基于沖突解決的功率控制MAC協(xié)議

郝 巖, 韓江洪,2, 馮 琳， 魏振春,2, 徐祥偉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

基于沖突解決的功率控制MAC協(xié)議

郝 巖1, 韓江洪1,2, 馮 琳1， 魏振春1,2, 徐祥偉1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

功率控制策略可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗,提高信道利用率,然而也會(huì)引入更多的隱藏終端,使網(wǎng)絡(luò)沖突加劇。為了利用功率控制的優(yōu)勢(shì),同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)沖突,文章提出一種應(yīng)用于無(wú)線自組網(wǎng)采用功率控制的介質(zhì)訪問(wèn)控制 (media access control，MAC)協(xié)議——反饋功率控制 ( reactive power control，RPC)協(xié)議。在RPC協(xié)議中,數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的各幀均采用最優(yōu)發(fā)送功率,以降低能耗,提高網(wǎng)絡(luò)信道利用率,同時(shí),當(dāng)沖突發(fā)生時(shí),協(xié)議根據(jù)干擾節(jié)點(diǎn)是否欲與被干擾節(jié)點(diǎn)通信將沖突劃分為2類,據(jù)此協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程,提高網(wǎng)絡(luò)通信的并行程度,減少數(shù)據(jù)的重傳。仿真實(shí)驗(yàn)表明,RPC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面比SHUSH協(xié)議有所提高,同時(shí)也減少了網(wǎng)絡(luò)端到端延遲。

功率控制;MAC協(xié)議;隱藏終端;信噪比;無(wú)線自組網(wǎng)

0 引 言

在傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)IEEE 802.11協(xié)議中[1-2],各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用相同的發(fā)送功率,請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送(Request to Send/Clear to Send，RTS/CTS)機(jī)制被用來(lái)避免隱藏終端問(wèn)題,然而其能量利用率以及信道的利用程度都較低。圍繞“降低能量損耗,提高信道利用率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量”,一些使用功率控制的介質(zhì)訪問(wèn)控制 (media access control，MAC)協(xié)議被提出。

文獻(xiàn)[3-5]將功率控制策略應(yīng)用于IEEE 802.11的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,控制幀RTS/CTS使用最大功率,而DATA/ACK使用較小功率,以降低節(jié)點(diǎn)的能量損耗,卻加劇了隱藏終端的問(wèn)題,使得數(shù)據(jù)沖突加劇。針對(duì)隱藏終端的問(wèn)題,文獻(xiàn)[6-7]在IEEE 802.11 PSM基礎(chǔ)之上提出基于信號(hào)噪聲干擾比的MAC傳輸功率控制 (SINR-based transmission power control for MAC，STPC-MAC)協(xié)議以及節(jié)能高效多通道MAC (energy-efficient multi-channel MAC， E-MMAC)協(xié)議，2種協(xié)議都采用“沖突避免”的思路來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低網(wǎng)絡(luò)能耗。然而,通知傳輸指示消息(announcement traffic indication message， ATIM)窗口以及節(jié)點(diǎn)的睡眠機(jī)制都使得這2種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高程度受限。類似地,文獻(xiàn)[8]提出的高效功率控制MAC (efficient power controlled MAC ，EPCM)協(xié)議也采用一種“沖突避免”的思路,每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí),都要首先根據(jù)CTS的接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出沖突的可能范圍,并改變自身的發(fā)送功率以抵消沖突的影響,提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿谐潭?但當(dāng)發(fā)生幀宣泄(Fragment Burst)時(shí),后續(xù)幀不能適應(yīng)沖突的變化,始終以較大功率發(fā)送,將有可能增大通信能耗。文獻(xiàn)[9]提出的功率控制MAC (power control MAC，PCM)協(xié)議也是一種基于“沖突避免”思路的功率控制協(xié)議,協(xié)議規(guī)定在發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA幀時(shí),以小于延長(zhǎng)幀間隔 (extended inter-frame spacing，EIFS)的時(shí)間間隔,周期性地將發(fā)送功率增加到最大,這種方法雖然可以降低網(wǎng)絡(luò)通信的能耗,避免隱藏終端,然而周期性增大發(fā)送功耗并沒(méi)有提高信道的利用率,網(wǎng)絡(luò)吞吐量與IEEE 802.11協(xié)議相比沒(méi)有明顯改進(jìn)。

