無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽機(jī)制設(shè)計(jì)

摘要：無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，干擾產(chǎn)生于接收節(jié)點(diǎn)處的接收信號被其他無用信號疊加，干擾問題嚴(yán)重影響接收端解碼信息的能力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包沖突和重傳的增加。如何最小化鏈路干擾，減少數(shù)據(jù)包沖突概率，是提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。MAC協(xié)議中，合理的載波監(jiān)聽機(jī)制是減小鏈路干擾的有效方式之一，通過合適的感知門限設(shè)計(jì)，可以有效地降低鏈路中的干擾和沖突，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文章提出一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽機(jī)制，該機(jī)制根據(jù)鏈路的實(shí)際狀況對接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)合適的感知門限值，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以感知到所有干擾節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而最小化鏈路干擾。模擬結(jié)果顯示，本文提出的機(jī)制能有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，最小化數(shù)據(jù)包沖突概率和鏈路中存在的干擾。
關(guān)鍵詞：無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；干擾；沖突；載波監(jiān)聽

0 引言
    無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組可以自由移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，又稱自組織網(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)相互之間的信號作用。因?yàn)闊o線自組織網(wǎng)中的數(shù)據(jù)是通過無線電形式傳播，如果一個(gè)正在傳輸?shù)逆溌分車嬖谄渌麩o用的無線電信號，則在此鏈路上造成了干擾，較輕的干擾會造成誤碼率提高，部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失；較重的干擾會造成傳輸失敗，鏈路斷開。產(chǎn)生干擾的節(jié)點(diǎn)處于接收節(jié)點(diǎn)的周圍，其存在的根本原因是發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前無法有效感知到這些干擾節(jié)點(diǎn)。無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率無法無限增大，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，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；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)域的大小也和周圍節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率有關(guān)。
    設(shè)計(jì)合理的載波監(jiān)聽機(jī)制是降低干擾的有效途徑之一。其中，基于IEEE 802．11協(xié)議的載波監(jiān)聽機(jī)制得到了最廣泛的應(yīng)用。載波監(jiān)聽機(jī)制規(guī)定：節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先檢測周圍信道的信號強(qiáng)度，如果檢測到的信號強(qiáng)度大于感知門限值(CSth)，則表明此時(shí)信道處于繁忙狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避過程；如果檢測到的信號強(qiáng)度小于感知門限值，則進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。所以，通過合理設(shè)置載波監(jiān)聽機(jī)制中的感知門限值，可以使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)之前感知到周圍節(jié)點(diǎn)對接收節(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)聽機(jī)制中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知門限值(CSth)對應(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，此圓的半徑即被稱為感知半徑(din)，感知半徑和感知門限值成反比。
    與載波監(jiān)聽機(jī)制相比，RTS-CTS機(jī)制通過RTS-CTS-DATA-ACK四次握手和網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)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)無法將CTS包發(fā)送至周圍所有的干擾節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，RTS／CTS控制包發(fā)送范圍固定，無法根據(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)制對接收節(jié)點(diǎn)周圍存在的干擾控制能力有限。然而，通過載波監(jiān)聽機(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)聽機(jī)制。接收節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)鏈路狀態(tài)對其干擾范圍進(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)自身感知門限使其可以感知到鏈路周圍所有的干擾節(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)而考慮干擾信號的累加問題，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)送的信號在接收節(jié)點(diǎn)r處產(chǎn)生疊加。s的信號能否順利被r所接收，取決于捕獲效應(yīng)(Capture Effect)。對于捕獲效應(yīng)來說，如果在接收節(jié)點(diǎn)處s產(chǎn)生的信號比Ni產(chǎn)生的信號足夠強(qiáng)，那么r將會順利接收到s發(fā)來的數(shù)據(jù)，Ni產(chǎn)生的虛弱信號會被當(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)收到的信號強(qiáng)度與干擾信號之比大于一定的門限值β時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)可以成功接收信號：
   
    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)，我們設(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)。
1．2 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)送會在r處疊加信號功率，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，需要對式(4)干擾半徑進(jìn)行修正。
    設(shè)網(wǎng)絡(luò)密度為δ，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)?？紤]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)生的信號功率都簡化地視為一樣，進(jìn)而可以用積分求得外部信號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，為接下來發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知門限調(diào)整提供了重要依據(jù)。

2 最小鏈路干擾載波監(jiān)聽機(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限值。并據(jù)此提出相應(yīng)的載波監(jiān)聽機(jī)制具體算法。
2．1 最小干擾的感知門限
    為了確保發(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：

    其對應(yīng)最大的感知門限值CSmax-th。如果感知門限值小于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；如果感知門限值大于CSmax-th，節(jié)點(diǎn)s將無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，對接收節(jié)點(diǎn)來說影響數(shù)據(jù)的成功接收。
    因此，最大的感知門限值CSmax-th根據(jù)感知門限與感知半徑的關(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)置的感知門限大小。節(jié)點(diǎn)s在設(shè)置這一感知門限之后，能有效感知接收節(jié)點(diǎn)周圍的所有干擾節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到最小化鏈路干擾的目的。
2．2 載波監(jiān)聽機(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，周圍節(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)，仍然通過感知門限和監(jiān)聽到的周圍節(jié)點(diǎn)信號強(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。
    Step2：目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(11)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)的感知門限值CSmax-th，隨后將這一感知門限值放入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)置為自身的感知門限值。
    Step4：源節(jié)點(diǎn)根據(jù)感知門限值和周圍節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度決定是否進(jìn)行傳輸。


3 仿真實(shí)驗(yàn)
    本節(jié)將通過仿真實(shí)驗(yàn)對所提出機(jī)制的各項(xiàng)性能進(jìn)行評估。本文將提出的最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽機(jī)制與IEEE 802．11 DCF機(jī)制相比較。實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺采用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800×800m2的區(qū)域中。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?，本文提出的機(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)的移動(dòng)性(仿真中最大移動(dòng)速度5m／s)，在吞吐量和沖突概率兩個(gè)指標(biāo)上都具有顯著的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)了一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽機(jī)制，通過對干擾半徑的精確計(jì)算，進(jìn)而對發(fā)送節(jié)點(diǎn)的感知門限進(jìn)行合理設(shè)置，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以有效感知鏈路中的全部干擾節(jié)點(diǎn)，達(dá)到最小化鏈路干擾的目的。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，都證明所提出的機(jī)制能夠最小化鏈路中存在的干擾，減少數(shù)據(jù)包沖突概率，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和性能。