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摘 要:在无线自组网中,众多节点共享同一无线信道,由于各节点发送包的随机性,为了减少碰撞,必须由媒体访问控制(MAC)协议来完成共享信道的随机访问控制,目的就是要解决多个用户共享单个信道的问题,协议的好坏,直接影响到极为有限的无线资源的使用效率。MAC协议是自组网设计、研究的主要技术难点之一,网络的性能如吞吐量、容量、时延及功耗等性能依赖于所采用的MAC协议。
关键词:功率控制;无线自组网;协议
一、引言
移动自组网络(MANETs)是一种临时、多跳的无线通信网,该技术始于上世纪70年代,至今已经有成熟的路由、移动IP、组播等技术,并能够使用基于RSA的数字签名来确保网络的安全性。
与传统的通信网络相比,MANETs没有基础设施,每个节点可以随时地加入或退出网络,形成了全分布式的运行方式。目前对于MANETs的研究主要集中在路由协议、MAC协议、服务质量、功率控制等方面。即都是基于节能、提高网络容量、控制网络拓扑等目的出发,以传输功率控制为手段,修改IEEE802.11的相关协议实现的。本文重点讨论功率控制的MAC协议,由于MAC协议以无线接入为目的,只考虑从一个节点到另一个节点的接入过程,而不关心数据如何从发送源节点到目的节点,因而仅讨论单跳的情况。
二、功率控制的MAC协议
在无线自组网中,整个网络没有固定的基础设施,所有节点都是带有无线收发装置的可移动终端,网络中的每个终端兼备两种功能:一方面,作为主机需要运行面向用户的应用程序;另一方面,作为路由器需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作。由于终端的无线覆盖范围有限,两个无法直接进行通信的用户终端可以借助于其他节点分组转发进行通信。
(一)引入传输功率控制。利用功率控制的MAC接入机制,网络内每个发送信息包的节点占用尽可能小的面积,就会最大程度地允许其邻近节点发送包而不会干扰正在进行的传输。因此传输功率控制是解决上述问题的一个有效的手段。
控制节点的传输功率就是要尽可能限制节点的发送所占区域的面积,因此对于正在通信的一对节点而言,按IEEE802.11协议规定的机制,如果控制每个包的发送功率在保证通信正常的前提下尽可能地小,就可以最大程度地缩小通信所占的区域。网络中每个接收节点为了保证正确接收,接收信干比SIR不能超过它的门限SIRTH,而节点除了要受到本机热噪声、传输信道噪声带来的干扰外,主要就是来自其他节点发送信号引起的附加干扰,这种附加干扰是动态的,同时接收节点根据其当前的接收SIR可以知道其干扰容限,只要将这个干扰容限信息及时通知其邻近节点,由其邻近节点限制自身的发送功率,那么接收节点的附加干扰是可以控制的。
因此,理想的情况下,MAC协议中的传输功率控制应该做到:每一个节点应该随时监听信道,能够测量计算出自身能够以多大功率发送包而不会干扰周围正在接收的节点;发送节点以能够采用的最大功率发送RTS包;接收节点接收到RTS包后,要根据包中信息和测量到的信息,计算出刚好可以正确接收所要求的发送节点的发送功率,并在CTS包中将这一功率信息通知发送节点,同时接收节点也要计算出CTS包刚好可以被对方接收所需的发送功率,在不干扰其他正在通信的节点的前提下向发送节点返回CTS包;接收节点在收到CTS后,按接收节点计算出来的功率发送DATA包(必须不干扰其他正在接收的节点);接收节点接收DATA包,同时要尽可能地通知(以最大功率发送)其他节点当前接收的干扰容限;在接收完成后,以保证可以到达发送节点的功率发送ACK;发送节点接收ACK完成一次数据的发送和接收。
其中最难实现的就是接收节点要在接收DATA包的同时,以最大功率通知其邻近节点干扰容限以及接收到这一干扰容限信息的节点如何限制自身的发送功率。很多研究采用了信道分离的办法实现这一难点,如有的协议采用了一个忙音信道,并分析出忙信号的功率与干扰容限之间的关系,由接收节点在接收DATA包时突发周期性的忙音脉冲信号来完成干扰容限信息的发送。还有的协议利用双忙音信道分别在发送节点接收CTS包和接收节点接收DATA包时以忙音信号的形式通知其他节点,保证传输不被干扰。然而这种信道分离的作法在实现时非常繁琐,节点的双工方式以及多个分离信道的复用方式都是要解决和考虑的实际问题。
(二)CSMA/PC协议。在IEEE802.11CSMA/CA协议的基础上,针对单共享信道的模式,以提高网络容量为目的,实现功率控制的MAC协议,称之为CAMA/PC协议。一般情况下,对于无线传输信道应作出以下几点假设:节点传输时其覆盖范围为圆形;在包传输的过程中信道衰耗保持不变;一对节点相互传输信息包的信道衰耗相同。
三、结论
