基于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的分布式信道分配控制算法研究

劉景景，方曙東,李春國(guó)，宋 康

(1.池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000；2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.青島大學(xué) 電子信息學(xué)院，山東 青島 266071)

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc network，MANET)是通過(guò)無(wú)線鏈路形成的無(wú)中心、多跳、臨時(shí)自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處于頻繁移動(dòng)和動(dòng)態(tài)連接狀態(tài)，通過(guò)降低無(wú)線通信干擾提高服務(wù)質(zhì)量(QoS)，對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)極具挑戰(zhàn)性，自組織網(wǎng)絡(luò)必須克服節(jié)點(diǎn)流動(dòng)性干擾來(lái)提高實(shí)用的服務(wù)質(zhì)量[1]。MANET遠(yuǎn)距離通信時(shí)使用路由、信道訪問(wèn)、移動(dòng)管理等在自組網(wǎng)絡(luò)中提供質(zhì)量服務(wù)，節(jié)點(diǎn)以多跳方式直接與其他節(jié)點(diǎn)通信，中間節(jié)點(diǎn)作為路由器運(yùn)行。相鄰節(jié)點(diǎn)的通信干擾會(huì)造成連接損失，導(dǎo)致傳輸路線過(guò)時(shí)或不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸延遲[2-4]。

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)使用共享信道模型，干擾頻率隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大，使得網(wǎng)絡(luò)性能顯著下降。在通信節(jié)點(diǎn)密集的環(huán)境中，應(yīng)用信道Multiple Access Control協(xié)議，信道切換會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生不利影響[5]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行信道切換，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入另一對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)的通信范圍中，會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接受干擾，需要采取信道分配進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理信道[6]。文獻(xiàn)[7]針對(duì)約束頻率分配問(wèn)題，提出了動(dòng)態(tài)信道重新分配策略，在網(wǎng)絡(luò)中重新分配信道以提高信道利用率，但是動(dòng)態(tài)信道重新分配方案存在暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，并不適合節(jié)點(diǎn)密集的環(huán)境。

為了有效解決MANET中由暴露節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)通信干擾問(wèn)題，提出一種帶有功率控制的分布式信道分配控制算法，通過(guò)信道動(dòng)態(tài)協(xié)商，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同信道間通信，增加了吞吐量且減少暴露節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

1 暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題

MANET中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在另一對(duì)節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)連接丟失和干擾[8]。當(dāng)控制信息從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)遷移性對(duì)信道狀態(tài)表(CST)的頻繁更改可能造成不可預(yù)測(cè)的拓?fù)鋯?wèn)題。同時(shí)，位置信息的交換占用了大量的帶寬，造成傳輸延遲。

結(jié)合圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖中小實(shí)圓代表功率控制的通信范圍，而較大虛圓代表沒(méi)有功率控制的通信范圍。節(jié)點(diǎn)A使用最大值傳輸功率向節(jié)點(diǎn)B傳輸數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)C在發(fā)送節(jié)點(diǎn)A的傳輸范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)C不在接收節(jié)點(diǎn)B的傳輸范圍內(nèi)，則節(jié)點(diǎn)C是暴露節(jié)點(diǎn)。暴露節(jié)點(diǎn)指的是在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍之內(nèi)，而在接收節(jié)點(diǎn)傳輸范圍之外的節(jié)點(diǎn)。如果沒(méi)有功率控制，從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信，則不能授予節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)D的通信，節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn)D之間的通信不能得到保證，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D之間的通信會(huì)受到暴露節(jié)點(diǎn)A的干擾[9]，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C之間的通信會(huì)導(dǎo)致流間干擾；這就是暴露節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的通信干擾，降低了通信的成功率和吞吐量，增加了通信連通的時(shí)間，降低了QoS，即暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題中信道協(xié)商成功率是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，信道協(xié)商不僅可以減少發(fā)布的信息的數(shù)量，且可以減少相鄰節(jié)點(diǎn)的通信干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信承載能力的影響，從而提高信道利用率。

文獻(xiàn)[10]中的動(dòng)態(tài)信道分配策略利用通信程序分配信道及提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能，但是空閑信道并不總是預(yù)先分配給節(jié)點(diǎn)，且存在暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，在吞吐量、延遲等方面難以滿足QoS的網(wǎng)絡(luò)性能要求。

