無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制設(shè)計(jì)

引言
??? 無(wú)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(wú)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(wú)線自組織網(wǎng)中的數(shù)據(jù)是通過(guò)無(wú)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(wú)用的無(wú)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(kāi)。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(wú)法有效感知到這些干擾節(jié)點(diǎn)。無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率無(wú)法無(wú)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(tīng)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(tīng)機(jī)制得到了最廣泛的應(yīng)用。載波監(jiān)聽(tīng)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(guò)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(guò)合理設(shè)置載波監(jiān)聽(tīng)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(tīng)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(tīng)機(jī)制相比，RTS-CTS機(jī)制通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)載波監(jiān)聽(tīng)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(tīng)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(wèn)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：
???

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)s向接收節(jié)點(diǎn)r發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，位于發(fā)送節(jié)點(diǎn)s的感知范圍之外的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)Ni也試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)s沒(méi)有感知到節(jié)點(diǎn)Ni的存在，便產(chǎn)生了干擾。這樣，s和Ni兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)在接收節(jié)點(diǎn)r處產(chǎn)生疊加。s的信號(hào)能否順利被r所接收，取決于捕獲效應(yīng)(Capture Effect)。對(duì)于捕獲效應(yīng)來(lái)說(shuō)，如果在接收節(jié)點(diǎn)處s產(chǎn)生的信號(hào)比Ni產(chǎn)生的信號(hào)足夠強(qiáng)，那么r將會(huì)順利接收到s發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，Ni產(chǎn)生的虛弱信號(hào)會(huì)被當(dāng)作噪聲加以忽略。本文采用信噪比(SIR)模型描述捕獲效應(yīng)：如果接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度與干擾信號(hào)之比大于一定的門限值β時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)可以成功接收信號(hào)：
???

??? 根據(jù)信噪比模型，本文定義接收節(jié)點(diǎn)r的干擾區(qū)域節(jié)點(diǎn)的集合INr(INr也可以表示接收節(jié)點(diǎn)r的干擾區(qū)域)為：

?

???
???

因此，干擾區(qū)域的半徑din為干擾區(qū)域中din(Ni,r)的最大值，根據(jù)式(3)，同時(shí)，我們?cè)O(shè)定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率相同，有PNi=Ps，得到：

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???
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? 從式(4)可以看出，接收節(jié)點(diǎn)的干擾半徑主要與信噪比門限值和發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離有關(guān)。