（计算机应用技术专业论文）manet中基于电池模型的速率选择技术的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e g st h e s l s 中文摘要 在无线a d h o c 网络中，为了实现服务的移动性，节点大多采用电池供能。而电池 的容量有限，因此所能提供的能量也十分有限，并不能完全满足用户的期望。为了 解决这个问题，一般采用两种方案：( 1 ) 扩大电池的容量( 即延长待机时间) ；( 2 ) 采用节能技术，减小电池能耗速度。实际上，电池研究在近几年取得了很大的进展， 各大电池生产商陆续推出了各种体积小、容量大的新型电池。但是，由于受限于材 料科学的发展，相同重量电池所能携带的电量已经很难在短时间内再有突破性提 高。因此，采用节能技术将是解决这一矛盾的现实、可行的方法。此外，在许多应 用中，更换电池或给电池重新充电是不现实的( 如军事应用) 。因此，如何有效地、 科学地使用有限的能量成了a dh o e 网络应用中最为关键的技术之一。 在为a dh o e 网络设计节能方案的过程中，为供能电池建立一个科学、合理的放 电模型极为重要。电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通过化学反应将化学 能或物理能转化为电能。大量研究表明，在实际应用中，电池的放电过程具有非线 性特征。一般而言，在放电后期，电池进入“疲劳期”，除了正常供能外，电池还存 在额外的放电损耗( d i s c h a r g i n gl o s s ) ；不过，如果电池放电完毕后留有空闲时间 段，电池会自动转入“白恢复”状态，这部分额外耗散的能量可以在这一过程中得到 恢复。 本文首先建立了一个新的数学模型来为描述电池在放电过程中的非线性特性， 尤其是电池能量的额外损耗现象。与已有的模型相比，该模型不仅能较为准确地计 算出在一段时问内电池能量的额外损耗量，还具有计算复杂度低、计算开销小等特 点，在a d h o e 网络应用中具有很强的实用性。 在充分考虑电池的非现性放电特性的基础上，本文还提出了一种新的节能方案： 基于电池模型的速率选择机制，即节点在发送数据包时，根据当前网络状态、节点 的剩余能量以及供能电池的自恢复速度等特性来选择一个最优的传输比率值，使得 完成当前传输所耗用的节点或链路的能量最小，从而达到节省能耗、延长网络寿命 的目的。仿真结果表明，本文提出的速率选择算法具有完全分布式的特点；同时极 大地减少了网络节点的供能电池在放电过程中能量的额外耗散，能有效地延长整个 网络的生命周期。 关键词：无线自组网；电池模型；放电损耗；恢复效应；节能；速率选择 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s ，m o s tn o d e sa r eo p e r a t e do nb a t t e r i e st os u p p o r tt h e s e r v i c em o b i l i t y s i n c et h eb a t t e r yc a p a c i t yi sl i m i t e d , n e t w o r kn o d e sp o w e r e db y b a t t e r i e sc a no n l yl a s tf o raf e wh o u r sf o rw o r k , a n dt h u sc a l ln o tk e 印u p 晰mt h e i n c r e a s i n gp o w e rd e m a n d sf r o mp o w e r - i n t e n s i v ea p p l i c a t i o no nw i r e l e s sd e v i c e s t o s o l v et h i sp r o b l e m , m a n u f a c t u r e r sa l w a y sh a v et w om e t h o d s ：( 1 ) i m p r o v et h eb a t t e r y t e c h n o l o g yt oi n c r e a s et h eb a t t e r yc a p a c i t y ；( 2 ) d e s i g ne n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o l sf o r w i r e l e s sd e v i c e s a c t u a l l y , 、 ，i t l lt h em a t e r i a lt e c h n o l o g yl a g g i n gb e h i n d t h ec a p a c i t yo f t h eb a t t e r i e si sd i f f i c u l tt ob ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , a n dt h u sw es h o u l dm a i n l yt e n dt o e n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o l st oe x t e n dt h e l i f e t i m eo ft h ew i r e l e s sd e v i c e s t h e r e f o r e ， c a r e f u l l ys c h e d u l i n ga n db u d g e t i n gb a t t e r yp o w e ri nw i r e l e s sa dh o en e t w o r k sh a s b e c o m ea nu r g e n ta n dc r i t i c a li s s u e b a t t e r ym o d e lh a se m e r g e da sa ni m p o r t a n ti s s u ei nd e s i g n i n ge n e r g ye f f i c i e n t p r o t o c o l s b u tm o s te x i s t i n gw o r ku s e su n r e a l i s t i cb a t t e r ym o d e l sa n dh e n c ef a i l st o e n n s c l v en e t w o r ke n e r g y b a t t e r yi so n ek i n d o fe n e r g ys t o r a g ee q u i