Ａｄ ｈｏｃ網(wǎng)絡帶沖突抑制的多信道功率控制協(xié)議

摘要：對當前多信道中存在的功率控制問題加以研究，提出了一種基于接收方的多信道功率控制協(xié)議。該協(xié)議引入一種沖突抑制機制來制止其他節(jié)點對正在進行數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點產(chǎn)生干擾。仿真結果表明，利用本協(xié)議能較好地避免節(jié)點沖突，并提高網(wǎng)絡容量。

關鍵詞：無線自組織網(wǎng)絡； 多信道； 介質訪問控制； 功率控制； 沖突抑制

中圖分類號：TP393．04文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0348-04

0引言

802．11協(xié)議規(guī)定了多個不重疊的信道，但協(xié)議本身是單信道協(xié)議。如何充分利用這些多余的信道成為目前研究的課題。雖然出現(xiàn)了一系列的多信道協(xié)議以充分利用信道資源，但是單純的多信道協(xié)議對網(wǎng)絡容量的提升還很有限。如果能將信道上發(fā)送的數(shù)據(jù)包用合適的功率發(fā)送，那么信道在空間上就能達到復用的目的，并相應地提升網(wǎng)絡容量。于是多信道功率控制問題便成為研究的課題。

B欲接收A的DATA，然而這時有C發(fā)送RTS給D請求發(fā)送數(shù)據(jù)。CD的通信會對B的接收造成干擾，而此時B尚未轉入數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)接收，所以B就在控制信道上發(fā)送OTS給C來避免即將出現(xiàn)的干擾。不過由于只有一個收發(fā)器，當B正在接收A的DATA包時，B就不能知道C即將進行通信，更不能知道是否此通信會影響B(tài)的接收。該協(xié)議用變功率的CTS來通知周圍節(jié)點可以使用的安全功率。通過將CTS分別用n種不同的功率來發(fā)送，即1，(n-1)/n，(n-2)/n，…，1/n倍的功率。這樣周圍節(jié)點可以憑借收到CTS信號的數(shù)目來決定可以使用的最大發(fā)射功率，并且該發(fā)射功率不會影響發(fā)送VP－CTS節(jié)點的接收。不過這需要發(fā)送VP－CTS的節(jié)點分階段地發(fā)送CTS，從而增加了占用控制信道的時間，并多消耗了能量。

文獻[4]提出了carrier sensing zone，即干擾距離減去發(fā)射距離的那部分環(huán)帶，進而提出使用合適的功率發(fā)送DATA包會帶來的問題，即當節(jié)點對A與B正在進行DATA包的收發(fā)時，由于DATA包以合適的功率發(fā)送，原來處于最大功率發(fā)送的RTS（或CTS）的carrier sensing zone的節(jié)點可能不會偵測到該DATA包的發(fā)送。這樣導致這些節(jié)點不能知道A與B何時完成DATA包的傳送，并可能干擾A與B的通信。本文提出了一種用周期性最大功率發(fā)送DATA包的方法來令處于CS區(qū)（carrier sensing zone）的節(jié)點保持靜默。顯然，這種方法解決了前面提到的CS區(qū)節(jié)點不能知道DATA包傳送完成的問題。但是該方法使原來以合適的功率發(fā)送DATA包時可以復用的信道不能再用，所以不能增加同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點對數(shù)目，而且亦未能節(jié)省能量。應該僅在CS區(qū)節(jié)點有引發(fā)沖突的行為時才加以制止，而不是一直用信號來表明避免CS區(qū)的節(jié)點引發(fā)沖突。

文獻[5]將功率控制與DBTMA（dual busy tone multiple access protocol，雙忙音多路協(xié)議）相結合。此協(xié)議使能同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點對增加，相應地提高了信道的復用率。但是DBTMA要求有兩個忙音信道且當某節(jié)點進行數(shù)據(jù)收發(fā)時要一直發(fā)送忙音信號。這樣增加了能量的消耗，并僅為了發(fā)送忙音信號額外增加兩個信道。協(xié)議沒有ACK機制，當信道條件不好時協(xié)議性能會有所下降。

