Ａｄ ｈｏｃ網(wǎng)絡空分復用問題與應對方法研究
2008-12-31 00:00:00張鳳苛
電腦知識與技術 2008年27期
摘要：針對Ad hoc網(wǎng)絡中的通信沖突和能源受限問題，描述空間干擾的成因和空間復用率的大小，并分析如何設置發(fā)送功率將信號接收功率控制在合適區(qū)間，以實現(xiàn)空分復用優(yōu)化。通過NS-2下的仿真實驗，分析了該方法的有效性。
關鍵詞：空分復用；移動自組網(wǎng)；拓撲控制
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)27-1931-02
The Study on the Problems and Measures for Spatial Reuse in MANET
ZHANG Feng-ke
(Wuhan University of Science and Technology，School of Information Science and Engineering， Wuhan 430081，China)
Abstract: Aiming at the problem of collision and energy limitation in MANET， described the cause of interference and the spatial reuse factor， then analysed how to set transmit power to keep the reception power in the appropriate bound for spatial reuse optimization. By emulation in NS-2， the availability of the method was studied.
Key words: spatial reuse; MANET; topology control
在Ad hoc網(wǎng)絡中，節(jié)點共享無線信道且分布式獨立運行，節(jié)點間的通信沖突可能頻繁發(fā)生，會影響空間的有效利用，此外各節(jié)點攜帶能量有限，不必要的能耗會對網(wǎng)絡壽命產(chǎn)生負面影響。針對這些問題，本文研究通信干擾的成因與實現(xiàn)最佳空分復用的條件，探討在拓撲控制技術等方面，可以采用的優(yōu)化方法。
1 通信干擾與空分復用狀態(tài)分析
1.1 傳輸范圍與接收功率的關系
電波在無線信道中傳播，在距離上存在信號能量的衰減，一般采用雙線地面（Two-Ray Ground）傳播模型[1]來描述信道衰落特性。其中，接收信號總強度由直射信號和反射信號疊加形成，信號接收功率用式1表示。式中Pt-發(fā)送功率，Pr-接收功率，Gt-發(fā)送天線增益，Gr-接收天線增益，d-傳輸距離，ht-發(fā)送天線高度，hr-接收天線高度。
從式1看出當Pt固定時，Pr與d4成反比，說明節(jié)點間不顯著的距離變化都會帶來Pr的顯著變化，從而影響通信效果。
1.2 傳輸范圍與通信干擾的關系
IEEE 802.11[2]中的RTS/CTS機制能在一定程度上克服隱藏終端和暴露終端問題，但MANET節(jié)點可自由移動，新進入兩個節(jié)點的通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點對之前的RTS/CTS交互不知情，誤認為其周圍沒有通信進行，可能會發(fā)送數(shù)據(jù)而引起通信沖突，形成節(jié)點動態(tài)移動過程中隨機出現(xiàn)的隱藏終端問題和暴露終端問題。依據(jù)式1，針對一定的Pt，令Pr等于正確接收數(shù)據(jù)包所需最小功率RXThresh時，得到對應的通信半徑為Rt，代表沒有干擾時能夠正確接收數(shù)據(jù)包的最大通信半徑。
考慮信道存在干擾的情況，設通信在節(jié)點A、B間進行，干擾節(jié)點C的發(fā)送功率為Pti，Pi是A收到的來自C的干擾信號功率，各天線的增益和高度均相同，信噪比閾值為SNR_THRESH， AC距離為r，AB距離為d，結(jié)合式1得到，要想正確接收數(shù)據(jù)包，信噪比SNR應滿足式2。