p m e n t ；i tc a n t r a n s f o r mt h ec h e m i c a le n e r g yo rp h y s i c a le n e r g yt ot h ee l e c t r i c a le n e r g yt h r o u g h c h e m i c a lr e a c t i o n s r e c e n ts t u d yi n b a t t e r yt e c h n o l o g yr e v e a l st h a tt h eb e h a v i o ro f b a t t e r i e sd i s c h a r g i n gi sn o n l i n e a r g e n e r a l l ys p e a k i n g , b a t t e r i e st e n dt oo v e rc o n s u m e p o w e r ( i e c o n s u m i n gm o r ep o w e rt h a nn e e d e d ) d u r i n gd i s c h a r g i n gp r o c e s s ，a n dt h e o v e r - c o n s u m e dp o w e ri sc a l l e da st h ed i s c h a r g i n gl o s s ；b u tt h e s ed i s s i p a t e de n e r g yu n i t s c a nb er e i m b u r s e di f t h eb a t t e r yi sa l l o w e dt or e s t ( e g ，d i s c o n n e c t e df r o ml o a d ) f o rs o m e p e r i o d t h i si sk n o w na st h eb a t t e r yr e c o v e r ye f f e c t i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yp r o p o s ean e wm a t h e m a t i c a lm o d e lt oc a p t r r et h eb a t t e r y d i s c h a r g i n gf e a t u r e s ，e s p e c i a l l yt h ed i s c h a r g i n gl o s s c o m p a r e dt ot h ee x i s t e dm o d e l s ， t h i sm o d e lc a l ls a t i s f yt h e o n - l i n e r e q u i r e m e n td u et oi t sl o wc o m p l e x i t ya n dl o w c o m p u t a t i o nc o s t , a n dt h u si sp r a c t i c a li nr e a ln e t w o r ka p p l i c a t i o n s t a k i n gb a t t e r i e sn o n l i n e a rd i s c h a r g i n gf e a t u r e si n t oa c c o u n t , w ef u r t h e rp r o p o s ea n e n e r g ye f f i c i e n tr a t es e l e c t i o n ( e e r s ) a p p r o a c hf o rw i r e l e s sa dh o en e t w r o k sw h i c h a i m st o $ a v eb a t t e r yp o w e ra n de x t e n dn e t w o r kl i f e t i m e w h e nt r a n s m i t t i n gp a c k e t s , e a c h n o d es h o u l dc a r e f u l l ys e l e c ta no p t i m a lr a t ea c c o r d i n gt h ec e r t a i nt r a n s m i s s i o nt a s k , t h e b a t t e r i e ss e l f - r e c o v e r yr a t ea n dt h ec u r r e n tn e t w o r kc o n d i t i o nt om i n i m i z et h eo v e r a l l e n e r g yc o n s u m p t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dn u m e r i c a lr e s u l t sb o t hd e m o n s t r a t et h a t 硕士学位论文 m a s t e r sn i e s i s o u ra p p r o a c hc a ni m p l e m e n ti nad i s t r i b u t i v ew a y , a n da l s oc a l lg u a r a n t e em o s tn o d e s r e e n v e rm u c ho v e r - c o n s u m e de n e r g y , e f f e c t i v e l yd e c r e a s et h eo v e r a l le n e r g yd e p l e t i o n a n dt h u sp r o l o n gn e t w o r kl i f e t i m es i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ；b a t t e r ym o d e l ；d i s c h a r g i n gl o s s ； r e c o v e r ye f f e c t ；e n e r g ye f f i c i e n t ；r a t es e l e c t i o n m 硕士荦位论文 m a s t e r st h e s l $ 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：荔参粑 日期：压回年占月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：荔毒旋 日期：2 0 7 年占月，。