無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制設(shè)計(jì)

1、無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制設(shè)計(jì)邱國(guó)慶 夏晶晶 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 時(shí)間:2011年11月16日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；干擾；沖突；載波監(jiān)聽(tīng)0 引言 無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組可以自由移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，又稱(chēng)自組織網(wǎng)和多跳網(wǎng)。干擾產(chǎn)生于同一空間內(nèi)的多個(gè)同時(shí)傳輸節(jié)點(diǎn)相互之間的信號(hào)作用。因?yàn)闊o(wú)線自組織網(wǎng)中的數(shù)據(jù)是通過(guò)無(wú)線電形式傳播，如果一個(gè)正在傳輸?shù)逆溌分車(chē)嬖谄渌麩o(wú)用的無(wú)線電信號(hào)，則在此鏈路上造成了干擾，較輕的干擾會(huì)造成誤碼率提高，部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失；較重的干擾會(huì)造成傳輸失敗，鏈路斷開(kāi)。產(chǎn)生干擾的節(jié)點(diǎn)處于接收節(jié)點(diǎn)的周?chē)浯嬖诘母驹蚴?/p>

2、發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前無(wú)法有效感知到這些干擾節(jié)點(diǎn)。無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率無(wú)法無(wú)限增大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離也根據(jù)自身功率的大小不盡相同，所以，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在著通訊半徑和干擾半徑。這兩個(gè)半徑中，通訊半徑保證了節(jié)點(diǎn)在此范圍內(nèi)能夠接收到信號(hào)，如果干擾值被控制在一定范圍之內(nèi)，則可以正確接收信號(hào)；干擾半徑(din)表示節(jié)點(diǎn)受到干擾的區(qū)域，這一干擾區(qū)域的大小也和周?chē)?jié)點(diǎn)的發(fā)送功率有關(guān)。 設(shè)計(jì)合理的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制是降低干擾的有效途徑之一。其中，基于IEEE 80211協(xié)議的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制得到了最廣泛的應(yīng)用。載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制規(guī)定：節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先檢測(cè)周?chē)诺赖男盘?hào)強(qiáng)度，如果檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度大

3、于感知門(mén)限值(CSth)，則表明此時(shí)信道處于繁忙狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避過(guò)程；如果檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度小于感知門(mén)限值，則進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。所以，通過(guò)合理設(shè)置載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制中的感知門(mén)限值，可以使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)之前感知到周?chē)?jié)點(diǎn)對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的干擾，從而判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知門(mén)限值(CSth)對(duì)應(yīng)一個(gè)感知范圍(Carrier Sense Area)。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用相同的傳輸功率，則感知范圍可以形式化為一個(gè)圓，此圓的半徑即被稱(chēng)為感知半徑(din)，感知半徑和感知門(mén)限值成反比。 與載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制相比，RTS-CTS機(jī)制通過(guò)RTS-CTS-DATA-ACK四次握手和網(wǎng)絡(luò)分配向量(N

4、AV)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)信道的預(yù)置和占用。但是，RTS-CTS機(jī)制因?yàn)榭刂瓢陌l(fā)送范圍有限，接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法將CTS包發(fā)送至周?chē)械母蓴_節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，RTSCTS控制包發(fā)送范圍固定，無(wú)法根據(jù)干擾范圍和鏈路的實(shí)際情況進(jìn)行發(fā)送距離調(diào)節(jié)。所以，RTS-CTS機(jī)制對(duì)接收節(jié)點(diǎn)周?chē)嬖诘母蓴_控制能力有限。然而，通過(guò)載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)鏈路狀況選擇合適的感知門(mén)限，確定合適的感知半徑，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知到所有干擾節(jié)點(diǎn)，從而最小化鏈路中存在的干擾。 本文提出最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制。接收節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)鏈路狀態(tài)對(duì)其干擾范圍進(jìn)行計(jì)算；再將計(jì)算值反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)精確調(diào)節(jié)自身感知門(mén)限使其可以感知到鏈路周?chē)械?/p>