本文提出一種功率控制MAC協(xié)議——反饋功率控制 (reactive power control，RPC)協(xié)議,該協(xié)議首先建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)到鄰居節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率表,在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,所有幀均使用最優(yōu)發(fā)送功率;同時(shí),協(xié)議采用一種“沖突后處理”的思路,即當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的沖突發(fā)生時(shí)才做出相應(yīng)的反應(yīng),相對(duì)于“避免沖突”的思路,協(xié)議在發(fā)生沖突后根據(jù)不同的情況協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸,提高信道利用率,減少重傳。該協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿谐潭?提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,并減少了網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲。

1 RPC協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 功率控制相關(guān)計(jì)算

理想發(fā)送功率的計(jì)算需要考慮射頻模塊所處的環(huán)境、射頻模塊的接收靈敏度、發(fā)送方與接收方的距離等等,不同場(chǎng)景下能量的衰減不同。一些特定場(chǎng)景下的信號(hào)衰減模型,諸如城市室內(nèi)室外模型、三維地形模型等,都是頻率、距離以及周圍環(huán)境因素的函數(shù)。

(1)

假定接收端的最小接收靈敏度為PRXthold,則目的節(jié)點(diǎn)j向源節(jié)點(diǎn)i發(fā)送數(shù)據(jù)的最小功率為:

(2)

綜合(1)式和(2)式,可得:

(3)

同時(shí),在節(jié)點(diǎn)j處,當(dāng)信噪比超過(guò)一定的預(yù)設(shè)門限(Rth)時(shí),節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的消息才被正確解碼,即

(4)

其中,Pn(j)為節(jié)點(diǎn)j的噪聲水平(忽略)。

從以上分析可得,數(shù)據(jù)可以被正確接收并解碼的條件為:

(2)RSN(j)≥Rth,即接收信號(hào)的強(qiáng)度需要使信噪比大于預(yù)設(shè)門限。

1.2 建立最優(yōu)發(fā)送功率表

為了減小節(jié)點(diǎn)之間不必要的發(fā)送能量損耗,提高網(wǎng)絡(luò)的信道利用率,在每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立其到鄰居節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率表。RPC協(xié)議按如下步驟建立最優(yōu)發(fā)送功率表。

(1) 在某個(gè)節(jié)點(diǎn)首次進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層確定的鄰居節(jié)點(diǎn),RTS以最小的發(fā)送功率Pmin發(fā)送,當(dāng)正確接收到CTS控制幀時(shí),當(dāng)前的發(fā)送能量即為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的參考發(fā)送能量;如果發(fā)送失敗,RTS增加發(fā)送能量Δp到Pnext后繼續(xù)發(fā)送,直至接收到正確的CTS控制幀。RTS重傳的最大次數(shù)為N,N的大小根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體的節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)流量確定。節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率按照(5)式來(lái)確定，即

Pnext←Pnext+Δp×i

(5)

(2) 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到CTS控制幀時(shí),根據(jù) (3) 式計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率并存入最優(yōu)發(fā)送功率表;同理,當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到RTS控制幀時(shí),計(jì)算出目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率并存入節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率表。

(3) 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)按照步驟(1)、步驟(2)建立其到鄰居節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率表。當(dāng)數(shù)據(jù)非首次發(fā)送時(shí),查詢最優(yōu)發(fā)送功率表,以RTS/CTS/DATA/ACK的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

1.3 沖突的解決策略

當(dāng)節(jié)點(diǎn)按照最優(yōu)發(fā)送功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)在一定程度上增加網(wǎng)絡(luò)的信道利用率,但是不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)之間采用不同的發(fā)送功率卻增加了網(wǎng)絡(luò)的隱藏終端,這使得網(wǎng)絡(luò)中的沖突增多,以低功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)將處于弱勢(shì)地位：一方面,其會(huì)話可能不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到;另一方面,數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程較容易受到高功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。沖突示意圖如圖1所示,A節(jié)點(diǎn)與B節(jié)點(diǎn)分別為低功率發(fā)送節(jié)點(diǎn)和低功率接收節(jié)點(diǎn),C節(jié)點(diǎn)為高功率發(fā)送節(jié)點(diǎn),因此C節(jié)點(diǎn)將無(wú)法感知到A節(jié)點(diǎn)與B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)以較高功率與F節(jié)點(diǎn)或A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)就會(huì)對(duì)A與B的通信過(guò)程造成干擾,引起沖突。具體地,當(dāng)RSN(A)

