路由特性對IEEE 802.11 DCF多跳網(wǎng)絡(luò )容量的影響
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對于A(yíng)d Hoc或傳感器網(wǎng)絡(luò )這樣的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，信源節點(diǎn)與信宿節點(diǎn)通常不在對方的傳輸覆蓋范圍內，因此在傳送信息時(shí)需要經(jīng)過(guò)中間節點(diǎn)的轉發(fā)。在轉發(fā)過(guò)程中，對路由的選擇可以有兩種策略：短跳路由策略，即數據轉發(fā)過(guò)程使用由多個(gè)短距離鏈路組成的路由；長(cháng)跳路由策略，即數據轉發(fā)過(guò)程使用由少量的長(cháng)距離鏈路組成的路由。
不同路由策略對網(wǎng)絡(luò )傳輸容量帶來(lái)的影響是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。對此，一些研究給出了不同的觀(guān)點(diǎn)。文獻[1]認為在一個(gè)干擾受限的網(wǎng)絡(luò )中，每跳的距離越短，網(wǎng)絡(luò )的傳輸容量越高。文獻[2-4]則從分析網(wǎng)絡(luò )干擾的角度，研究了長(cháng)跳／短跳路由問(wèn)題，認為網(wǎng)絡(luò )中可能存在一個(gè)最佳的傳輸半徑設置，能夠使網(wǎng)絡(luò )的容量達到最大。盡管這些文獻的觀(guān)點(diǎn)并不相同，但是它們之間并不存在直接的對立，原因是它們所假設的網(wǎng)絡(luò )條件不同(其中，最主要的是網(wǎng)絡(luò )中MAC協(xié)議的差別)。筆者認為，對于網(wǎng)絡(luò )性能所進(jìn)行的分析應根據實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )條件來(lái)進(jìn)行，不存在普遍適用的準則。
在多跳網(wǎng)絡(luò )中，路由協(xié)議和MAC協(xié)議的互動(dòng)會(huì )對網(wǎng)絡(luò )性能產(chǎn)生很大的影響，因此將這兩個(gè)層次的技術(shù)結合起來(lái)進(jìn)行性能分析是必要的。近年來(lái)，IEEE 802.11已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中一個(gè)主要的國際標準，其中基本的接入機制是分布式協(xié)調功能(DCF)。隨著(zhù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在軍事、商業(yè)等領(lǐng)域的應用，IEEE 802.11DCF作為主流接入協(xié)議之一受到了更多關(guān)注，因此本文研究的多跳網(wǎng)絡(luò )則基于這種MAC協(xié)議。使用數學(xué)分析方法，研究了在IEEE 802.11 DCF多跳網(wǎng)絡(luò )中，路由策略和節點(diǎn)傳輸半徑設置對網(wǎng)絡(luò )容量的影響問(wèn)題。
1 路由特性對多跳網(wǎng)絡(luò )容量的影響
在多跳網(wǎng)絡(luò )中主要有兩種不同的因素會(huì )對最終生成的路由長(cháng)跳／短跳特性產(chǎn)生影響：
(1)節點(diǎn)功率(傳輸半徑)設置的影響
如果節點(diǎn)功率設置較低，傳輸距離較短，必然會(huì )造成傳輸路由為短跳路由。這會(huì )對網(wǎng)絡(luò )容量帶來(lái)雙重影響，有利的方面包括：小的傳輸距離意味著(zhù)信道的空間復用能力提高，網(wǎng)絡(luò )中可以有更多的傳輸同時(shí)發(fā)生；節點(diǎn)傳輸范圍內的平均鄰節點(diǎn)減少，由于分組碰撞而導致傳輸失敗的概率減小。不利的方面則是：分組需要更多的跳數才能到達最終的目的節點(diǎn)，傳輸過(guò)程中出現失敗而丟棄分組的概率增加；為完成同樣數量的端到端業(yè)務(wù)傳輸，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的平均轉發(fā)次數增加，致使網(wǎng)絡(luò )內部更加繁忙。這在一定程度上抵消了由于空間復用能力增加而帶來(lái)的好處。如果節點(diǎn)功率設置較高則情況相反。
(2)路由策略的影響
在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)功率設置確定的情況下，不同的路由策略也會(huì )造成最終生成的路由特性不同。倘若發(fā)送節點(diǎn)使用的路由協(xié)議(或策略)傾向于選擇距離自己近的鄰節點(diǎn)作為下一跳的轉發(fā)節點(diǎn)，則最終生成的路由必然是短跳路由。反之，則會(huì )導致長(cháng)跳路由。
路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )性能的影響可參照圖1來(lái)說(shuō)明：在多跳網(wǎng)絡(luò )中，基于載波監聽(tīng)的MAC協(xié)議(如：IEEE 802.11 DCF)都需要面對隱藏終端問(wèn)題。當節點(diǎn)S發(fā)起傳輸后，處于節點(diǎn)D獨占區(用B(S，D)表示)的節點(diǎn)無(wú)法監聽(tīng)到節點(diǎn)S的信號，因此可能在此次傳輸進(jìn)行期間發(fā)起新的干擾傳輸，造成S，D之間傳輸失敗。顯然，B(S，D)區域的面積越大，隱藏終端的數量越多，傳輸失敗概率也就越大。然而，B(S，D)區域的面積大小則受到路由策略的影響。
基于以上原因，在多跳網(wǎng)絡(luò )中，對于MAC層性能的研究應結合特定的路由策略以及功率控制方案來(lái)進(jìn)行才更有意義。此外，雖然路由策略和節點(diǎn)功率設置都可能造成路由的短跳／長(cháng)跳特性變化，但是這兩種因素對網(wǎng)絡(luò )性能的影響機制是有差別的。例如：當節點(diǎn)的發(fā)送功率確定時(shí)，改變路由策略可以造成路由長(cháng)跳、短跳的特性不同，但通常對網(wǎng)絡(luò )中信道的空間復用能力沒(méi)有影響。在進(jìn)行研究時(shí)，應該對這兩種因素的影響進(jìn)行區分。