5、干擾節(jié)點(diǎn)，從而最小化鏈路干擾。1 干擾模型 本節(jié)內(nèi)容對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍進(jìn)行形式化描述并計(jì)算干擾半徑，進(jìn)而考慮干擾信號(hào)的累加問(wèn)題，進(jìn)一步得到修正后的干擾半徑。本節(jié)所提出的干擾模型，與傳統(tǒng)干擾模型相比更為精確。1. 1 干擾半徑計(jì)算 如圖1所示，接收節(jié)點(diǎn)r接收到的信號(hào)強(qiáng)度Pr隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)s和接收節(jié)點(diǎn)r之間的距離d的增大而減小，隨著距離d的減小而增大。Ps定義為發(fā)送節(jié)點(diǎn)s的發(fā)送功率，g是天線增益，a是路徑衰減指數(shù)(Path Loss Exponent)，這一指數(shù)通常選擇2到4之間的整數(shù)。所以，在接收節(jié)點(diǎn)r處收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)s的信號(hào)強(qiáng)度為： 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)s向接收節(jié)點(diǎn)r發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，位于發(fā)送節(jié)點(diǎn)s的感知范圍之

6、外的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)Ni也試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)s沒(méi)有感知到節(jié)點(diǎn)Ni的存在，便產(chǎn)生了干擾。這樣，s和Ni兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)在接收節(jié)點(diǎn)r處產(chǎn)生疊加。s的信號(hào)能否順利被r所接收，取決于捕獲效應(yīng)(Capture Effect)。對(duì)于捕獲效應(yīng)來(lái)說(shuō)，如果在接收節(jié)點(diǎn)處s產(chǎn)生的信號(hào)比Ni產(chǎn)生的信號(hào)足夠強(qiáng)，那么r將會(huì)順利接收到s發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，Ni產(chǎn)生的虛弱信號(hào)會(huì)被當(dāng)作噪聲加以忽略。本文采用信噪比(SIR)模型描述捕獲效應(yīng)：如果接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度與干擾信號(hào)之比大于一定的門(mén)限值時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)可以成功接收信號(hào)： 根據(jù)信噪比模型，本文定義接收節(jié)點(diǎn)r的干擾區(qū)域節(jié)點(diǎn)的集合INr(INr也可以表示接收節(jié)點(diǎn)r的干擾區(qū)域)為： 因此，干

7、擾區(qū)域的半徑din為干擾區(qū)域中din(Ni,r)的最大值，根據(jù)式(3)，同時(shí)，我們?cè)O(shè)定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率相同，有PNi=Ps，得到： 從式(4)可以看出，接收節(jié)點(diǎn)的干擾半徑主要與信噪比門(mén)限值和發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離有關(guān)。12 干擾半徑修正值 本文注意到，在接收節(jié)點(diǎn)r的干擾范圍外，其他節(jié)點(diǎn)的同時(shí)發(fā)送會(huì)在r處疊加信號(hào)功率，形成虛擬的干擾節(jié)點(diǎn)。因而有效的干擾區(qū)域要大于式(4)計(jì)算的干擾范圍。所以，需要對(duì)式(4)干擾半徑進(jìn)行修正。 設(shè)網(wǎng)絡(luò)密度為，在半徑為din的干擾范圍內(nèi)，干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)可以表示為： 在式(4)的干擾范圍之外，存在虛擬的干擾節(jié)點(diǎn)。考慮一個(gè)以節(jié)點(diǎn)r為中心的微小圓環(huán)Ri，內(nèi)部半徑為

8、ri=din+(i-1)r，外部半徑為ri+r，該圓環(huán)內(nèi)部所有的節(jié)點(diǎn)在r處產(chǎn)生的信號(hào)功率都簡(jiǎn)化地視為一樣，進(jìn)而可以用積分求得外部信號(hào)疊加形成的虛擬干擾個(gè)數(shù)： 如果接收節(jié)點(diǎn)r的干擾范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接入信道，便會(huì)造成r接收數(shù)據(jù)失敗，產(chǎn)生丟包。從式(8)可以得到：干擾范圍不是固定的，而是隨傳輸距離的改變而改變。這一修正值，更為精確地描述了接收節(jié)點(diǎn)r的干擾范圍，為接下來(lái)發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知門(mén)限調(diào)整提供了重要依據(jù)。2 最小鏈路干擾載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制 在計(jì)算出精確的接收節(jié)點(diǎn)干擾范圍之后，本節(jié)首先將計(jì)算在最小鏈路干擾條件下發(fā)送節(jié)點(diǎn)的感知范圍和感知門(mén)限值。并據(jù)此提出相應(yīng)的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制具體算法。21 最小干擾的感知門(mén)限 為了確保