圖1 沖突示意圖

本文設(shè)計(jì)的RPC協(xié)議在發(fā)生沖突時(shí)尋求可以使干擾節(jié)點(diǎn)通信與被干擾節(jié)點(diǎn)通信同時(shí)進(jìn)行的情況,以增大通信的并行程度,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。下面說(shuō)明RPC協(xié)議發(fā)生沖突時(shí)的解決策略。

(ii) 排除(i)以外的其他情況,即此時(shí)A節(jié)點(diǎn)既不可以正確解析B節(jié)點(diǎn)發(fā)送給A節(jié)點(diǎn)的消息,也不可以正確解析C節(jié)點(diǎn)發(fā)送給A節(jié)點(diǎn)的消息,此時(shí),按照IEEE 802.11協(xié)議發(fā)生干擾時(shí)的策略進(jìn)行處理,即執(zhí)行相應(yīng)的恢復(fù)過(guò)程 (recovery procedure)[1]。

(2) 根據(jù)干擾節(jié)點(diǎn)是否將與被干擾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,將沖突劃分為2類：一類是因?yàn)楦蓴_節(jié)點(diǎn)欲與被干擾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信而引起的沖突;另一類是由于干擾節(jié)點(diǎn)正在與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對(duì)另一個(gè)數(shù)據(jù)通信過(guò)程造成干擾。RPC協(xié)議根據(jù)不同的類型采取不同的措施。

(i) 節(jié)點(diǎn)A作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)B以較低功率進(jìn)行通信,節(jié)點(diǎn)C無(wú)法感知到A與B的數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)C與A節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),會(huì)干擾A節(jié)點(diǎn)接收ACK數(shù)據(jù)幀,此時(shí)A節(jié)點(diǎn)從RTS中獲取C節(jié)點(diǎn)地址與發(fā)送功率,查詢節(jié)點(diǎn)功率調(diào)度表或計(jì)算出到C節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率,以管理幀的形式通知C節(jié)點(diǎn)退避,網(wǎng)絡(luò)分配矢量 (network allocation vector，NAV)時(shí)間設(shè)置為A與B傳輸過(guò)程需要經(jīng)歷的剩余時(shí)間。

(ii) 當(dāng)C節(jié)點(diǎn)由于無(wú)法感知A與B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程而欲與F節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),發(fā)送功率較大也會(huì)對(duì)A節(jié)點(diǎn)接收ACK數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生干擾,為了提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿谐潭?提高信道利用率,RPC協(xié)議規(guī)定,當(dāng)A節(jié)點(diǎn)接收到C與F數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)或控制幀時(shí),獲取C節(jié)點(diǎn)所發(fā)送幀中的地址與發(fā)送功率信息,根據(jù)(1)式和(4)式,為了使A節(jié)點(diǎn)在干擾存在情形下仍然可以正確接收B節(jié)點(diǎn)的ACK幀,A節(jié)點(diǎn)計(jì)算出B節(jié)點(diǎn)所需最小發(fā)送功率,并將該信息以管理幀的形式反饋給B節(jié)點(diǎn),以此使得C節(jié)點(diǎn)與F節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信可以和A節(jié)點(diǎn)與B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信過(guò)程共存,提高信道利用率。然而,當(dāng)A節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的B節(jié)點(diǎn)最小發(fā)送功率大于射頻模塊可以發(fā)送的最大功率Pmax時(shí),A節(jié)點(diǎn)記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序號(hào),并從C節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀獲取C與F的通信時(shí)間,以管理幀的形式通知B節(jié)點(diǎn)共同退避相應(yīng)的時(shí)間,中斷此次通信,當(dāng)時(shí)間結(jié)束時(shí),再進(jìn)行余下的消息傳遞。具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 RPC協(xié)議在發(fā)生沖突時(shí)的解決策略