本文所進(jìn)行的研究，基于如下的網(wǎng)絡(luò )條件假設：
(1)網(wǎng)絡(luò )范圍無(wú)限大，忽略邊際效應的影響；
(2)節點(diǎn)依照密度為λ的2維泊松點(diǎn)過(guò)程分布；
(3)MAC層接入協(xié)議使用IEEE 802.11 DCF；
(4)網(wǎng)絡(luò )處于飽和條件下，每個(gè)節點(diǎn)在任何時(shí)候都有等待發(fā)送的分組；
(5)業(yè)務(wù)均勻，每個(gè)節點(diǎn)等概率地向其他所有節點(diǎn)發(fā)送，且業(yè)務(wù)量相同；
(6)所有節點(diǎn)擁有相同的傳輸半徑R，節點(diǎn)的平均鄰節點(diǎn)數量為n=λπR2；
(7)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用相同的路由協(xié)議，不考慮多種路由策略混合使用的問(wèn)題。
一些研究多跳網(wǎng)絡(luò )的工作中，使用節點(diǎn)的(一跳)吞吐量作為衡量網(wǎng)絡(luò )性能的尺度。然而這一個(gè)適用于WLAN的指標，無(wú)法反應出多跳網(wǎng)絡(luò )中的一些特性。在文獻[2，3]中，使用了平均發(fā)送前進(jìn)量為指標來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò )性能，較好地解決了這一問(wèn)題。但由于這些文獻是針對slotted ALOHA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )，其定義平均發(fā)送前進(jìn)量時(shí)用到的時(shí)隙概念并不適合IEEE 802.11 DCF的實(shí)際情況。因此，本文重新定義平均前進(jìn)量為：在單位時(shí)間內，一個(gè)節點(diǎn)能夠成功發(fā)送的分組數量與這些分組在前進(jìn)方向上前進(jìn)距離之積的期望值。該指標綜合考慮了傳輸距離與傳輸成功率之間的折衷問(wèn)題，顯然該值越大，表明網(wǎng)絡(luò )承載業(yè)務(wù)的能力越強。
2 數學(xué)分析模型描述
自從提出IEEE 802.11以來(lái)，對它的性能分析成為了研究焦點(diǎn)。其中，文獻[7]開(kāi)創(chuàng )性地使用基于Markov鏈的模型來(lái)描述[EEE 802.11 DCF所有的指數退避協(xié)議細節，構造單跳、全連通網(wǎng)絡(luò )下的協(xié)議分析模型。由于該模型具有很好的結構和精確性，使得其后很多關(guān)于WLAN網(wǎng)絡(luò )的研究主要基于該模型，并且產(chǎn)生了很多改進(jìn)和變型的分析模型。
文獻[10]在文獻[7]的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，考慮了多跳環(huán)境下節點(diǎn)的空間分布、隱藏終端、空間復用等因素對分組傳輸成功概率的影響，使得該模型能夠被用于進(jìn)行多跳網(wǎng)絡(luò )。本文在該模型基礎上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )容量分析。該模型最終可表達為一個(gè)方程組，對其求解后可得到所有變量值，其中包括：變量τ，表示網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在一個(gè)空閑時(shí)隙內發(fā)送分組的概率；變量p，表示發(fā)送分組失敗的概率；變量σ，表示網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)監測到一次空閑時(shí)隙的平均時(shí)間間隔。模型推導過(guò)程不是本文主題，不再詳述，僅解釋其中與本文研究目標相關(guān)的幾個(gè)重要控制參數(Γ，Λ1，Λ2)的物理意義。
如圖2所示，文獻[10]把接收節點(diǎn)的干擾區域中沒(méi)有與發(fā)送節點(diǎn)干擾區域(即傳輸覆蓋范圍內)相交的部分稱(chēng)為“接收節點(diǎn)獨占區”(簡(jiǎn)稱(chēng)B區域)，定義接收節點(diǎn)獨占區中節點(diǎn)平均數量與干擾區域中鄰節點(diǎn)總數之比為Γ。此外，文獻[10]還定義了Λ1，表示在接收獨占區域中任選一個(gè)節點(diǎn)的干擾區內，與發(fā)送節點(diǎn)S干擾區不相交部分的面積，相對于整個(gè)干擾區面積進(jìn)行歸一化的期望值；定義了Λ2，表示在接收獨占區域中任選一個(gè)節點(diǎn)的干擾區中，與接收節點(diǎn)D干擾區不相交部分的面積歸一化期望值?？梢钥闯?，分析模型中引入的幾個(gè)控制參數取值與網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)分布特性和網(wǎng)絡(luò )中采用的路由策略有關(guān)。由于文獻[10]中沒(méi)有給出這些控制參數的推導方法和表達式，本文首先對這方面的工作進(jìn)行了補充。
3 分析模型控制參數與路由策略的關(guān)系
由于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中實(shí)際的路由協(xié)議很難使用數學(xué)方法進(jìn)行描述，因此本文中采用了四種不同風(fēng)格的路由策略代替實(shí)際的路由協(xié)議。
第一種路由策略是MFR(Most Forward withFixed Radius R)：在此策略下，當前發(fā)送節點(diǎn)在轉發(fā)分組的時(shí)候，會(huì )選擇在自己傳輸范圍內，能在分組前進(jìn)方向上造成最大前進(jìn)距離的鄰節點(diǎn)作為自己的下一跳轉發(fā)節點(diǎn)。
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