2 分布式信道分配控制

2.1 信道功率控制概述

信道功率控制使用兩臺(tái)收發(fā)器和一臺(tái)接收器，將整個(gè)信道帶寬分別分配給控制信道和數(shù)據(jù)信道，以完成信道通信任務(wù)，數(shù)據(jù)包通過(guò)數(shù)據(jù)信道發(fā)送。遇到通信干擾時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，如圖1中實(shí)心圓所示，接收節(jié)點(diǎn)的接收器接收功率，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信可以在不受干擾的情況下同時(shí)進(jìn)行。分布式信道功率控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖1和圖2中的大虛圓區(qū)域，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C以最大功率進(jìn)行傳輸，如果不采用功率控制，將存在暴露節(jié)點(diǎn)干擾問(wèn)題。如果采用功率控制，如圖2中的小圓，那么節(jié)點(diǎn)A使用較小的功率通過(guò)節(jié)點(diǎn)E、節(jié)點(diǎn)F逐跳連接到節(jié)點(diǎn)B。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A將一個(gè)數(shù)據(jù)包和帶有發(fā)射功率ptx,A的控制包發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B的接收功率為ptx,B[11]，則：

(1)

式中，λ是載波波長(zhǎng)；d是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離；gtx和grx分別表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線增益；n是路徑損失系數(shù)，根據(jù)物理環(huán)境的不同取值為2到4。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題)圖2 分布式信道功率控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)式(1)變形，得出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離 ：

(2)

功率傳輸范圍對(duì)應(yīng)的閾值如表1所示。將功率衰減的程度與確定功率范圍所需的閾值進(jìn)行比較，可以得到無(wú)線電收發(fā)機(jī)的功率電平。

表1功率傳輸范圍對(duì)應(yīng)的閾值

距離/m功率/dB m功率等級(jí)20-68.89140-73.02260-75.68380-78.864100-82.855距離/m功率/dB m功率等級(jí)150-85.926200-90.507250-95.078300-98.159350-101.2210

2.2 分布式信道功率控制分配算法

根據(jù)信道重用原則，未分配給節(jié)點(diǎn)的信道將被動(dòng)態(tài)分配給其他節(jié)點(diǎn)，信道被動(dòng)態(tài)地分配給有需要的用戶。為了便于描述分布式信道功率控制分配算法，假設(shè)信道具有相同的帶寬，所有信道為正交信道，在不同信道上發(fā)送的包不會(huì)相互干擾；要同時(shí)接收和傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)半雙工收發(fā)器，收發(fā)器能夠動(dòng)態(tài)地切換信道；節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)表(CST)包括源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、繁忙信道、空閑信道、鄰近節(jié)點(diǎn)和功率等級(jí)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、繁忙信道、空閑信道、功率等級(jí)。

結(jié)合圖2，節(jié)點(diǎn)A遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)B，在分布式環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)C內(nèi)引起暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D之間通信具有干擾。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A注意到與節(jié)點(diǎn)C存在信道干擾，節(jié)點(diǎn)A停止通信以防止信道干擾。

分布式信道分配算法如下：

圖3 功率協(xié)調(diào)控制流程圖

(1)節(jié)點(diǎn)A在空閑信道集nc中尋找空閑信道；

(2)如果節(jié)點(diǎn)A檢測(cè)到空閑信道，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信息(源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、空閑信道、功率等級(jí))給鄰近節(jié)點(diǎn)；

(3)鄰近節(jié)點(diǎn)接收到信息，與節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)表里的數(shù)據(jù)比對(duì)；

(4)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A與鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道交換；

(5)如果節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有檢測(cè)到空閑信道，則進(jìn)入功率協(xié)調(diào)控制過(guò)程，如圖3所示。

功率協(xié)調(diào)過(guò)程如下：

(1)節(jié)點(diǎn)A利用接收信號(hào)計(jì)算節(jié)點(diǎn)A與其鄰近節(jié)點(diǎn)C之間的距離d；

(2)判斷距離d是否小于閾值dmin，如果d

(3)如果距離d>dmin，節(jié)點(diǎn)A協(xié)調(diào)發(fā)射功率ptx,A，節(jié)點(diǎn)A啟動(dòng)發(fā)射機(jī)處理干擾狀態(tài)，發(fā)射功率通過(guò)以下方式獲得：

(3)

式中，i為功率等級(jí),i∈[1,10];pwri(A) 表示節(jié)點(diǎn)A在功率等級(jí)i下使用的最大功率;prx,A(A)表示節(jié)點(diǎn)A的鄰近節(jié)點(diǎn)接收功率，根據(jù)式(1)，獲得節(jié)點(diǎn)A協(xié)調(diào)功率等級(jí)，傳輸功率ptx,A與接收功率prx,A成反比例變化；

(4)節(jié)點(diǎn)A計(jì)算發(fā)射功率后，將發(fā)射功率發(fā)射到鄰近節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)A直接與鄰近節(jié)點(diǎn)C通信而不受干擾；

(5)節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)表(CST)更新為Vd(A)，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信息(源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、空閑信道、功率等級(jí))給鄰近節(jié)點(diǎn)C；

(6)鄰近節(jié)點(diǎn)C接收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信息，測(cè)量并比較接收信號(hào)功率，如表1所示，如果接收功率小于最小功率，則禁止通信。如果節(jié)點(diǎn)C接收功率大于最小功率，節(jié)點(diǎn)C將發(fā)送信號(hào)到節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行信道交換；

