喬平安+曹宇

摘要：在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的MAC協(xié)議協(xié)議， IEEE802.11協(xié)議都無(wú)法解決大干擾域所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降，性能降低的問(wèn)題。該文提出一種新的可以動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議，來(lái)緩解此問(wèn)題對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的協(xié)議在吞吐量性能上優(yōu)于其他算法。

關(guān)鍵詞 Adhoc；大干擾域；DBTSA協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）06-0063-02

1概述

目前Adhoc網(wǎng)絡(luò)[1]研究工作中，現(xiàn)有的經(jīng)典MAC協(xié)議[2]，IEEE802.11協(xié)議[3]都無(wú)法解決大干擾域問(wèn)題，造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。為了解決大干擾域問(wèn)題，很多學(xué)者做了研究。文獻(xiàn)[4]中改進(jìn)了一種忙音協(xié)議由于NAV采用CSMA/CA機(jī)制，無(wú)法偵聽(tīng)到傳輸范圍以外的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，因此不能合理地解決大干擾域下隱藏終端的干擾。文獻(xiàn)[5]中，提出了一種固定功率（PFD）協(xié)議，雖然在處理大干擾域下隱藏終端問(wèn)題上有一定的成效，但是由于忙音的發(fā)射功率默認(rèn)為最大值，這就會(huì)產(chǎn)生更多的暴露終端。

本文針對(duì)大干擾域所帶來(lái)的問(wèn)題[6]，在忽略干擾累積只考慮單干擾源的情況下，提出一種可動(dòng)態(tài)感知的忙音協(xié)議DBTSA。DBTSA協(xié)議是基于單干擾源的假設(shè)，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)只考慮一個(gè)節(jié)點(diǎn)的干擾。通信雙方的id通過(guò)忙音的頻率和持續(xù)時(shí)間編碼到忙音信號(hào)中去，其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)忙音信號(hào)得到通信雙方的id信息，這樣就可以確定自己是否在干擾范圍之內(nèi)，然后判斷是否應(yīng)該傳送分組。通過(guò)這種方法就能很好地抑制大干擾域下隱藏節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，在一定程度上有效地提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 DBTSA協(xié)議

2.1 忙音的實(shí)現(xiàn)

一說(shuō)到忙音，人們肯定會(huì)想到打電話時(shí)用戶線路占線。但是，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中忙音是一種正弦信號(hào)，它有著某個(gè)特定的頻率，它與調(diào)制信號(hào)不同之處在于它不能編碼任何信息，只能在某個(gè)頻帶上，通過(guò)能量檢測(cè)的方法被識(shí)別。傳統(tǒng)的控制信號(hào)RTS、CTS只能在傳輸范圍之內(nèi)被識(shí)別，忙音因?yàn)樗嫉膸挿浅Ｐ。沂峭ㄟ^(guò)能量檢測(cè)的方式識(shí)別，所以它在載波偵聽(tīng)范圍之內(nèi)就能被識(shí)別。正因?yàn)槿绱耍σ舯粡V泛地應(yīng)用到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中。

本節(jié)所設(shè)計(jì)的協(xié)議中，忙音是用來(lái)通知其他節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點(diǎn)的id信息以及潛在的干擾源。以此來(lái)降低大干擾域中隱藏節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

在OPNET中我們通過(guò)模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)忙音。節(jié)點(diǎn)通過(guò)忙音的頻率和持續(xù)時(shí)間來(lái)得到收發(fā)雙方的id，并根據(jù)信噪比公式，如式（1）計(jì)算出信噪比。

其中，dr表示干擾節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，dp表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離。這樣，干擾節(jié)點(diǎn)就可以通過(guò)dr與干擾范圍的比較，來(lái)判斷自己是否處于接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍之內(nèi)，確定自己發(fā)送的分組是否會(huì)干擾到接收節(jié)點(diǎn)。干擾范圍由式（2）計(jì)算。其中，SNRth表示初始閾值。

DBTMA協(xié)議[7]利用NAV機(jī)制，來(lái)通知節(jié)點(diǎn)是否能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)處理。信道上每一個(gè)RTS幀，CTS幀都有一個(gè)Duration/ID域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)Duration/ID域來(lái)更新自己的NAV計(jì)數(shù)器，只有當(dāng)計(jì)數(shù)器的值減為0時(shí)，說(shuō)明信道空閑才能開(kāi)始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。但是在一些情況下，節(jié)點(diǎn)的信噪比符合要求時(shí)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送并不會(huì)影響到接收節(jié)點(diǎn)，所以不需要對(duì)自己的NAV計(jì)數(shù)器進(jìn)行更新。例如當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，干擾節(jié)點(diǎn)能偵聽(tīng)到該分組。此時(shí)干擾節(jié)點(diǎn)如果判斷接收節(jié)點(diǎn)的信噪比達(dá)到了閾值的要求，則干擾節(jié)點(diǎn)不用更新NAV，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2協(xié)議設(shè)計(jì)

DBTSA協(xié)議依然利用DBTMA協(xié)議的雙忙音機(jī)制，利用兩個(gè)帶外忙音BTr和BTt來(lái)分別保護(hù)RTS分組和數(shù)據(jù)分組。在此基礎(chǔ)上為了讓其他節(jié)點(diǎn)能夠獲取通信節(jié)點(diǎn)的id信息，利用忙音的頻率以及持續(xù)時(shí)間將節(jié)點(diǎn)id編碼到忙音信號(hào)中，其他節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到忙音信號(hào)后將其解碼，這樣就能獲得通信雙方的id信息。協(xié)議時(shí)序圖如圖1所示。

在協(xié)議中將發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的id信息分別為表示為p和q，那么它們發(fā)送和接收忙音的頻率可以由式（3）和（4）求得：