日 导师签名谣雹z 日期：纠年占月r ，日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃塞论塞握銮卮澄厦i 旦兰生i 旦= 生i 旦= 三生筮查! 作者糨荔丢於导师戳：曾现 日期：力田年z 月o 日日期：沙矽年翻日 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 地w i r e l e s sn e t w o r k ss u c h 勰m o b i l ew i r e l e s sa dt t o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) a n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) h a v eb e e nr e c e i v e ds i g n i f i c a n ta t t e n t i o ni nt h ep a s t f e wy e a r s w i t hr e c e n tp e r f o r m a n c ea d v a n c e m e n t si n c o m p u t e r a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s m a 厄t si sb e c o m i n g 锄i n t e g r a lp a r to fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s me m e r g i n g 诵d es p r e a du s eo f r e a lt i m ev o i c e ，a u d i o ，a n dv i d e oa p p l i c a t i o n s g e n e r i c s i n t e r e s t i n g t r a n s m i s s i o n p r o b l e m s t os o l v e o v 期 m a n e t s i no r d e rt os u p p o r tu r s m o b i l i t y n o d e si nm a n e t s0 1 w s n sa l ea l w a y s p o w e r e db ye n e r g yl i m i t e db a t t e r i e s , a n dw ec a l ls u c hn e t w o r k sa se n e r g yc o n s t r a i n e d n e t w o r k s s i n c et h ea d v a n c e si nb a t t e r yt e c h n o l o g ya r em u c hs l o w e rt h a nt h em a r k e t e v o l u t i o n , e f f e c t i v es o l u t i o n st oe x t e n db a t t e r yl i f e t i m ea tr e a s o n a b l ec o s ta r es t i l ln e e d e d t h i sl i m i t a t i o nu r g e st h en e e df o re n e r g ye 伍c i e n ts t r a t e g i e st h a tr e g u l a t ea n dc o m e n ，e t h ep o w e rc o n s u m p t i o na te a c hn o d et oe x t e n dt h ef u n c t i o n a li i f e t i m eo f t h en e t w o r k w h e nd e s i g n i n ge n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o l sf o rn l a n e l 奢。b a t t e r ym o d e lh a se m e r g e 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o s s e s st h ef o l l o w i n gp r o p e r t i e s ： ( 1 ) r e a l i s t i ce n e r g ym o d e l ：w h e nd e s i g n i n ge n e r g y - e f f i c i e n ta l g o r i t h m s ，t h ee n e r g y m o d e lu s e ds h o u l db er e a l i s t i ca n dc a l lp r e c i s e l yc a p t u r et h eb a t t e r yn o n l i n e a r d i s c h a r g i n gb e h a v i o r ( e g b a t t e r yd i s c h a r g i n gl o s sa n db a t t e r yr e c o v e r ye f f e c t ) 2 ( 2 ) l o wc o m p u t a t i o nc o s t t h em a t h e m a t i c a lf u n c t i o n su s e ds h o u l db ew i t hl o w c o m p l e x i t y t or e d u c e c o m p u t a t i o n o v e r h e a da n ds 枥s f yt h e o n - l i n e ” r e q u i r e m e n t ( 3 ) e n e r g ye f f i c i e n c y ：t h ep r o p o s e dr a t es e l e c t i o na p p r o a c hs h o u l da i mt 0s a v e b a t t e r yp o w e ra n de x t e n dn e t w o r kl i f e t i m e , v i ae x e c u t i n gs o m ee n e r g ye f f i c i e m p o l i c y t o8 a