1協(xié)議描述

1．1方案的確定

通過對前面文獻的分析，發(fā)現(xiàn)以前的協(xié)議通常采用由收發(fā)節(jié)點主動發(fā)出信號來告知其他節(jié)點有數(shù)據(jù)要收發(fā)以達到避免信號碰撞的目的。但是這種方法沒有考慮到節(jié)點主動發(fā)出的信號被干擾的情況。由于信號被干擾而造成其他節(jié)點對網(wǎng)絡狀態(tài)的錯誤感知，導致不必要的沖突，協(xié)議中應該引入一種被動避免節(jié)點碰撞的機制。在主動避免碰撞失效的情況下，該機制可以作為一種補償手段來達到二次避免碰撞的目的。如果是在單信道的情況下，這種二次避免沖突的方案會無法實現(xiàn)。但是在多信道的情況下，即節(jié)點在控制信道上協(xié)商所使用的數(shù)據(jù)信道時，節(jié)點可以一邊在數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)收發(fā)，一邊在控制信道發(fā)出避免沖突信號。當節(jié)點正在進行數(shù)據(jù)收發(fā)時，如果有其他節(jié)點發(fā)出有沖突的數(shù)據(jù)信道使用請求時，該節(jié)點可以立即發(fā)出信號來拒絕這種請求。由于事先有沖突節(jié)點發(fā)出請求，不存在前述的主動發(fā)出的信號被其他信號干擾的問題。如果同時有兩個節(jié)點發(fā)出拒絕信號，在沖突節(jié)點處產(chǎn)生強度較大的噪聲電平，則沖突節(jié)點直接就認為該請求會產(chǎn)生沖突并申請其他數(shù)據(jù)信道，從而達到二次避免碰撞的目的。

本協(xié)議是多信道中的功率控制協(xié)議，采用1+N，即一個控制信道和N個數(shù)據(jù)信道的形式，并通過在控制信道上發(fā)送RTS/CTS/RES的方式來協(xié)商和使用數(shù)據(jù)信道。

為了避免隱藏終端問題，RTS信號通常令其發(fā)射功率為最大值，從而保護下面的data和ACK的傳送。如果在協(xié)議中定義RTS發(fā)射功率不用最大值，而是用一個較小的固定值來代替以減小能量浪費（假如該值小于等于data的發(fā)射功率），則RTS不再具有保護data包的能力。假如取某個合適的大一點（比data的發(fā)射功率稍大）的固定值，則當兩節(jié)點間的距離處于最大值與該合適的固定值之間時，原本一跳可以解決的數(shù)據(jù)收發(fā)，現(xiàn)在就要兩跳。如果RTS的發(fā)射功率是可變的，那么原本是單一型的網(wǎng)絡變成了多類型網(wǎng)絡（即每節(jié)點最大發(fā)射功率并不一致）。這樣隱藏終端的問題會更加嚴重。此外，RTS還能起到避免RES被碰撞的作用。綜上所述，RTS應該選取最大值。

CTS信號不能用合適功率發(fā)送。如果在1+N形式的多信道中令CTS用合適功率發(fā)送，會出現(xiàn)如圖2所示的問題。

首先A用最大功率發(fā)送RTS給B，然后B根據(jù)A與B之間的距離選擇合適的功率發(fā)送CTS。易見B的CTS并未對C起到警告作用。接著C回應D的RTS給CTS。而節(jié)點C、D可能會使用與A、B節(jié)點相同的數(shù)據(jù)信道（對C、D節(jié)點而言，并不知道節(jié)點A、B已經(jīng)使用了該信道）。當A在數(shù)據(jù)信道上發(fā)送數(shù)據(jù)給B時，D節(jié)點如果先發(fā)完data， C節(jié)點的ACK就有可能干擾A給B的data包（如果是C發(fā)送數(shù)據(jù)給D，則就可能為data間的沖突）。所以CTS也應該使用最大發(fā)射功率發(fā)送。

RES信號的作用是向周圍廣播已被預約的數(shù)據(jù)信道，所以也應采用最大功率發(fā)送。

Data和ACK由于有了控制信道上的協(xié)商，可以在數(shù)據(jù)信道上用最小必需功率發(fā)送。

c）在收到A的RTS后，B首先檢查自身的信道使用列表，將空閑的數(shù)據(jù)信道同樣列一個表。然后，B將自己的空閑數(shù)據(jù)信道列表與RTS中A周圍的空閑數(shù)據(jù)信道列表進行比較。如果兩者有公共空閑信道，則B根據(jù)信道優(yōu)先級，選取最高優(yōu)先級的信道，并將其放入CTS中。同時放入CTS中的還有B根據(jù)收到的RTS功率的大小按式（1）計算出來的最小必需功率值（在數(shù)據(jù)信道上使用）和占用該數(shù)據(jù)信道的時間間隔（根據(jù)A欲發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度算出），然后B用最大功率將CTS發(fā)送給A。如果兩者沒有公共空閑信道，則B回應一個CTS（wait）給A，其中放入B周圍有空閑數(shù)據(jù)信道的最小等待時間Twait。

