無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一種最小化鏈路干擾的載波監(jiān)聽機制設(shè)計

摘要：無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，干擾產(chǎn)生于接收節(jié)點處的接收信號被其他無用信號疊加，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，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)聽機制，該機制根據(jù)鏈路的實際狀況對接收節(jié)點的干擾范圍進(jìn)行計算，進(jìn)而使得發(fā)送節(jié)點調(diào)節(jié)合適的感知門限值，使發(fā)送節(jié)點可以感知到所有干擾節(jié)點，進(jìn)而最小化鏈路干擾。模擬結(jié)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(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的節(jié)點構(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)的多個同時傳輸節(jié)點相互之間的信號作用。因為無線自組織網(wǎng)中的數(shù)據(jù)是通過無線電形式傳播，如果一個正在傳輸?shù)逆溌分車嬖谄渌麩o用的無線電信號，則在此鏈路上造成了干擾，較輕的干擾會造成誤碼率提高，部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失；較重的干擾會造成傳輸失敗，鏈路斷開。產(chǎn)生干擾的節(jié)點處于接收節(jié)點的周圍，其存在的根本原因是發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前無法有效感知到這些干擾節(jié)點。無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的發(fā)送功率無法無限增大，每個節(jié)點的通信距離也根據(jù)自身功率的大小不盡相同，所以，每一個節(jié)點都存在著通訊半徑和干擾半徑。這兩個半徑中，通訊半徑保證了節(jié)點在此范圍內(nèi)能夠接收到信號，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；干擾半徑(din)表示節(jié)點受到干擾的區(qū)域，這一干擾區(qū)域的大小也和周圍節(jié)點的發(fā)送功率有關(guān)。
設(shè)計合理的載波監(jiān)聽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(jiān)聽機制得到了最廣泛的應(yīng)用。載波監(jiān)聽機制規(guī)定：節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先檢測周圍信道的信號強度，如果檢測到的信號強度大于感知門限值(CSth)，則表明此時信道處于繁忙狀態(tài)，節(jié)點進(jìn)入退避過程；如果檢測到的信號強度小于感知門限值，則進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。所以，通過合理設(shè)置載波監(jiān)聽機制中的感知門限值，可以使得發(fā)送節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)之前感知到周圍節(jié)點對接收節(jié)點的干擾，從而判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。載波監(jiān)聽機制中，每個節(jié)點的感知門限值(CSth)對應(yīng)一個感知范圍(Carrier Sense Area)。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用相同的傳輸功率，則感知范圍可以形式化為一個圓，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)聽機制相比，RTS-CTS機制通過RTS-CTS-DATA-ACK四次握手和網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)的設(shè)置實現(xiàn)信道的預(yù)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(jié)點無法將CTS包發(fā)送至周圍所有的干擾節(jié)點；同時，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際情況進(jìn)行發(fā)送距離調(diào)節(jié)。所以，RTS-CTS機制對接收節(jié)點周圍存在的干擾控制能力有限。然而，通過載波監(jiān)聽機制的設(shè)計，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)點感知到所有干擾節(jié)點，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)聽機制。接收節(jié)點首先根據(jù)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(jié)點，使得發(fā)送節(jié)點精確調(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，從而最小化鏈路干擾。

1 干擾模型
本節(jié)內(nèi)容對接收節(jié)點的干擾范圍進(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 干擾半徑計算

如圖1所示，接收節(jié)點r接收到的信號強度Pr隨著發(fā)送節(jié)點s和接收節(jié)點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r處收到發(fā)送節(jié)點s的信號強度為：