1.4 干擾節(jié)點(diǎn)的信息獲取

從RPC協(xié)議發(fā)生干擾時(shí)的解決策略可以看出,無(wú)論是怎樣的過(guò)程,被干擾節(jié)點(diǎn)都首先要從干擾節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀中獲取相關(guān)信息。當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)欲與被干擾節(jié)點(diǎn)通信時(shí)發(fā)送RTS控制幀,為了通知干擾節(jié)點(diǎn)退避相應(yīng)的時(shí)間,RTS控制幀需要包含源節(jié)點(diǎn)的地址、發(fā)送功率信息及會(huì)話持續(xù)時(shí)間;當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)是由于與其他節(jié)點(diǎn)的通信而影響被干擾節(jié)點(diǎn)通信時(shí),此時(shí)被干擾節(jié)點(diǎn)可能獲得的幀包括RTS、CTS、DATA或者ACK,為了通知正在與干擾節(jié)點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)退避相應(yīng)的時(shí)間或增加發(fā)送功率,則RTS、CTS、DATA或ACK數(shù)據(jù)幀需要包括源節(jié)點(diǎn)地址、發(fā)送功率的信息及會(huì)話持續(xù)的時(shí)間。此外,1.3節(jié)所述的管理幀通過(guò)設(shè)置IEEE 802.11協(xié)議幀中Frame Control的Type域以及SubType域來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 仿真與性能分析

本文使用NS2(NS2.35)網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)所設(shè)計(jì)的RPC協(xié)議進(jìn)行性能分析,并與SHUSH協(xié)議、PCM協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量、能量效率以及網(wǎng)絡(luò)端到端延遲上進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)區(qū)域大小為1 000 m×1 000 m,仿真采用的信號(hào)傳播模型為雙線地面反射模型,射頻模塊的最大發(fā)送功率Pmax=0.281 W,最小發(fā)送功率Pmin=0.2 mW,最小接收靈敏度為-64 dB。節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)流以及節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、移動(dòng)情況分別使用NS2提供的Setdest和Cbrgen工具生成,即隨機(jī)產(chǎn)生10對(duì)固定傳輸速率 (constant bit rate，CBR)數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)流采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 (User Datagram Protocol，UDP)方式,CBR數(shù)據(jù)包大小為512 B,節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布、不發(fā)生移動(dòng)。使用自組網(wǎng)按需距離矢量路由協(xié)議(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV),在建立路由過(guò)程中使用最大發(fā)送功率Pmax以使得協(xié)議在仿真過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接相同。每次實(shí)驗(yàn)所使用的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境相同,為了達(dá)到一定的置信水平,實(shí)驗(yàn)中的所有數(shù)值取30次仿真實(shí)驗(yàn)的平均值。其他仿真參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為50個(gè)的情況下,協(xié)議的吞吐量以及能量效率的比較如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出,RPC協(xié)議在與SHUSH協(xié)議保持相當(dāng)能量效率的前提下,相比于SHUSH協(xié)議在相同時(shí)間內(nèi)可以獲得較大的吞吐量。這是由于隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加,網(wǎng)絡(luò)中欲并行傳輸?shù)耐ㄐ胚^(guò)程增多,RPC協(xié)議可使網(wǎng)絡(luò)容納更多的并行通信,而SHUSH協(xié)議在發(fā)生沖突時(shí)采用“中斷恢復(fù)”策略使得其網(wǎng)絡(luò)吞吐量低于RPC協(xié)議。PCM協(xié)議周期性使用最大功率發(fā)送DATA,并沒(méi)有增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻g利用率,這使得其吞吐量和能量效率相對(duì)于SHUSH協(xié)議以及RPC協(xié)議都較小。

