d2+i……dk+i}（modn）,i=0……n-1。

如D={1,2,4}，U=Z7。

3.2自适应Quorum系统

前面的Quorum系统，每个Quorum的大小是一样的，每个Quorum的QSR也是一样的，这样的Quorum系统称为对称的Quorum系统。

在WMN/MANET的应用中，节点的业务流量可能是突发的，需要系统能够根据流量进行自适应调整；

不同节点的供电方式和电池剩余电量也不一样，希望采用的节能策略也可以自适应调整。

这就需要设计不同大小和不同QSR的Quorum系统，即非对称Quorum系统，成为第3个目标。

不同大小的GridQuorum自然就可以构成非对称的Quorum系统，如图5所示，大小分别为：

N=32和N=42的2个Quorum，组成的Quorum系统仍满足“旋转闭合特性”。

文献[5]一开始就构造了一类自适应的ExtendedTorusQuorum系统。

文献[6]也注意到了这个问题，但构造最佳的非对称Quorum可能是一个非决定性多项式时间-完全（NPC）问题，属最难解的一类问题。

这实际上是一个误解，因为第3个目标实际上只要求提供满足异步特性的Quorum表，而不需要动态计算Quorum。

而根据查表选择Quorum系统，复杂度是线性的。

文献[7]就利用文献[8]的CyclicQuorum和查表的方法，构造了最优自适应Quorum系统——AAPM，可以动态调整Quorum大小和QSR，并具有第2个目标要求的最优特性。

3.3异步Quorum节能系统的性能

异步Quorum节能系统（AQEC）的性能比较方式分为：

与原有同步系统的比较、能量最优Quorum节能系统（OAQEC）与非最优系统的比较以及各种应用环境下Quorum系统的适应能力的比较。

文献[5-7]对这些进行了仿真，仿真区域分别为：

1500×

300m2和1000×

100m2的环境，节点采用IEEE802.11AdHoc方式组网，节点的传输距离为250m，节点数为50，都是多跳的AdHoc环境。

（1）不使用节能模式与PSM节能模式的比较

文献[6]仿真证实了在移动的多跳AdHoc环境下，PSM模式下的丢包率在50%以上，根本不能很好地工作。

OAQEC比不使用任何节能机制的系统能节省80%以上的能量。

如文献[5]中，在分布50个节点的移动性测试中，无节能的系统在120s时已无存活节点，而OAQEC在360s时仍然有80%的存活节点。

（2）OAQEC与普通AQEC系统比较

OAQEC是理论上能量最优的，文献[5，7]可以证实。

（3）各种网络环境下的性能比较

文献[5-6]的仿真中都显示：

在AQEC节能系统随着网络规模、节点密度的增长时，系统性能的下降也是线性的，当节点以10m/s左右的速度移动时，系统性能变化不明显。

这样就证实了AQEC可以应用于WMN环境中。

文献[6]还仿真了无线传感器网络下OAQEC的性能，结果表明OAQEC比经典的S-MAC[9]系统性能有很大的提高，比如在S-MAC有50%以上的丢包率时，OAQEC的丢包率仍然保持在5%以内。

对于网络业务流量的变化，自适应的AQEC（AAQEC）具有很突出的性能，文献[7]的仿真表明，AAQEC能比AQEC节省20%的能量。

4同步模式Quorum节能机制

4.1同步模式Quorum节能系统

由图4可以看出，AQEC在所有的BI都有活跃期，这点类似于PSM模式。

当时隙同步可以实现的时候，应用同步模式可以进一步节约能量。

基于模糊控制同步Quorum节能（SQEC）系统与AQEC的最大区别体现在帧结构上。

图6为同步Quorum系统的帧结构图，节点只需要在QBI中保持BW活跃，其他时间都可以维持在休眠状态。

这样就能节省更多的能量。

从数学上来看，同步Quorum是Quorum系统的同步应用，因此两者可以使用同样的Quorum系统。

关于SQEC的研究主要在自适应调整方面，实际上这些策略也可以用在异步模式下。

在文献[10]的自适应同步Quorum节能（ASQEC）协议中，首先根据仿真确定了不同流量下最优的Quorum大小，然后在数据传输过程中检测网络流量，相应调整Quorum的大小。

由于文献[10]中的方法中采用了固定的阈值调整Quorum的大小，在实际应用中受到限制，文献[11]提出模糊控制同步Quorum节能（FSQEC）协议，引入模糊控制的方法，将历史数据包的延迟和排队等待传输数据包长作为输入参数，根据模糊控制的理论制订出调整策略。

值得一提的是在文献[10]中为了减少时延，当节点收到数据包之后的所有的时隙都保持BW活跃，直到数据包传送完成。

这从本质上也是一种动态调整，即临时增加Quorum系统的元素。

4.2同步Quorum节能系统的性能

由于SQEC工作于同步状态，性能比较主要是针对与其他同步方式的节能系统：

如PSM、DPSM[12]。

文献[10]中对ASQEC与PSM、DPSM[12]，文献[11]中对FSQEC与ASQEC、DPSM、PSM的性能进行了仿真比较。

两者都采用了一个200m2的区域，节点采用IEEE802.11AdHoc方式组网，且不移动，节点通信距离为300m，节点密度分别为50个和30个，因此是一个单跳的AdHoc环境。

Quorum系统采用GridQuorum。

仿真结果表明，即使在时钟良好同步的单跳AdHoc网络环境下，ASQEC和FSQEC比PSM、DPSM都能节省更多的能量，同时延迟与他们相当。

如在恒定速率数据源，20%节点存活条件下，FSQEC的存活时间比DPSM、PSM和无节能模式分别多50%、20%和15%。

而在突发数据源时，这一数据分别为：

100%、40%和10%。

可以注意到在突发数据源的情形下，SQEC与DPSM的性能差异不明显，而FSQEC则有明显的性能优势。

这是因为FSQEC不仅利用了历史信息，同时还利用了未来要发送的数据信息。

值得指出的是两者都没有采用最优Quorum系统，因此性能还有优化的空间。

5结束语

文献[2,5-7,10-11]中的Quorum节能机制提供了一种新的节能策略；

工作于同步模式下则可以获得优于已有方式（如PSM、DPSM）的性能；

而工作于异步模式下，在多跳、移动、大规模、高密度的网络中，能节省超过80%的能量。

配合自适应调整策略，则可以在各种模式的数据源下，保持良好性能。

Quorum节能机制的本质是减少了不必要的数据同步，同时在局部时间/空间区域内保证必要的同步，本质上是一种“时间域”分布式的方法。

由于WMN的分布式特征，Quorum机制在WMN中也有很大的应用潜力。

目前的Quorum节能机制主要基于MANET网络环境设计，Quorum系统根据时钟同步的难易程度，可以应用于同步和异步两种工作模式。

而在WMN中，存在MANET子网移入和移出Mesh路由器覆盖范围的情形，如何利用Mesh路由器不需要节能的特性，在各种环境下进行模式切换，是一个需要解决的问题。

而在需要服务质量保证（QoS）的条件下，基于Quorum机制的节能与功率控制、MAC路由结合的跨层设计，是一个值得尝试的课题。

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