无线802.11网络中自适应调整载波侦听阈值算法研究

果 颖

(天津电子信息职业技术学院,天津市 300132)

目前802.11网卡上的载波侦听阈值是不可调的,如果能灵活设置网卡的载波侦听阈值,有望提高网络的吞吐率。现有APCS、DSB以及PRC三个自适应调整载波侦听预知、功率和速率的分布式算法。以下就现有的几个优化网络容量的算法进行研究。

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

该算法假定每条链路使用相同的传输速率,即相同的SINR阈值S0,每个节点使用相同的功率。算法的基本思想是:如果一个节点的邻节点SINR值较高,即使在该节点周围有较多的干扰传输仍有可能成功地向自己的邻节点传输。因此提高载波侦听阈值后,发送节点可以成功传输。提高载波侦听阈值后在一定程度上避免了暴露节点的影响,提高了网络的空间重用。反之,如果邻节点的SINR值较低,节点通过减小载波侦听阈值进行退避,以避免进一步加剧对周围的传输的干扰。算法从最小的载波侦听阈值(背景噪声强度)开始(这时不允许任何空间重用)。每个节点分布式地、周期性的、根据测量到的SINR,调整自己的载波侦听阈值。仿真试验表明算法达到了一定的效果。

APCS算法通过提高载波侦听阈值,减小了并发传输之间的距离,提高了空间重用,但是这将导致网络总体的干扰级别的增加,使SINR值降低。又由于APCS算法使用固定的传输速率,当SINR下降到一定程度,满足不了阈值S0的要求时,链路便会断开。

二.PRC(Power and Rate Control)算法

美国伊利诺伊大学厄本那香槟分校的 Kim等人提出的 PRC算法假定网络中所有节点使用同一个不变的载波侦听阈值,企图通过改变节点的传输功率,自适应地调整比值 Ptx/Tcs以优化网络的容量。PRC算法的基本思想是:在保证不影响其他节点的并发传输的前提下,尽量使用较高的功率和速率传输,以优化网络的总吞吐率。PRC算法允许网络中的链路使用不同的速率传输,以适应不同的SIN R值,控制的更为细致。每个发送节点根据自己测量到的本节点周围的信号强度,计算在不影响其他传输的前提下能使用的最大发送功率;再根据到接收节点的距离和反馈的接收方干扰强度选择能速率。另外,如果在所选择的传输速率下,节点降低发送功率仍然可以保证成功传输,则降低发送功率,以减少对其他传输的干扰。算法在找不到可以使用的传输速率时,也就是以最小传输速率都不能保证正确接收时则放弃这个传输。

在PRC算法中暴露节点不能通过提高载波侦听阈值来主动争取传输机会,只能被动等待其他节点降低传输功率或结束传输后侦听到的信号强度低于载波侦听预知才能启动传输。算法比较保守。

三.DSB(Distributed Space Backoff)算法

在无线网络中每个成功的无线传输都要求在包含这个传输的一个空间区域内无其他的传输,DSB算法将这一区域定义为竞争区域(contending region)。以不同的速率进行传输对竞争区域范围的需求是不同,高速率要求较大的竞争区域,低速率要求较小的竞争区域。DSB算法称缩小传输占据的竞争区域为空间退避(space backoff)。位于不同竞争区域中的节点可以并发传输,只要能够满足 SINR的要求,就可以成功接收。所以,节点可以通过改变传输速率适应不同竞争区域的大小。如图1所示,空间中节点位置随机分布。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为三个竞争区域,分别对应传输A->C、H->I、F->G,这三个传输位于不同的空间区域可以并发进行,只要接收到得信号强度大于 SINR就可以成功接收。而节点A、B、E、D位于同一竞争区域而不能同时传输。

在DSB算法中,节点使用相同的功率进行传输,而调整节点使用的载波侦听阈值和传输速率。开始时所有发送节点使用最小的速率和最大的载波侦听阈值竞争所需的空间区域。成功的传输将不断提高自己的传输速率,以获得更大的吞吐率。失败的传输降低使用的载波侦听阈值来减小冰法的链路数目,降低对传输的干扰,期望能在高速率上传输成功。当载波侦听阈值降到 Tcs=PR/S0时,当传输仍然失败则认为接收方的噪声加干扰强度或SINR不能支持这一传输速率,这时发送节点采取空间退避策略而降低自己的传输速率。当降到最低速率,载波侦听阈值也降到最低时仍不能成功传输,则放弃该传输。

这种算法的主要缺点是:第一,DSB算法的调整规则:当发送节点贪心地以较高的载波侦听阈值和速率传输失败时,节点降低载波侦听阈值继续以高速率传输。规则建立在网络中其他节点也同时降低载波侦听阈值的假设下,但对于分式算法这条规则实际上可能起不到作用。结果那些空间位置比较有优势的链路能够长时期以高载波侦听阈值和高速率进行传输,而其他节点会因不断受到这些链路传输的干扰而降低阈值和速率,甚至不能得到吞吐率。第二,下调载波侦听阈值调整的下限为PR/S0,当 PR/S0取载波侦听阈值时,对应的载波侦听距离等于干扰半径。如图2所示,C不在以A为圆心以干扰半径为半径的圆内,所以A-B B的传输可以启动,但C在B的干扰范围内,导致传输失败。因为DSB算法将载波侦听阈值 Tcs作为接收节点的噪声加干扰的估计值,所以节点A将认为接收节点所处的接收条件太差而放弃传输。实际上如果A和C均使用较小的载波侦听阈值,使得彼此都能感知到对方,它们可以通过802.11DCF协调地进行传输。DSB为了争取更多的空间重用采取了过于贪心的载波侦听阈值。

在如图 3所示的有50条链路的随机场景中用DSB算法和 PRC算法分别得到如下结果:

图1 竞争区域

图2 干扰半径作为载波侦听阈值

图3 50条流随机场景

两种算法都有一多半的链路得不到吞吐率。两种算法都没能很好解决空间位置没有优势的链路的传输问题,使网络吞吐率的分布很不平衡。

究其原因DSB算法和PRC算法都是站在单一链路的角度来优化网络的空间重用和聚集吞吐率,而忽略了在异构网络中节点按空间位置存在一定的分簇结构:网络中节点按空间位置的接近程度可以近似划分成多个组,组内的链路往往不适于并发传输,应该分享通道,而组间的链路适合并发传输。在出现隐蔽节点时,可以通过改变传输功率将其合并到某个组中。每个组内有自己优化的传输功率,载波侦听阈值和速率设置。结果两种贪心策略都倾向于让那些空间位置较有优势的链路获得较大的吞吐率,而其他链路因受到较大干扰的影响而得不到吞吐率。

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