rth也固定，而節(jié)點采用不同的Pt，就對應有不同的Rt，根據(jù)rth和Rt之間的關系，得到如圖1的兩種情況。
其中圖1(a)對應隱藏終端問題，通信信號半徑Rt1
1.3 最佳空分復用狀態(tài)
僅考慮單跳鏈路的情況，定義空分復用因子SRI為：對通信產(chǎn)生干擾的區(qū)域總面積與通信信號覆蓋區(qū)域總面積之比，即圖1中兩個虛線圓區(qū)域總面積與兩個實線圓區(qū)域總面積之比，用來表示空分復用的程度，令d/Rt為變量，SNR_THRESH=10，得SRI的表達式如式3。
繪出SRI曲線[3]如圖2。
從圖2看出，想達到最佳的空分復用，則要求SRI=1，d=0.56 Rt，此時隱藏終端問題和暴露終端問題都不存在，且最佳接收功率Prop=10RXThresh，而SRI>1的部分曲線對應隱藏終端問題，SRI<1的部分曲線對應暴露終端問題。
2 基于拓撲控制的空分復用優(yōu)化
2.1 拓撲控制的作用
拓撲控制是協(xié)調(diào)節(jié)點傳輸范圍決策的一種技術，目的是產(chǎn)生一個具有理想特性的網(wǎng)絡，以減少節(jié)點能消并且增加網(wǎng)絡容量。采用自適應功率調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)拓撲控制具有以下優(yōu)點：當通信距離減小時，可通告對方及自己降低Pt以減小傳輸范圍，達到節(jié)能并減小對其它節(jié)點干擾的目的；當通信距離增大時，通告對方及自己適當增大Pt以增大傳輸范圍，保持足夠的信號強度，維持通信連接的穩(wěn)定。
2.2 基于功率調(diào)節(jié)的拓撲控制實現(xiàn)
考慮無線信道衰落效應，各數(shù)據(jù)包的Pr值隨機變化，因此在實際情況中難以準確的調(diào)控Pt，使Pr=Prop，此外一般Pti≠Pt，當Pti
當Pti很強時（如k≥5），通信節(jié)點已沒有必要調(diào)整功率繼續(xù)通信，可采用“等待恢復”機制，使通信暫停并保存通信狀態(tài)，根據(jù)干擾信號數(shù)據(jù)包中的NAV字段設置定時器，進入睡眠狀態(tài)等待干擾通信結(jié)束，蘇醒后再完成剩下數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。
功率調(diào)節(jié)指令的發(fā)送采用反饋機制[4]實現(xiàn)，根據(jù)最近收到數(shù)據(jù)包的Pr的統(tǒng)計平均判定是否處于最優(yōu)接收功率區(qū)間，如果不處于最優(yōu)接收功率區(qū)間，用統(tǒng)計平均的方法估算出新的最佳Pt，在IEEE 802.11的DATA、ACK數(shù)據(jù)包中添加字段攜帶新設置的Pt，捎帶“功率調(diào)節(jié)信息”。
3 仿真實驗與結(jié)果分析
在NS-2仿真軟件中，基于相同的運動場景，用cbr數(shù)據(jù)源實現(xiàn)5個流量場景，分別實現(xiàn)3、6、9、12和15個相同的通信任務。針對無功率調(diào)節(jié)方案[A]和前述調(diào)節(jié)方案[B]，分別計算以下3個指標：1）RtOh（路由開銷）--為路由數(shù)據(jù)包總數(shù)與成功接收數(shù)據(jù)包總數(shù)之比，其值越小則沖突、重傳越少；2）PDR（分組抵達率）--值越大則數(shù)據(jù)包傳輸成功率越高；3）ThrPt（以MByte為單位的吞吐量）。
仿真結(jié)果如表1所示。
從表1看出，在不同的通信量下，本文提出的方案具有較小的路由代價，較高的分組傳送成功率和吞吐量，使整體網(wǎng)絡性能得到較大提升。
4 結(jié)束語
本文提出的空分復用優(yōu)化方法，通過數(shù)據(jù)包的信號強度獲取信道狀況，從而指導數(shù)據(jù)發(fā)送方采用合理的功率進行通信。本文未對多跳鏈路的情況進行研究，和其它空分復用優(yōu)化技術（如雙信道、定向天線）的結(jié)合使用方法研究也有待開展。
參考文獻：
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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”
