果 穎

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 300132)

目前802.11網(wǎng)卡上的載波偵聽閾值是不可調(diào)的,如果能靈活設(shè)置網(wǎng)卡的載波偵聽閾值,有望提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率?，F(xiàn)有APCS、DSB以及PRC三個(gè)自適應(yīng)調(diào)整載波偵聽預(yù)知、功率和速率的分布式算法。以下就現(xiàn)有的幾個(gè)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量的算法進(jìn)行研究。

一.APCS(A dap ting Physical Carrier Sensing)算法

該算法假定每條鏈路使用相同的傳輸速率,即相同的SINR閾值S0,每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用相同的功率。算法的基本思想是:如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)SINR值較高,即使在該節(jié)點(diǎn)周圍有較多的干擾傳輸仍有可能成功地向自己的鄰節(jié)點(diǎn)傳輸。因此提高載波偵聽閾值后,發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以成功傳輸。提高載波偵聽閾值后在一定程度上避免了暴露節(jié)點(diǎn)的影響,提高了網(wǎng)絡(luò)的空間重用。反之,如果鄰節(jié)點(diǎn)的SINR值較低,節(jié)點(diǎn)通過減小載波偵聽閾值進(jìn)行退避,以避免進(jìn)一步加劇對(duì)周圍的傳輸?shù)母蓴_。算法從最小的載波偵聽閾值(背景噪聲強(qiáng)度)開始(這時(shí)不允許任何空間重用)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式地、周期性的、根據(jù)測(cè)量到的SINR,調(diào)整自己的載波偵聽閾值。仿真試驗(yàn)表明算法達(dá)到了一定的效果。

APCS算法通過提高載波偵聽閾值,減小了并發(fā)傳輸之間的距離,提高了空間重用,但是這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)總體的干擾級(jí)別的增加,使SINR值降低。又由于APCS算法使用固定的傳輸速率,當(dāng)SINR下降到一定程度,滿足不了閾值S0的要求時(shí),鏈路便會(huì)斷開。

二.PRC(Power and Rate Control)算法

美國伊利諾伊大學(xué)厄本那香檳分校的 Kim等人提出的 PRC算法假定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)不變的載波偵聽閾值,企圖通過改變節(jié)點(diǎn)的傳輸功率,自適應(yīng)地調(diào)整比值 Ptx/Tcs以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的容量。PRC算法的基本思想是:在保證不影響其他節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸?shù)那疤嵯?盡量使用較高的功率和速率傳輸,以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的總吞吐率。PRC算法允許網(wǎng)絡(luò)中的鏈路使用不同的速率傳輸,以適應(yīng)不同的SIN R值,控制的更為細(xì)致。每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己測(cè)量到的本節(jié)點(diǎn)周圍的信號(hào)強(qiáng)度,計(jì)算在不影響其他傳輸?shù)那疤嵯履苁褂玫淖畲蟀l(fā)送功率;再根據(jù)到接收節(jié)點(diǎn)的距離和反饋的接收方干擾強(qiáng)度選擇能速率。另外,如果在所選擇的傳輸速率下,節(jié)點(diǎn)降低發(fā)送功率仍然可以保證成功傳輸,則降低發(fā)送功率,以減少對(duì)其他傳輸?shù)母蓴_。算法在找不到可以使用的傳輸速率時(shí),也就是以最小傳輸速率都不能保證正確接收時(shí)則放棄這個(gè)傳輸。

在PRC算法中暴露節(jié)點(diǎn)不能通過提高載波偵聽閾值來主動(dòng)爭取傳輸機(jī)會(huì),只能被動(dòng)等待其他節(jié)點(diǎn)降低傳輸功率或結(jié)束傳輸后偵聽到的信號(hào)強(qiáng)度低于載波偵聽預(yù)知才能啟動(dòng)傳輸。算法比較保守。

三.DSB(Distributed Space Backoff)算法

在無線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)成功的無線傳輸都要求在包含這個(gè)傳輸?shù)囊粋€(gè)空間區(qū)域內(nèi)無其他的傳輸,DSB算法將這一區(qū)域定義為競爭區(qū)域(contending region)。以不同的速率進(jìn)行傳輸對(duì)競爭區(qū)域范圍的需求是不同,高速率要求較大的競爭區(qū)域,低速率要求較小的競爭區(qū)域。DSB算法稱縮小傳輸占據(jù)的競爭區(qū)域?yàn)榭臻g退避(space backoff)。位于不同競爭區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)可以并發(fā)傳輸,只要能夠滿足 SINR的要求,就可以成功接收。所以,節(jié)點(diǎn)可以通過改變傳輸速率適應(yīng)不同競爭區(qū)域的大小。如圖1所示,空間中節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)分布。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為三個(gè)競爭區(qū)域,分別對(duì)應(yīng)傳輸A->C、H->I、F->G,這三個(gè)傳輸位于不同的空間區(qū)域可以并發(fā)進(jìn)行,只要接收到得信號(hào)強(qiáng)度大于 SINR就可以成功接收。而節(jié)點(diǎn)A、B、E、D位于同一競爭區(qū)域而不能同時(shí)傳輸。

