基于無線網(wǎng)絡(luò)的信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制研究

肖衡++潘玉霞++龍草芳

摘 要：該文主要針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)使用信道，產(chǎn)生的時(shí)間開銷大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，沖突概率這一問題，提出了基于頻域競(jìng)爭(zhēng)的信道訪問機(jī)制。首先采用正交頻分復(fù)用OFDM進(jìn)行頻域競(jìng)爭(zhēng)，通過產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)向量，生成控制報(bào)文。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送控制報(bào)文競(jìng)爭(zhēng)信道的同時(shí)，也接收其他節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，檢測(cè)所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量，競(jìng)爭(zhēng)向量最小且惟一的節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)。

關(guān)鍵詞：頻域競(jìng)爭(zhēng) 競(jìng)爭(zhēng)向量 控制報(bào)文 偵聽信道

中圖分類號(hào)：TP193 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（a）-0083-03

無線網(wǎng)絡(luò)因其靈活性和移動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)，不受時(shí)間、空間、線纜的限制，在生活和工作各方面都得以廣泛應(yīng)用。IEEE制定了關(guān)于無線接入技術(shù)的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，包括801.11、802.11b、801.11a、802.11g、801.11n等。802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)如何構(gòu)建無線網(wǎng)局域網(wǎng)、如何選擇頻段、如何實(shí)現(xiàn)MAC層信道共享等方面提供了一系列的技術(shù)建議。無線網(wǎng)絡(luò)的性能受多方面影響，特別是信道競(jìng)爭(zhēng)的效率。多個(gè)節(jié)點(diǎn)接入同一個(gè)信道，競(jìng)爭(zhēng)使用信道，如何保證接入的有效性，如何協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間，達(dá)到高效利用信道資源目標(biāo)，這是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在研究改進(jìn)的一個(gè)方向。

對(duì)于信道競(jìng)爭(zhēng)使用，避免信號(hào)沖突，802.11標(biāo)準(zhǔn)采用是的基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)退避算法，使用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）協(xié)議和分布式協(xié)調(diào)協(xié)議DCF（Distributed Coordination Function）。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，先檢測(cè)信道，若信道閑，則等待分布式幀間間隙DIFS（DCF Inter-frame Space）后，再次檢測(cè)信道，在0～退避窗口CW（Contention Window）之間選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙（Random Backoff time），發(fā)送請(qǐng)求傳送報(bào)文RTS（Request To Send）。收到接收端的回應(yīng)報(bào)文CTS（Clear To Send）后開始數(shù)據(jù)傳輸。在RTS和CTS的信息包中，包含了目標(biāo)地址、預(yù)計(jì)傳輸時(shí)長(zhǎng)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，與發(fā)送切點(diǎn)同網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)停止時(shí)隙計(jì)數(shù)，直到預(yù)計(jì)傳輸時(shí)間結(jié)束。

而這種時(shí)隙退避算法中，在退避的時(shí)隙中，信道處于是空閑狀態(tài)，信道資源并未被利用，造成了浪費(fèi)。而多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，數(shù)據(jù)碰撞的概率就會(huì)大幅增高，造成大量數(shù)據(jù)重傳，系統(tǒng)吞吐量也將隨之降低。特別是近幾年網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)呈指數(shù)上升，產(chǎn)生沖突的概率越來越大。無線傳輸速率從最早的1 Mbps發(fā)展到現(xiàn)在的1 Gbps，增長(zhǎng)速度翻了近千倍，但是從無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量只是從0.6 Mb/s增長(zhǎng)到56.7 Mb/s，增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳輸速度?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)的信號(hào)沖突對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響極大。

為改進(jìn)退避算法，減少信號(hào)沖突，提高信道利用率，該文在詳細(xì)分析退避算法的基礎(chǔ)上，研究利用基于頻域競(jìng)爭(zhēng)信道的無線傳輸機(jī)制，即使用正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）來傳遞競(jìng)爭(zhēng)信息，用一個(gè)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)信道競(jìng)爭(zhēng)。節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，偵聽天線先檢測(cè)信道是否空閑，當(dāng)信道空閑時(shí)，等待DIFS時(shí)長(zhǎng)，繼續(xù)偵聽，生成競(jìng)爭(zhēng)向量（Contention Vector），發(fā)送用于頻域競(jìng)爭(zhēng)的OFDM符號(hào)，競(jìng)爭(zhēng)成功則發(fā)送數(shù)據(jù)，失敗則繼續(xù)等待DIFS，再偵聽信道。