d）A收到B的CTS后，首先檢查CTS。如果是普通的CTS，則A根據(jù)CTS中B選擇使用的數(shù)據(jù)信道，將該數(shù)據(jù)信道、占用該數(shù)據(jù)信道所需時間以及在該信道上使用的功率大小放入RES中，并以最大功率向周圍發(fā)送；如果是CTS（wait），則A等待Twait時間，回到a）再次向B發(fā)出請求。如果A在發(fā)送完RTS后，在規(guī)定時間內沒有收到B的CTS，則要重發(fā)RTS，并再次等待B的CTS回應，如此直至達到最大重試次數(shù)。

e）B周圍的節(jié)點（記為D，不包括A）收到CTS。如果D節(jié)點空閑，則將該數(shù)據(jù)信道和所占用時間加入到其自身的信道使用列表中；如果D節(jié)點正在進行數(shù)據(jù)收發(fā)，則判斷該數(shù)據(jù)信道自己是否正在使用。如果是，則判斷B在數(shù)據(jù)信道上使用的功率是否會影響到自身已在進行的通信。如有影響，則D立即用最大功率對外發(fā)送一個DTS（其實是對B，但是用的是廣播的形式）。DTS中包括了D使用的數(shù)據(jù)信道和占用時間等信息。

f）A周圍的節(jié)點（記為C，不包括B）在控制信道上收到RES后，同樣進行判斷。如果C不忙，則僅將RES中包含的A所占用的數(shù)據(jù)信道和占用時間放入自身的信道使用列表。如果C同樣正在進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并且A將使用的數(shù)據(jù)信道正是C所使用的，而且A在數(shù)據(jù)信道上使用最小必需功率與B進行通信時會干擾C的正常通信，則C同樣以最大功率向周圍發(fā)送DTS以拒絕A對該數(shù)據(jù)信道的使用請求。該DTS與前面一樣包含了C使用的數(shù)據(jù)信道和占用該信道所需時間的信息。

g）B發(fā)送完CTS后，并沒有立即轉入到數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)收發(fā)。B還要等待一個SIFS，看有沒有節(jié)點發(fā)送DTS，來拒絕B對數(shù)據(jù)信道的使用請求。如果收到了DTS，則B將回應A一個AOC（abort of connection）。AOC中同樣包含了所用數(shù)據(jù)信道的信息及占用時間的信息；如果B只收到一個達到正常信號強度的噪聲電平，則認為是A的RES與其他節(jié)點的DTS產(chǎn)生了碰撞，處理方法同前面針對收到DTS信號的處理。如果B在等待一個SIFS后并未收到DTS，則B轉入相應的數(shù)據(jù)信道，準備接收A的數(shù)據(jù)包。

h）A在發(fā)送完RES后，也同樣要偵測一個SIFS空閑時間。如果在SIFS這個時間段內A沒有收到DTS，則A轉入?yún)f(xié)商的數(shù)據(jù)信道，用最小必需功率發(fā)送data包給B。如果A收到了DTS，則根據(jù)DTS的內容更新其信道使用列表；然后構造一個AOC（在其中放入與B協(xié)商的數(shù)據(jù)信道和占用時間），再用最大功率向周圍發(fā)送并返回a）。如果A收到的是AOC，則直接轉發(fā)再返回到a）。

i）如果B在數(shù)據(jù)信道上等待一段時間（A發(fā)送data包的最大嘗試次數(shù)×（SIFS+data傳輸時間+2×傳播延時+ACK傳輸時間））后仍未收到A的data包，則表明A不能使用該數(shù)據(jù)信道，則終止連接（等待A的進一步請求）；如果在B等待A傳送data包時，在控制信道上又收到A新的RTS請求，則B可以立即退出等待，重新協(xié)商新的數(shù)據(jù)信道。B在數(shù)據(jù)信道上接收完A的data后，B回應A一個ACK。

j）A在發(fā)送完data包后等待B的ACK。如果達到等待時間后還未收到B的ACK，則A重新發(fā)送data包，再次等待B的ACK回應，如此反復直至最大重試次數(shù)。

k）收到RES和CTS的節(jié)點分別設置自己的NAV。信道選擇有優(yōu)先級：首先是沒有節(jié)點占用的信道（即就算不用功率控制也可以進行通信而不會對其他節(jié)點造成干擾）；其次是需要功率控制才能使用的信道。選定信道類型后，噪聲小的信道優(yōu)先級更高。

l）在A與B確定沒有周圍節(jié)點發(fā)出DTS拒絕發(fā)送信號后，A與B轉入?yún)f(xié)商的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當B接收完A的data后，B回應A一個ACK。如果這時B在接收完A的data后也想發(fā)送數(shù)據(jù)給A，則B再給A的ACK中加入特別的標志；然后A與B分別在控制信道上再次發(fā)送CTS（A發(fā)送）和RES（B發(fā)送）來重新聲明A與B占用該數(shù)據(jù)信道的時間。這樣，A與B可以直接繼續(xù)使用原先占用的數(shù)據(jù)信道。