圖3 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下吞吐量比較

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下能量效率比較

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為20 kb/s時(shí),節(jié)點(diǎn)數(shù)量以10個(gè)節(jié)點(diǎn)的增量在30～80內(nèi)變化下的各協(xié)議吞吐量比較如圖5所示。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多,3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量都有所降低,RPC協(xié)議在吞吐量上仍然保持一定優(yōu)勢(shì),這是由于相比于PCM協(xié)議,RPC協(xié)議中各幀采用最優(yōu)發(fā)送功率,可以提高節(jié)點(diǎn)通信的空間利用率,而相對(duì)于SHUSH協(xié)議,RPC協(xié)議在低功率通信受到干擾時(shí)并不是簡(jiǎn)單退避直至高功率數(shù)據(jù)通信結(jié)束,而是嘗試提高被干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率,提高節(jié)點(diǎn)通信的并行程度,這些都使得RPC協(xié)議的性能優(yōu)于SHUSH協(xié)議和PCM協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為70時(shí),RPC協(xié)議的吞吐量已無(wú)明顯優(yōu)勢(shì),這是由于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度增大,網(wǎng)絡(luò)沖突加劇,執(zhí)行IEEE 802.11恢復(fù)過(guò)程的通信過(guò)程也會(huì)增多,發(fā)生沖突時(shí)退避窗口呈指數(shù)增加,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的下降。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較

在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為50時(shí),不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下3種協(xié)議平均幀延遲時(shí)間對(duì)比如圖6所示。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的延遲包括3個(gè)部分:處理延遲、排隊(duì)延遲和傳播延遲。從圖6可以看出,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)3種協(xié)議的幀延遲相當(dāng),這是由于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí),網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)沖突較少,3種協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的排隊(duì)延遲相當(dāng),由于傳輸路徑相同,傳播延遲和處理延遲相同,最終使得平均幀延遲相當(dāng),這也表明RPC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)并沒(méi)有優(yōu)勢(shì);而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí),RPC協(xié)議相比于SHUSH協(xié)議,會(huì)在一定程度上提高通信的并行程度,這使得其通信延遲小于SHUSH協(xié)議,而相比于PCM協(xié)議,RPC協(xié)議通過(guò)建立最優(yōu)發(fā)送功率表,減少了對(duì)其他鄰居節(jié)點(diǎn)的沖突，也使得其通信延遲小于PCM協(xié)議。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲比較

3 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于無(wú)線自組網(wǎng)的功率控制MAC協(xié)議——RPC協(xié)議,功率控制帶來(lái)的最大挑戰(zhàn)是使得網(wǎng)絡(luò)的隱藏終端問(wèn)題加重,以及由此引發(fā)的數(shù)據(jù)沖突和能量損耗。在RPC協(xié)議中,各個(gè)幀的傳輸都采用最優(yōu)發(fā)送功率,為了解決由此引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)沖突,協(xié)議根據(jù)沖突的種類分別采取不同的措施,減少了沖突帶來(lái)的重傳,使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的并行傳輸增多,網(wǎng)絡(luò)空間利用率提高,增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,也減少了網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲。下一步將考慮使用“沖突避免”與“沖突后處理”2種思路相結(jié)合的方式,進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的信道利用率,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

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PowercontrolMACprotocolbasedoncollisionresolution

HAO Yan1, HAN Jianghong1,2, FENG Lin1, WEI Zhenchun1,2, XU Xiangwei1

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China)

Power control can reduce the energy consumption and increase spatial reuse, but more hidden terminals are introduced because of the asymmetric transmit power, which leads to more collisions. To take full advantage of power control and reduce the collisions, a power control media access control(MAC) protocol for wireless Ad Hoc network, reactive power control(RPC) protocol, was proposed. In RPC protocol, all frames in the process of communication use the optimal transmit power to reduce energy consumption and improve the channel utilization. Furthermore, when the collisions happen, based on whether the interferer will communicate with the interfered node, RPC protocol divides the collisions into two categories and makes the appropriate measures to increase more concurrent transmissions and reduce retransmission. The results of simulation experiments show that RPC protocol performs better than SHUSH protocol in network throughput and end-to-end delay.

power control; media access control(MAC) protocol; hidden terminal; signal-to-noise ratio(SNR); wireless Ad Hoc network

2016-02-22；

2016-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61370088;61502142);國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014DFB10060)

郝 巖(1990-),男,山西大同人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

韓江洪(1954-),男,安徽涇縣人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;

馮 琳(1979-),女,河南洛陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,通信作者,E-mail:fenglin@hfut.edu.cn.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.010

TN915.04

A

1003-5060(2017)09-1199-06

(責(zé)任編輯 張淑艷)