忙音的持續(xù)時(shí)間可以由式（5）求得：

其中，x代表節(jié)點(diǎn)的id信息，fmin和fmax代表忙音頻帶的最低和最高值，Tmin和Tmax代表持續(xù)時(shí)間的最小值和最大值。

2.3協(xié)議工作過(guò)程

DBTSA協(xié)議工作流程描述如下：假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)A和接收節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信。

1）通信之前節(jié)點(diǎn)A處于空閑狀態(tài)，準(zhǔn)備和節(jié)點(diǎn)B通信時(shí)，進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。

2）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng)，判斷是否有忙音。

3）在一個(gè)DIFS時(shí)間段內(nèi)偵聽(tīng)到信道上沒(méi)有忙音信號(hào)，跳轉(zhuǎn)到第7步。

4）只偵聽(tīng)到信道上有發(fā)送忙音BTt，表示信道正忙，然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)A對(duì)信道進(jìn)行周期性的偵聽(tīng)，一旦偵聽(tīng)到信道空閑跳轉(zhuǎn)到第7步。

5）只偵聽(tīng)到信道上有接收忙音BTr，表示信道中有節(jié)點(diǎn)正在通信，然后節(jié)點(diǎn)A獲取接收忙音BTr的忙音頻率和持續(xù)時(shí)間，計(jì)算得到當(dāng)前通信雙方的id信息，接著計(jì)算出接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍。如果自己處于接收節(jié)點(diǎn)的范圍之內(nèi)，則A退避傳輸，跳轉(zhuǎn)回第2步；如果自己處于接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍之外，則跳轉(zhuǎn)到第7步。

6）同時(shí)偵聽(tīng)到BTr和BTt，則接收節(jié)點(diǎn)A退避傳輸，跳轉(zhuǎn)回第2步。

7）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A向接收節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS控制信號(hào)，同時(shí)打開(kāi)忙音BTr。

8）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A發(fā)送完RTS控制信號(hào)后，進(jìn)入等待狀態(tài)，等待接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS控制信號(hào)。

9）在接收節(jié)點(diǎn)B接收到RTS控制信號(hào)后，偵聽(tīng)周?chē)欠翊嬖诿σ簟?/p>

10）如果在一個(gè)SIFS時(shí)隙內(nèi)偵聽(tīng)到BTr信號(hào)，表示信道有接收節(jié)點(diǎn)正在接收數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B則獲取接收忙音BTr的頻率和持續(xù)時(shí)間，并計(jì)算節(jié)點(diǎn)的干擾范圍，判斷自己是否處在該范圍中。如果處于其中，則丟棄RTS信號(hào)，進(jìn)入退避狀態(tài)；如果不在，則進(jìn)入第11步。

11）接收節(jié)點(diǎn)B向發(fā)送節(jié)點(diǎn)A回復(fù)CTS信號(hào)。

12）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A收到CTS信號(hào)后，關(guān)閉忙音BTt，開(kāi)始向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)DATA。

13）接收節(jié)點(diǎn)B接收數(shù)據(jù)DATA，同時(shí)打開(kāi)接收忙音BTr。

14）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A發(fā)送完數(shù)據(jù)DATA后，等待接收節(jié)點(diǎn)反饋的ACK信號(hào)。

15）接收節(jié)點(diǎn)B接收完畢數(shù)據(jù)DATA后，關(guān)閉接收忙音BTr，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋ACK信號(hào)，自己進(jìn)入空閑狀態(tài)。

16）發(fā)送節(jié)點(diǎn)A接收到反饋的ACK信號(hào)后，自己進(jìn)入空閑狀態(tài)，一次完整的通信結(jié)束。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1仿真環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

在OPNET中對(duì)DBTSA協(xié)議進(jìn)行仿真，定義如下仿真場(chǎng)景。

1）仿真區(qū)域：300m*300m的方形區(qū)域；

2）仿真節(jié)點(diǎn)：20個(gè)隨機(jī)分布在區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，通信時(shí)通信雙方均為隨機(jī)選擇；

3）節(jié)點(diǎn)傳輸范圍：半徑為100m的圓形區(qū)域；

4）節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)范圍：半徑為150m的圓形區(qū)域；

5）信道傳輸速率：2Mbps；

6）數(shù)據(jù)包大?。?500bit；

7）仿真時(shí)間：400s。

3.2結(jié)果分析

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議的性能，選用DBTMA協(xié)議和固定功率（PFD）協(xié)議作為參考對(duì)象，從吞吐量方面進(jìn)行分析。

吞吐量性能：

圖2顯示了在數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率不同時(shí)，DBTMA協(xié)議、DBTSA協(xié)議和PFD協(xié)議的吞吐量情況。由結(jié)果可知，當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率較小時(shí)三種協(xié)議得變化幾乎沒(méi)差別，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)流量慢慢增大，DBTSA協(xié)議和PFD協(xié)議的吞吐量顯然好于DBTMA協(xié)議。DBTSA協(xié)議在吞吐量方面的改善也好于PFD，在一定程度上彌補(bǔ)了降低DATA沖突不如PFD的不足，它適當(dāng)降低了網(wǎng)絡(luò)中暴露終端的出現(xiàn)幾率，增加了節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的利用，提高了吞吐量。但是PFD協(xié)議利用最大功率發(fā)送忙音，使得干擾范圍以外的節(jié)點(diǎn)仍然不能同時(shí)對(duì)信道利用，加大了暴露終端出現(xiàn)的幾率，在一定程度降低了吞吐量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種新的可以動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議，對(duì)于大干擾域所帶來(lái)的問(wèn)題，本文提出的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)性能吞吐量方面優(yōu)于其他協(xié)議。

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