9、發(fā)送節(jié)點(diǎn)s能夠感知到節(jié)點(diǎn)Ni的發(fā)送，發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知半徑的取值范圍為： 其對(duì)應(yīng)最大的感知門(mén)限值CSmax-th。如果感知門(mén)限值小于CSmax-th，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)s可以感知到此條鏈路上所有的干擾節(jié)點(diǎn)，從而保證數(shù)據(jù)包在接收節(jié)點(diǎn)處的正確接收；如果感知門(mén)限值大于CSmax-th，節(jié)點(diǎn)s將無(wú)法完全感知到所有的干擾節(jié)點(diǎn)，這樣便導(dǎo)致鏈路中存在干擾，對(duì)接收節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)影響數(shù)據(jù)的成功接收。 因此，最大的感知門(mén)限值CSmax-th根據(jù)感知門(mén)限與感知半徑的關(guān)系，可以由如下公式計(jì)算得到： 這樣，便得到發(fā)送節(jié)點(diǎn)s需要設(shè)置的感知門(mén)限大小。節(jié)點(diǎn)s在設(shè)置這一感知門(mén)限之后，能有效感知接收節(jié)點(diǎn)周?chē)乃懈蓴_節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到最小化鏈路干擾的目

10、的。22 載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制算法 本文利用RTS分組攜帶發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸功率，利用CTS分組攜帶計(jì)算得到的感知門(mén)限，在數(shù)據(jù)傳輸之前進(jìn)行鏈路信息交換；同時(shí)RTS-CTS機(jī)制取消NAV向量，其分組的交換只作為發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，不進(jìn)行信道的預(yù)置和占用，周?chē)?jié)點(diǎn)在收到RTS-CTS分組后自動(dòng)丟棄，發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送數(shù)據(jù)，仍然通過(guò)感知門(mén)限和監(jiān)聽(tīng)到的周?chē)?jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判斷。 本文提出的最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制算法，由如下四步構(gòu)成： Step1：源節(jié)點(diǎn)攜帶發(fā)送功率Ps的RTS分組至目的節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)在接收到RTS分組后，取出發(fā)送功率Ps，并根據(jù)收到信號(hào)的功率Pr，計(jì)算得到發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)之間的距離d

11、。 Step2：目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(11)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)的感知門(mén)限值CSmax-th，隨后將這一感知門(mén)限值放入CTS分組，發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)。 Step3：源節(jié)點(diǎn)在接收到CTS分組后，取出CSmax-th，并設(shè)置為自身的感知門(mén)限值。 Step4：源節(jié)點(diǎn)根據(jù)感知門(mén)限值和周?chē)?jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度決定是否進(jìn)行傳輸。3 仿真實(shí)驗(yàn) 本節(jié)將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出機(jī)制的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)估。本文將提出的最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制與IEEE 80211 DCF機(jī)制相比較。實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)采用NS-2。在模擬實(shí)驗(yàn)中，默認(rèn)傳輸范圍是250m，初始的感知半徑為450m，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用隨機(jī)動(dòng)態(tài)拓?fù)洌?00個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在800800m2的區(qū)域中。

12、同時(shí)，最終數(shù)據(jù)為10次采集數(shù)據(jù)的平均值，且置信水平為95，置信區(qū)間也在圖中標(biāo)出。 圖2顯示了兩種機(jī)制在不同傳輸速率下的吞吐量變化情況。當(dāng)傳輸速率約為25Mbps時(shí)，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大吞吐量。在隨機(jī)拓?fù)渲校疚奶岢龅臋C(jī)制可以取得較好吞吐量，表示最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制的曲線位于圖的最上端。 圖3顯示了兩種機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)中隨CBR數(shù)據(jù)流變化時(shí)的沖突概率。最下端的曲線為提出的機(jī)制，其表現(xiàn)出低沖突和低干擾的特性，鏈路中的沖突概率被大大降低，較低的沖突概率也必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高。 圖4顯示在不同網(wǎng)絡(luò)密度條件下，節(jié)點(diǎn)的吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，在網(wǎng)絡(luò)密度較高，干擾程度增大的情況下，本文提出的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制能夠有效降低鏈路的干擾，使網(wǎng)絡(luò)保持較高的吞吐量。 本文提出的最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制基于更為實(shí)時(shí)的傳輸鏈路和干擾信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)干擾范圍和感知范圍，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)干擾的控制能力，使得網(wǎng)絡(luò)中存在的沖突顯著降低。同時(shí)，該機(jī)制能夠很好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)