v ee n e r g y , t h et r a n s m i s s i o nr a t ec a nn e v e rb et o os l o wo rt o of a s t , a n dn o d e sn e e dt o c a r e f u l l ys e l e c t 缸o p t i m a lm t ea c c o r d i n gt h e c e r t a i n t r a n s m i s s i o nt a s ka n dt h ec m - r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n ( 4 ) d i s t r i b u t e di m p l e m e n t a t i o n ：t h ep r o p o s e dr a t es e l e c t i o na l g o r i t h ms h o u l db ea b l e t oi m p l e m e n ti nad i s t r i b u t i v ew a yt or e d u c et h ec o m m u n i c a t i o no v e r h e a d ， ( 5 ) e n e r g y - l a t e n c yt r a d e o 位e n e r g y - e f f i c i e n c ya n dl o w - l a t e n c ya r ea l w a y sc o n f l i c t a n di ti sh a r dt oa c h i e v eb o t hg o a l s t h ep r o p o s e da l g o r i t h mt a k e st h i sp r o b l e m i n t oa c c o u n t e s p e c i a l l y , f o r8 0 m eu r g e n tt r a n s m i s s i o nt a s k s , n o d e ss h o u l db e a b l et od y n a m i c a l l ya d j u s tt r a n s m i s s i o nr a t et os a t i s f yt h eu s e rs p e c i f i e dl a t e n c y r e q u i r e m e n t 1 3s t r u c t u r ea n dc o n t r i b u f i o n so ft h et h e s i s t h i st h e s i sa d d r e s s e st h es u b j e c to fd e s i g n i n gp r a c t i c a le n e r g ym o d e lf o rb a t t e r y d i s c h a r g i n gl o s sa n de n e r g ye f f i c i e n tr a t es e l e c t i o na p p r o a c hf o re n a t g yc o n s t r a i n e d n e t w o r k s c h a p t e r2p r e s e n t sar e v i e wo nt h er e l e v a n tb a c k 蓼o u n dc o n c e p t so ft h eb a t t e r y c h a r a c t e r i s t i c sa n dr a t es e l e c t i o nm h e m e si nw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s f i r s t l y , w eg i v ea l l o v e r v i e wo i lb a t t e r yt e c h n o l o g i e s ，b a t t e r yd i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee ) 【i s t i n g a n a l y t i c a lb a t t e r ym o d e l si nt h el i t e r a t u r e t h e n , w cp r e s e n tar c v i c wo nr a t es e l e c t i o n s c h e m e sf o ra dh o cn e t w o r k s ，a n da n a l y z et h e i re n e r g ye f f i c i e n c y i nc h a p t e r3 ，w ep r o p o s eap r a c t i c a le n e r g ym o d e lf o rd e s i g n i n ge n e r g ye f f i c i e n t p r o t o c o l sf o rm a n e t s m o s te x i s t e dw o r ko nd e s i g n i n ge n e r g ye f f i c i e mp r o t o c o l s u s u a l l yu 辩u n r e a l i s t i ce n e r g ym o d e l s a n dh e n c ef a i lt of 糟v ee n e r g yi nr e a ln e t w o r k s t h i s p r o p o s e de n e r g ym o d e lp r e c i s e l yc a p t u r e st h eb a t t e r i e sn o n l i n e a rd i s c h a r g i n gb e h a v i o r , a n dh e n c eb em o l ep r a c t i c a li nr e a ln e t w o r k s e s p e c i a l l y , f o rc a l c u l a t i n gt h eb a t t e r i e s d i s c h a r g el o s s ，m o s tm a t h e m a t i c a lm o d e l sa p p e a r e di nt h el i t e r a t u r ei sn o te f f i c i e n ti n p r a c t i c a ls i