1 頻域競(jìng)爭(zhēng)

當(dāng)無線網(wǎng)規(guī)模增大，接入節(jié)點(diǎn)越來越多，信號(hào)沖突頻繁出現(xiàn)，為減少信道競(jìng)爭(zhēng)開銷，在傳輸數(shù)據(jù)前，先利用正交頻分復(fù)用OFDM衍生出多個(gè)頻域空間，一個(gè)頻域即一個(gè)子載波。將子載波又分為兩種，一種用于信道競(jìng)爭(zhēng)，一種用于信息收集。

頻域競(jìng)爭(zhēng)基本思想是：節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道，偵聽發(fā)現(xiàn)信道空閑狀態(tài)持續(xù)DIFS后，生成相應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)向量序列，用于頻域競(jìng)爭(zhēng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備了多個(gè)天線，用一根來發(fā)送控制報(bào)文，傳輸競(jìng)爭(zhēng)向量，其余的用來接收當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文。節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，試圖找出其他節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量。如果有不可檢測(cè)出的競(jìng)爭(zhēng)向量，則表示信號(hào)沖突，節(jié)點(diǎn)退出競(jìng)爭(zhēng)。否則判斷自己是否競(jìng)爭(zhēng)成功，輸出競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。

與802.11中通過時(shí)域傳遞信息，由退避窗口體現(xiàn)優(yōu)先級(jí)這類方法相比，這種基于頻域競(jìng)爭(zhēng)方式能有效地降低沖突概率。由于所有節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)信息在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行交換，加速了競(jìng)爭(zhēng)過程，與傳統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)使用不同的退避窗口相比，用于競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間大幅減少。

2 競(jìng)爭(zhēng)向量

競(jìng)爭(zhēng)向量相當(dāng)于802.11協(xié)議的隨機(jī)退避窗口，在每次競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)都會(huì)重新生成。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)上有M個(gè)節(jié)點(diǎn)等待時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，OFDM分為n個(gè)子載波，子載波分信息子載波和競(jìng)爭(zhēng)子載波兩種。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備多根天線，天線均為全雙工傳輸，用于偵聽信道上其它節(jié)點(diǎn)的行為，以及聲明自身節(jié)點(diǎn)的傳輸需求與優(yōu)先級(jí)別。每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)偽隨機(jī)序列作為特征序列來檢測(cè)信道，不同節(jié)點(diǎn)其特征序列也各不相同。對(duì)于存在（Access point， AP）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，PN序列可在初始時(shí)AP統(tǒng)一分配。

競(jìng)爭(zhēng)向量是一串長(zhǎng)度為n的二進(jìn)制序列，第k位的值由節(jié)點(diǎn)在第k個(gè)子載波的傳輸行為決定，若為1，則該節(jié)點(diǎn)在第k個(gè)子載波傳輸特征序列Ci，若為0，則該節(jié)點(diǎn)在第K個(gè)子載波上靜默。當(dāng)?shù)趉位上同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)1，則表示有多個(gè)特征序列在傳輸，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)沖突。沖突嚴(yán)重時(shí)，特征序列檢測(cè)的結(jié)果就不再可靠。因而需設(shè)置一個(gè)參數(shù)來限制每個(gè)子載波上特征序列的數(shù)量，我們稱這個(gè)參數(shù)為接入概率因子，其值在[0，1]之間固定。

競(jìng)爭(zhēng)向量生成規(guī)則：節(jié)點(diǎn)Mi有數(shù)據(jù)待發(fā)送，偵聽到信道空閑，等待DIFS后，對(duì)第k位元素，節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)[0，1）之間的隨機(jī)數(shù)pi[k]，若該數(shù)小于p，則競(jìng)爭(zhēng)向量第k位的值為1，否則值為0。即