m）如果A（或B）周圍的節(jié)點C（或D），收到A（或B）發(fā)送的AOC，則C（或D）根據(jù)AOC中的數(shù)據(jù)信道判斷自身的信道使用列表中，該數(shù)據(jù)信道是否被A（或B）使用。如果是，則除去該信道使用信息；否則忽略。

n）如果A（或B）周圍的節(jié)點C（或D），收到某一節(jié)點E發(fā)送的DTS，則C（或D）根據(jù)DTS中的數(shù)據(jù)信道判斷自身的信道使用列表中，該數(shù)據(jù)信道是否已被E使用。如果是，則檢查DTS中的占用時間與信道使用列表中該數(shù)據(jù)信道還要被E占用的時間是否一致。如果一致則忽略；否則更新占用時間。如果沒有關于E占用該數(shù)據(jù)信道的信息，則加入E使用該信道的信息。

o）在A與B進行數(shù)據(jù)收發(fā)的過程中，A與B還時刻偵測控制信道。只要有與AB所占用的數(shù)據(jù)信道沖突的其他節(jié)點的請求，A與B立即以最大功率發(fā)送DTS（DTS中有AB所用數(shù)據(jù)信道及尚需占用的時間等信息）以拒絕其他節(jié)點征用該數(shù)據(jù)信道。

2仿真

本協(xié)議仿真采用C++構建的無線環(huán)境進行仿真。協(xié)議所用參數(shù)如下：SIFS為10 μs，DIFS為50 μs，ACK、RTS、CTS包的大小為14 Byte，數(shù)據(jù)包的大小為1 000 Byte，節(jié)點的最大覆蓋范圍為300 m，干擾范圍為覆蓋范圍的兩倍，即600 m。仿真主要分析協(xié)議功率控制的應用所帶來的網(wǎng)絡吞吐量的提升。

首先來看一下節(jié)點間距對功率控制和非功率控制情況下吞吐量的影響。在圖5中，筆者構造了一個節(jié)點均勻分布的場景，使節(jié)點數(shù)目保持一定，即100個節(jié)點。考察當節(jié)點間距25~300 m以25 m遞增的情況下網(wǎng)絡吞吐量的變化。從圖中可以看到，當節(jié)點間距較小時，此時節(jié)點密度較大，節(jié)點間的碰撞較多，所以功率控制的效果不太明顯。隨著節(jié)點間距的增大，節(jié)點沖突減少，功率控制的效果逐漸增大。當節(jié)點間距大到一定程度時，能夠利用功率控制來進行信道復用的節(jié)點數(shù)變少，功率控制的優(yōu)勢不再明顯。當節(jié)點間距增大到300 m時，采用功率控制與沒有功率控制在網(wǎng)絡吞吐量上已經(jīng)沒有區(qū)別。

下面再來看一下功率控制級數(shù)對網(wǎng)絡吞吐量的影響。在圖6中構建一個1 000 m×1 000 m的無線環(huán)境，在其中均勻分布了50個節(jié)點。從圖中可以看到，當功率級數(shù)小于等于2時，功率控制的效果并不好。當功率控制級數(shù)大于等于3時，級數(shù)對網(wǎng)絡吞吐量的提升基本上相差不大。所以，功率控制級數(shù)并不是越高越好。

為了獲得數(shù)據(jù)包大小與吞吐量之間的關系，在1 000 m×1 000 m的范圍內，均勻地放置了49個點（圖7）。數(shù)據(jù)包的長度從500 Byte開始以500 Byte為單位遞增，直到4 000 Byte。為了能更好地看出結果，此處對數(shù)據(jù)進行了處理，以數(shù)據(jù)包長度500 Byte時的吞吐量作為1，將所有值進行歸一化處理。結果表明，吞吐量隨著數(shù)據(jù)包的增長逐漸增大。這是因為數(shù)據(jù)包越長，一次控制幀交換能夠發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。這樣控制幀所帶來的額外消耗顯得更小，從而帶來吞吐量的上升。

3結束語

本文對無線自組織網(wǎng)絡信道接入層的功率控制協(xié)議加以研究，在對前人提出的功率控制協(xié)議進行深入分析的基礎上，比較各協(xié)議的優(yōu)點及存在的問題，在對前人的功率控制協(xié)議進行改進后，提出了一種多信道的功率控制協(xié)議。協(xié)議綜合考慮了暴露終端和隱藏終端問題，并考慮到了信號沖突導致節(jié)點不能正確認知網(wǎng)絡狀態(tài)的問題，給予節(jié)點第二次避免沖突的能力。仿真結果證明，該協(xié)議能較好地避免節(jié)點沖突并提高網(wǎng)絡容量。

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