本论文针对如何以功率控制技术在无线自组网的MAC协议中提高网络资源利用率的问题,讨论了对IEEE802.11的CSMA/CA的MAC协议改进后的功率控制单共享信道模式下的MAC协议(CSMA/PC),简要描述了协议的执行机制。采用CSMA/PC协议,可以提高网络的信道利用率和容量,使网络的总功耗下降,达到了预期目的,但是也會引起传输时延的增加。
关键词:功率控制;无线自组网;协议
一、引言
移动自组网络(MANETs)是一种临时、多跳的无线通信网,该技术始于上世纪70年代,至今已经有成熟的路由、移动IP、组播等技术,并能够使用基于RSA的数字签名来确保网络的安全性。
与传统的通信网络相比,MANETs没有基础设施,每个节点可以随时地加入或退出网络,形成了全分布式的运行方式。目前对于MANETs的研究主要集中在路由协议、MAC协议、服务质量、功率控制等方面。即都是基于节能、提高网络容量、控制网络拓扑等目的出发,以传输功率控制为手段,修改IEEE802.11的相关协议实现的。本文重点讨论功率控制的MAC协议,由于MAC协议以无线接入为目的,只考虑从一个节点到另一个节点的接入过程,而不关心数据如何从发送源节点到目的节点,因而仅讨论单跳的情况。
二、功率控制的MAC协议
在无线自组网中,整个网络没有固定的基础设施,所有节点都是带有无线收发装置的可移动终端,网络中的每个终端兼备两种功能:一方面,作为主机需要运行面向用户的应用程序;另一方面,作为路由器需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作。由于终端的无线覆盖范围有限,两个无法直接进行通信的用户终端可以借助于其他节点分组转发进行通信。
(一)引入传输功率控制。利用功率控制的MAC接入机制,网络内每个发送信息包的节点占用尽可能小的面积,就会最大程度地允许其邻近节点发送包而不会干扰正在进行的传输。因此传输功率控制是解决上述问题的一个有效的手段。
控制节点的传输功率就是要尽可能限制节点的发送所占区域的面积,因此对于正在通信的一对节点而言,按IEEE802.11协议规定的机制,如果控制每个包的发送功率在保证通信正常的前提下尽可能地小,就可以最大程度地缩小通信所占的区域。网络中每个接收节点为了保证正确接收,接收信干比SIR不能超过它的门限SIRTH,而节点除了要受到本机热噪声、传输信道噪声带来的干扰外,主要就是来自其他节点发送信号引起的附加干扰,这种附加干扰是动态的,同时接收节点根据其当前的接收SIR可以知道其干扰容限,只要将这个干扰容限信息及时通知其邻近节点,由其邻近节点限制自身的发送功率,那么接收节点的附加干扰是可以控制的。
因此,理想的情况下,MAC协议中的传输功率控制应该做到:每一个节点应该随时监听信道,能够测量计算出自身能够以多大功率发送包而不会干扰周围正在接收的节点;发送节点以能够采用的最大功率发送RTS包;接收节点接收到RTS包后,要根据包中信息和测量到的信息,计算出刚好可以正确接收所要求的发送节点的发送功率,并在CTS包中将这一功率信息通知发送节点,同时接收节点也要计算出CTS包刚好可以被对方接收所需的发送功率,在不干扰其他正在通信的节点的前提下向发送节点返回CTS包;接收节点在收到CTS后,按接收节点计算出来的功率发送DATA包(必须不干扰其他正在接收的节点);接收节点接收DATA包,同时要尽可能地通知(以最大功率发送)其他节点当前接收的干扰容限;在接收完成后,以保证可以到达发送节点的功率发送ACK;发送节点接收ACK完成一次数据的发送和接收。
其中最难实现的就是接收节点要在接收DATA包的同时,以最大功率通知其邻近节点干扰容限以及接收到这一干扰容限信息的节点如何限制自身的发送功率。很多研究采用了信道分离的办法实现这一难点,如有的协议采用了一个忙音信道,并分析出忙信号的功率与干扰容限之间的关系,由接收节点在接收DATA包时突发周期性的忙音脉冲信号来完成干扰容限信息的发送。还有的协议利用双忙音信道分别在发送节点接收CTS包和接收节点接收DATA包时以忙音信号的形式通知其他节点,保证传输不被干扰。然而这种信道分离的作法在实现时非常繁琐,节点的双工方式以及多个分离信道的复用方式都是要解决和考虑的实际问题。
(二)CSMA/PC协议。在IEEE802.11CSMA/CA协议的基础上,针对单共享信道的模式,以提高网络容量为目的,实现功率控制的MAC协议,称之为CAMA/PC协议。一般情况下,对于无线传输信道应作出以下几点假设:节点传输时其覆盖范围为圆形;在包传输的过程中信道衰耗保持不变;一对节点相互传输信息包的信道衰耗相同。
三、结论
本论文针对如何以功率控制技术在无线自组网的MAC协议中提高网络资源利用率的问题,讨论了对IEEE802.11的CSMA/CA的MAC协议改进后的功率控制单共享信道模式下的MAC协议(CSMA/PC),简要描述了协议的执行机制。采用CSMA/PC协议,可以提高网络的信道利用率和容量,使网络的总功耗下降,达到了预期目的,但是也會引起传输时延的增加。