If pi[k]<=p，CVi[k]=1，else CVi[k]=0

控制報(bào)文根據(jù)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量和相應(yīng)子載波的頻率生成。由競(jìng)爭(zhēng)向量與每個(gè)子載波相應(yīng)載頻的標(biāo)準(zhǔn)正交基累加結(jié)果結(jié)合后得到控制報(bào)文。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交基e^（i2πft）與載頻存在線性函數(shù)關(guān)系，由傅立葉變換，可將信號(hào)分解到各個(gè)頻率中去。若節(jié)點(diǎn)Mi的競(jìng)爭(zhēng)向量CVi，第k個(gè)子載波的頻率fk，它的控制報(bào)文則為：

3 競(jìng)爭(zhēng)策略

由于節(jié)點(diǎn)接收到的是所有其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文的疊加，對(duì)某個(gè)競(jìng)爭(zhēng)向量檢測(cè)時(shí)，均要受其他節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文帶來的干擾。為保證檢測(cè)結(jié)果魯棒性，先對(duì)控制報(bào)文進(jìn)行共軛運(yùn)算，再與相應(yīng)子載波接收到的疊加控制報(bào)文進(jìn)行連接運(yùn)算。值趨于0則表示當(dāng)前子載波競(jìng)爭(zhēng)向量位的值為0，出現(xiàn)峰值，則為1。

對(duì)于檢測(cè)出來的結(jié)果先進(jìn)行判斷，先看是否有無法檢測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)向量，若有，則直接退出競(jìng)爭(zhēng)。若均能檢測(cè)出來，則判斷競(jìng)爭(zhēng)向量的大小，若自身競(jìng)爭(zhēng)向量不是最小的，則表示競(jìng)爭(zhēng)失敗。若是最小的，再判斷自身競(jìng)爭(zhēng)向量是否惟一，若與其它節(jié)點(diǎn)的值相同，也表示競(jìng)爭(zhēng)失敗。若是值惟一并且值最小，則表示該節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功，獲得信道使用時(shí)隙。

假定網(wǎng)絡(luò)中有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)向量分別如圖1所示，6個(gè)子載波的頻率分別的F1～F6。5個(gè)節(jié)點(diǎn)均有數(shù)據(jù)待發(fā)送，各自生成競(jìng)爭(zhēng)向量進(jìn)行頻域競(jìng)爭(zhēng)。

以節(jié)點(diǎn)M1為例，它的偽隨機(jī)序列C1，在子載波F4、F5、F6上有傳輸行為。當(dāng)它收到其他四個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文的疊加信號(hào)時(shí)，需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量檢測(cè)出來，以判斷自身是否競(jìng)爭(zhēng)成功。由C1的值可以得出節(jié)點(diǎn)M1的競(jìng)爭(zhēng)向量CV1，當(dāng)對(duì)應(yīng)子載波靜默則為0，出現(xiàn)峰值則為1，圖中第4、5、6個(gè)子載波上出現(xiàn)峰值，由此可以得出CV1=000111。

由競(jìng)爭(zhēng)向量和子載波頻率，又可得出相應(yīng)的控制報(bào)文：

同時(shí)也接收信道其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文，并檢測(cè)競(jìng)爭(zhēng)向量，判斷是否競(jìng)爭(zhēng)成功

第1個(gè)子載波，收到信號(hào)R1=C3 ei2πf1t+C5 ei2πf1 t。

進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)算：

τ（F1，C1）=R1×（C1 ei2πf1t）'=（C3 ei2πf1t+C5 ei2πf1t）×（C1 ei2πf1t）'

結(jié)果趨向于0，則說明第一個(gè)子載波中沒有C1，則CV1的第1位為0。同理可計(jì)算出CV1的第2、3位也為0。

第4個(gè)子載波，收到信號(hào)R4=。

進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)算：

τ（F4，C1）=R4×（C1 ei2πf4 t）'=（C1 ei2πf4t+C3 ei2πf4 t）×（C1 ei2πf4 t）'=|C1|2

子載波出現(xiàn)峰值，表示第4個(gè)子載波上有C1，CV1的第4位值則為1。同理可計(jì)算出CV1的第5、6位值也為1。

用同樣的方法可以將其他特征序列Ci進(jìn)行檢測(cè)，得出其他節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量。CV1=000111，CV2=011000，CV3=100100，CV4=010010，CV5=101001。再對(duì)所有的競(jìng)爭(zhēng)向量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)CV1的值惟一且最小，則節(jié)點(diǎn)M1競(jìng)爭(zhēng)成功。而其它節(jié)點(diǎn)等待時(shí)隙進(jìn)行下一次競(jìng)爭(zhēng)。

