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(hào)被其他無用信號(hào)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(duì)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(hào)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(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。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(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(cè)周圍信道的信號(hào)強(qiáng)度，如果檢測(cè)到的信號(hào)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(cè)到的信號(hào)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(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)聽機(jī)制中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知門限值(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(duì)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(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(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：