無(wú)線(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò )一種最小化鏈路干擾的載波監聽(tīng)機制設計

摘要：無(wú)線(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò )中，干擾產(chǎn)生于接收節點(diǎn)處的接收信號被其他無(wú)用信號疊加，干擾問(wèn)題嚴重影響接收端解碼信息的能力，導致數據包沖突和重傳的增加。如何最小化鏈路干擾，減少數據包沖突概率，是提高網(wǎng)絡(luò )性能的關(guān)鍵。MAC協(xié)議中，合理的載波監聽(tīng)機制是減小鏈路干擾的有效方式之一，通過(guò)合適的感知門(mén)限設計，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聽(tīng)機制，該機制根據鏈路的實(shí)際狀況對接收節點(diǎn)的干擾范圍進(jìn)行計算，進(jìn)而使得發(fā)送節點(diǎn)調節合適的感知門(mén)限值，使發(fā)送節點(diǎn)可以感知到所有干擾節點(diǎn)，進(jìn)而最小化鏈路干擾。模擬結果顯示，本文提出的機制能有效地提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量，最小化數據包沖突概率和鏈路中存在的干擾。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò )；干擾；沖突；載波監聽(tīng)

0 引言
無(wú)線(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò )是由一組可以自由移動(dòng)的節點(diǎn)構成的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，又稱(chēng)自組織網(wǎng)和多跳網(wǎng)。干擾產(chǎn)生于同一空間內的多個(gè)同時(shí)傳輸節點(diǎn)相互之間的信號作用。因為無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)中的數據是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電形式傳播，如果一個(gè)正在傳輸的鏈路周?chē)嬖谄渌麩o(wú)用的無(wú)線(xiàn)電信號，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，部分數據包丟失；較重的干擾會(huì )造成傳輸失敗，鏈路斷開(kāi)。產(chǎn)生干擾的節點(diǎn)處于接收節點(diǎn)的周?chē)?，其存在的根本原因是發(fā)送節點(diǎn)在發(fā)送數據之前無(wú)法有效感知到這些干擾節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的發(fā)送功率無(wú)法無(wú)限增大，每個(gè)節點(diǎn)的通信距離也根據自身功率的大小不盡相同，所以，每一個(gè)節點(diǎn)都存在著(zhù)通訊半徑和干擾半徑。這兩個(gè)半徑中，通訊半徑保證了節點(diǎn)在此范圍內能夠接收到信號，如果干擾值被控制在一定范圍之內，則可以正確接收信號；干擾半徑(din)表示節點(diǎn)受到干擾的區域，這一干擾區域的大小也和周?chē)濣c(diǎn)的發(fā)送功率有關(guān)。
設計合理的載波監聽(tīng)機制是降低干擾的有效途徑之一。其中，基于IEEE 802．11協(xié)議的載波監聽(tīng)機制得到了最廣泛的應用。載波監聽(tīng)機制規定：節點(diǎn)在發(fā)送數據之前，首先檢測周?chē)诺赖男盘枏姸?，如果檢測到的信號強度大于感知門(mén)限值(CSth)，則表明此時(shí)信道處于繁忙狀態(tài)，節點(diǎn)進(jìn)入退避過(guò)程；如果檢測到的信號強度小于感知門(mén)限值，則進(jìn)行數據發(fā)送。所以，通過(guò)合理設置載波監聽(tīng)機制中的感知門(mén)限值，可以使得發(fā)送節點(diǎn)在傳輸數據之前感知到周?chē)濣c(diǎn)對接收節點(diǎn)的干擾，從而判斷是否進(jìn)行數據的發(fā)送。載波監聽(tīng)機制中，每個(gè)節點(diǎn)的感知門(mén)限值(CSth)對應一個(gè)感知范圍(Carrier Sense Area)。如果網(wǎng)絡(luò )中的節點(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。
與載波監聽(tīng)機制相比，RTS-CTS機制通過(guò)RTS-CTS-DATA-ACK四次握手和網(wǎng)絡(luò )分配向量(NAV)的設置實(shí)現信道的預置和占用。但是，RTS-CTS機制因為控制包的發(fā)送范圍有限，接收節點(diǎn)無(wú)法將CTS包發(fā)送至周?chē)械母蓴_節點(diǎn)；同時(shí)，RTS／CTS控制包發(fā)送范圍固定，無(wú)法根據干擾范圍和鏈路的實(shí)際情況進(jìn)行發(fā)送距離調節。所以，RTS-CTS機制對接收節點(diǎn)周?chē)嬖诘母蓴_控制能力有限。然而，通過(guò)載波監聽(tīng)機制的設計，可以根據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)送節點(diǎn)感知到所有干擾節點(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聽(tīng)機制。接收節點(diǎn)首先根據鏈路狀態(tài)對其干擾范圍進(jìn)行計算；再將計算值反饋給發(fā)送節點(diǎn)，使得發(fā)送節點(diǎn)精確調節自身感知門(mén)限使其可以感知到鏈路周?chē)械母蓴_節點(diǎn)，從而最小化鏈路干擾。

1 干擾模型
本節內容對接收節點(diǎn)的干擾范圍進(jìn)行形式化描述并計算干擾半徑，進(jìn)而考慮干擾信號的累加問(wèn)題，進(jìn)一步得到修正后的干擾半徑。本節所提出的干擾模型，與傳統干擾模型相比更為精確。
1. 1 干擾半徑計算

如圖1所示，接收節點(diǎn)r接收到的信號強度Pr隨著(zhù)發(fā)送節點(diǎn)s和接收節點(diǎn)r之間的距離d的增大而減小，隨著(zhù)距離d的減小而增大。Ps定義為發(fā)送節點(diǎn)s的發(fā)送功率，g是天線(xiàn)增益，a是路徑衰減指數(Path Loss Exponent)，這一指數通常選擇2到4之間的整數。所以，在接收節點(diǎn)r處收到發(fā)送節點(diǎn)s的信號強度為：