(7)在步驟(6)中，如果節(jié)點(diǎn)C未能進(jìn)行信道交換，則節(jié)點(diǎn)C開(kāi)始執(zhí)行上述步驟，節(jié)點(diǎn)C成功找到鄰近節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行信道交換時(shí)，節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)表(CST)被更新成Vd(C)。

該算法使用鄰接矩陣來(lái)表示通信流，然后更新節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)表(CST)，確保所有節(jié)點(diǎn)具有足夠的可用資源來(lái)解決暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題帶來(lái)的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)信道協(xié)商成功率。

2.3 信道帶寬分析

分布式信道分配算法中每個(gè)信道具有固定帶寬，信道分配的成功率通常與信道數(shù)Cn成比例，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和控制包長(zhǎng)度用于分析信道帶寬，信道數(shù)Cn為[12]：

(4)

Ccon為控制信道的數(shù)量;ld為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度;τd為數(shù)據(jù)信道帶寬;lc為控制包長(zhǎng)度;τc為控制信道帶寬。設(shè)給出固定信道帶寬Cbw，令uch為歸一化成功率，可以得到：

(5)

通過(guò)減小控制包長(zhǎng)度或增加給定信道帶寬中的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度可以改善信道利用率。針對(duì)固定帶寬，帶寬利用率Ubw通過(guò)以下公式計(jì)算：

(6)

經(jīng)過(guò)變換可得：

(7)

由式(5)和式(7)，通過(guò)對(duì)帶寬、信道總數(shù)和控制數(shù)據(jù)包邊界分析，可得出信道利用率和帶寬利用率相等。

3 仿真驗(yàn)證

為了分析信道協(xié)商成功率對(duì)節(jié)點(diǎn)密度的影響，研究提出的分布式信道分配控制算法(3信道和4信道)與隨機(jī)算法模擬結(jié)果如圖4所示。分布式信道分配控制算法的信道協(xié)商成功率明顯比隨機(jī)算法高，尤其是4信道分布式信道分配控制算法。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加信道協(xié)商成功率有所下降，但是不太明顯。分布式信道分配控制算法確保所有節(jié)點(diǎn)具有足夠的可用資源來(lái)解決干擾而不降低網(wǎng)絡(luò)中信道協(xié)商的成功率。

圖4 信道協(xié)商成功率對(duì)比圖

在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，3信道、4信道、隨機(jī)算法在信道分配過(guò)程中數(shù)據(jù)包丟失率對(duì)比圖如圖5所示。采用研究提出的帶有功率控制的3信道、4信道分布式信道控制算法的數(shù)據(jù)包丟失率明顯比隨機(jī)算法低；隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)包的丟失率增加。提出的算法利用信道重用以消除信道干擾的不利影響，即使節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，4信道分布式信道分配算法也顯示出穩(wěn)定的結(jié)果。

在不同功率等級(jí)下，3信道、4信道、隨機(jī)算法信道分配吞吐量對(duì)比圖如圖6所示。隨著功率水平增加，信道分配對(duì)應(yīng)的吞吐量性能增強(qiáng)，使用所提出的信道分配算法相對(duì)于隨機(jī)算法可以增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因?yàn)樘岢龅乃惴ㄖ蠧ST中有空閑信道可用或獲取新信道，采用功率控制機(jī)制，鄰近節(jié)點(diǎn)的干擾得到最小化。

歸一化3信道、4信道、隨機(jī)算法信道分配吞吐量對(duì)比圖如圖7所示。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,4信道相對(duì)于3信道、隨機(jī)算法信道具有更高的吞吐量。對(duì)于隨機(jī)算法由于頻繁地改變信道，通過(guò)減少數(shù)據(jù)傳輸和增加信道空閑時(shí)間來(lái)最小化信道利用率，并沒(méi)有明顯改善網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量。

圖5 丟失率對(duì)比圖

圖6 不同功率等級(jí)下的吞吐量對(duì)比圖

圖7 歸一化吞吐量對(duì)比圖

4 結(jié)論

為了有效解決移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中暴露節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的信道干擾問(wèn)題，提出一種分布式信道分配控制算法，采用帶功率控制的信道分配控制算法，通過(guò)信道動(dòng)態(tài)協(xié)商對(duì)信道進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整分配，在同一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同信道的多個(gè)通信，減少了由暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題引發(fā)的負(fù)面影響，提高了網(wǎng)絡(luò)的容量。該算法可以減少信道干擾，并在密集環(huán)境下保持信道連接，仿真結(jié)果表明該算法在保持良好的吞吐量情況下，信道可用性最大化，很好地保證了服務(wù)質(zhì)量。后期將會(huì)對(duì)在功率控制下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)通信同步進(jìn)行分析研究。