在DSB算法中,節(jié)點(diǎn)使用相同的功率進(jìn)行傳輸,而調(diào)整節(jié)點(diǎn)使用的載波偵聽閾值和傳輸速率。開始時(shí)所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)使用最小的速率和最大的載波偵聽閾值競爭所需的空間區(qū)域。成功的傳輸將不斷提高自己的傳輸速率,以獲得更大的吞吐率。失敗的傳輸降低使用的載波偵聽閾值來減小冰法的鏈路數(shù)目,降低對(duì)傳輸?shù)母蓴_,期望能在高速率上傳輸成功。當(dāng)載波偵聽閾值降到 Tcs=PR/S0時(shí),當(dāng)傳輸仍然失敗則認(rèn)為接收方的噪聲加干擾強(qiáng)度或SINR不能支持這一傳輸速率,這時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)采取空間退避策略而降低自己的傳輸速率。當(dāng)降到最低速率,載波偵聽閾值也降到最低時(shí)仍不能成功傳輸,則放棄該傳輸。

這種算法的主要缺點(diǎn)是:第一,DSB算法的調(diào)整規(guī)則:當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)貪心地以較高的載波偵聽閾值和速率傳輸失敗時(shí),節(jié)點(diǎn)降低載波偵聽閾值繼續(xù)以高速率傳輸。規(guī)則建立在網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)也同時(shí)降低載波偵聽閾值的假設(shè)下,但對(duì)于分式算法這條規(guī)則實(shí)際上可能起不到作用。結(jié)果那些空間位置比較有優(yōu)勢(shì)的鏈路能夠長時(shí)期以高載波偵聽閾值和高速率進(jìn)行傳輸,而其他節(jié)點(diǎn)會(huì)因不斷受到這些鏈路傳輸?shù)母蓴_而降低閾值和速率,甚至不能得到吞吐率。第二,下調(diào)載波偵聽閾值調(diào)整的下限為PR/S0,當(dāng) PR/S0取載波偵聽閾值時(shí),對(duì)應(yīng)的載波偵聽距離等于干擾半徑。如圖2所示,C不在以A為圓心以干擾半徑為半徑的圓內(nèi),所以A-B B的傳輸可以啟動(dòng),但C在B的干擾范圍內(nèi),導(dǎo)致傳輸失敗。因?yàn)镈SB算法將載波偵聽閾值 Tcs作為接收節(jié)點(diǎn)的噪聲加干擾的估計(jì)值,所以節(jié)點(diǎn)A將認(rèn)為接收節(jié)點(diǎn)所處的接收條件太差而放棄傳輸。實(shí)際上如果A和C均使用較小的載波偵聽閾值,使得彼此都能感知到對(duì)方,它們可以通過802.11DCF協(xié)調(diào)地進(jìn)行傳輸。DSB為了爭取更多的空間重用采取了過于貪心的載波偵聽閾值。

在如圖 3所示的有50條鏈路的隨機(jī)場(chǎng)景中用DSB算法和 PRC算法分別得到如下結(jié)果:

圖1 競爭區(qū)域

圖2 干擾半徑作為載波偵聽閾值

圖3 50條流隨機(jī)場(chǎng)景

兩種算法都有一多半的鏈路得不到吞吐率。兩種算法都沒能很好解決空間位置沒有優(yōu)勢(shì)的鏈路的傳輸問題,使網(wǎng)絡(luò)吞吐率的分布很不平衡。

究其原因DSB算法和PRC算法都是站在單一鏈路的角度來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的空間重用和聚集吞吐率,而忽略了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)按空間位置存在一定的分簇結(jié)構(gòu):網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)按空間位置的接近程度可以近似劃分成多個(gè)組,組內(nèi)的鏈路往往不適于并發(fā)傳輸,應(yīng)該分享通道,而組間的鏈路適合并發(fā)傳輸。在出現(xiàn)隱蔽節(jié)點(diǎn)時(shí),可以通過改變傳輸功率將其合并到某個(gè)組中。每個(gè)組內(nèi)有自己優(yōu)化的傳輸功率,載波偵聽閾值和速率設(shè)置。結(jié)果兩種貪心策略都傾向于讓那些空間位置較有優(yōu)勢(shì)的鏈路獲得較大的吞吐率,而其他鏈路因受到較大干擾的影響而得不到吞吐率。

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