3.1 性能分析

利用OFDM符號(hào)的子載波傳輸競(jìng)爭(zhēng)信息，進(jìn)行頻域競(jìng)爭(zhēng)，能有效地降低沖突概率，節(jié)省競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

沖突概率降低。802.11協(xié)議中多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，出現(xiàn)沖突的概率較高，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增多的時(shí)，沖突造成的開銷甚至超過數(shù)據(jù)傳輸開銷。而這種基于頻域競(jìng)爭(zhēng)信道的機(jī)制可以大幅降低沖突概率。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都生成競(jìng)爭(zhēng)向量，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)向量按從小到大的順序分配優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)使用信道，只有在有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)選擇相同的競(jìng)爭(zhēng)向量時(shí)才會(huì)產(chǎn)生沖突。而兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)選中一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)向量的概率如下：

競(jìng)爭(zhēng)向量的位數(shù)為n，其中1的個(gè)數(shù)為i，則一個(gè)節(jié)點(diǎn)選中CV的概率為：

競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間減少。802.11標(biāo)準(zhǔn)采用載波偵聽多路存取CSMA/CA偵聽信道，分布式協(xié)調(diào)協(xié)議DCF避免沖突，這種方法在競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)消耗的時(shí)間較長(zhǎng)?；陬l域競(jìng)爭(zhēng)信道的方式能在一個(gè)時(shí)隙完成競(jìng)爭(zhēng)，減少了競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間。從上一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，多個(gè)節(jié)點(diǎn)開始偵聽信道，直到競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)，這一時(shí)長(zhǎng)稱為競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是在等待DIFS時(shí)長(zhǎng)后才開始競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽也是各節(jié)點(diǎn)傳輸特征序列的時(shí)長(zhǎng)。若無沖突，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)長(zhǎng)為DIFS與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙之和。若有沖突發(fā)生，則需進(jìn)行多次競(jìng)爭(zhēng)，才能選出競(jìng)爭(zhēng)成功節(jié)點(diǎn)。再次競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，會(huì)選擇更長(zhǎng)的特征序列，以提高可靠性。一般來說特征序列越長(zhǎng)，檢測(cè)的可靠性更高，但相應(yīng)地傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽也大。特征序列越短，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽也越小，但檢測(cè)結(jié)果的可靠性降低，沖突概率將增大。故而特征序列需要選擇合適的長(zhǎng)度，對(duì)縮短競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間起到關(guān)鍵作用。

3.2 存在問題

這種頻域競(jìng)爭(zhēng)的方式很大程度上依賴于競(jìng)爭(zhēng)向量的檢測(cè)，理想情況是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能檢測(cè)出其他節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量。但是由于無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和不確定性，實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)無法獲取部分節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量，造成信號(hào)沖突，影響網(wǎng)絡(luò)性能。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，就會(huì)存在隱藏節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)之間不是都能相互偵聽。A節(jié)點(diǎn)能偵聽到B節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)向量，C節(jié)點(diǎn)也能偵聽到B節(jié)點(diǎn)，但是A和C之間不能相互偵聽，若A和C同時(shí)給B節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì)出現(xiàn)A和C的信號(hào)沖突，造成數(shù)據(jù)重傳。

特征序列會(huì)受其他序列干擾，干擾報(bào)文的信號(hào)越強(qiáng)，特征序列檢測(cè)出錯(cuò)的概率會(huì)越高，當(dāng)干擾信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于互相關(guān)的特征報(bào)文信號(hào)時(shí)，甚至出現(xiàn)漏檢、誤檢的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求也越來越高。該文主要針對(duì)如何降沖突概率，減少節(jié)點(diǎn)接入開銷，提出了一種基于頻域競(jìng)爭(zhēng)信道的方法。這種方法不同于802.11對(duì)時(shí)隙串行競(jìng)爭(zhēng)信道，而是利用OFDM的子載波來傳遞競(jìng)爭(zhēng)信息，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)利用并行的頻域完成競(jìng)爭(zhēng)，大幅縮短競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，減少?zèng)_突概率，在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

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