无线信道干扰概率对网络性能影响分析

王浩波，黄 伟，刘存才

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

无线网络易受干扰，从而影响通信效果，抗干扰是必须解决的问题。以前研究抗干扰大都处于链路层以下，集中在扩展频谱技术及编码技术等的研究上。对于系统级和网络级抗干扰研究较少。通过对无线网络中信道受干扰程度的研究，提出无线信道干扰概率思想，并依据干扰概率得到无线信道的通断特性及干扰等级，进而分析干扰概率对无线网络的系统可靠度和业务传输成功率的影响。利用OPNET工具进行建模，得到不同干扰概率下的仿真结果，分析干扰概率对网络性能的影响，为设计无线网络抗干扰路由协议和提高无线网络抗干扰性能提供理论基础。

1 无线信道干扰概率

无线信道的干扰情况与网络中干扰源位置、节点间的距离、无线信道的方位参数、无线信道频率、干扰方式及节点/干扰源的移动等有关。

在图1所示无线网络中，设通信机A的发射半径为Tr，干扰机的发射半径为Lr，干扰机可以干扰在其发射范围内的通信机，即当通信机距离干扰机的半径小于Lr时，该通信机所在节点就被干扰。

图1 通信机A受到干扰源的干扰

随着干扰条件的变化，各信道受干扰与否及受干扰程度也在变化，通过引入“无线信道干扰概率”来体现无线信道的受干扰程度。

无线信道干扰概率定义为在一定的干扰条件下和规定时间内无线信道无法保持连通的可能性。干扰概率大，说明无线信道容易受到干扰并影响连通性;干扰概率小，说明无线信道受干扰可能性小。

2 干扰概率对网络性能的影响

选择系统可靠度和业务传输成功率2个性能参数作为通信网络考核指标，分析无线信道干扰概率对网络性能的影响。

2.1 干扰概率对系统可靠度的影响

无线信道的干扰概率能够决定链路的通断特性，进而依据通断特性计算网络的系统可靠度。

在无线网络中，假设共有n条无线信道，每条无线信道i(i=1，2，……，n)的干扰概率为 Ri，无线信道的通断特性函数为Xi，令:

式中，r为连续产生的(0，1)区间上的服从相应干扰概率分布的随机数。当Xi=1时，表示无线信道i处于连通状态;当Xi=0时，表示无线信道i处于失效状态。

定义网络连通性函数X为:

设系统进行N次模拟取样，在每次模拟产生系统样本(即连通性函数X)后，统计节点对(或所有节点对)i，j(i，j=1，2，……)之间的连通情况，当 i与j之间至少有一条通信路由存在时，记为成功，成功次数记为Kij。

令:

即得到端到端可靠度。

将式(2)中的Kij统计成表示所有节点的连通成功次数时，可计算得到系统可靠度。

2.2 干扰概率对业务传输成功率的影响

无线信道的干扰概率决定干扰等级，影响到信道的误码率，进而影响业务的传输成功率。

采取端端可靠度模型的业务加权平均来做为业务传输成功率的测度指标。给出如下业务传输成功率计算模型:

式中，Rs为业务传输成功率，Wij为节点i与节点j之间的业务加权因子，Rij为端端可靠度。

式(3)中的Wij的取值取决于节点i与j之间的信息流量以及它们之间的通信中断(故障)对系统完成任务的影响程度。

Wij按如下取值:

式中:

Wi/Wj为节点i/j的权，表示该节点在系统中占有的重要程度。

3 仿真实验

3.1 实验内容

通信网的工作过程可以认为是一个由发生在不同时间的随机事件组成的离散随机过程，通过计算机仿真对网络中这些离散事件的发生、变化、终止过程进行动态模拟，并在仿真过程中统计网络性能参量，进行网络性能评估。

利用OPNET仿真工具，构建由 router，switch，server和lan终端等节点设备构成的通信网络，在10 km×10 km范围内，随机分布30个节点。

在lan终端节点的应用层配置多端网络业务，随机选择server节点作为目的节点，节点可产生的业务平均长度为512 B，平均业务产生间隔为10 min，流量模型服从泊松分布。为便于仿真结果统计，业务不进行拆包处理，一条业务对应一个数据包。

各router及switch节点间的信道使用无线信道模型，并增加“干扰概率”属性，在仿真过程中依据干扰概率属性的取值决定业务的发送情况。

3.2 仿真运行

设置运行时间为1 000 h，仿真运行过程步骤为:

①在初始化阶段，基于干扰概率，计算每条信道在不同时刻的通断状态，依据通、断的变化情况设置仿真中断，干扰概率时间间隔默认服从负指数分布;同时，将连通次数、总业务个数、成功次数初始化。

②仿真运行开始，基于业务分布到达时刻，驱动仿真运行，新业务到达时，检查次数累加1次，总业务个数累加1次。

③业务到达当前某个节点后，首先虚化该节点，以避免在选路过程产生自环。如果该节点是业务目的地，连通次数累加1次;计算可靠度=连通次数/检查次数，计算业务传输成功率=业务传输成功数/业务总个数;恢复所有虚化节点，等待新业务中断。

④如果该节点是中间节点，则依据路由规则选择下一跳节点。

⑤下一跳节点是虚化节点，则不连通次数增加1次，丢包次数增加1次;计算可靠度和业务传输成功率;恢复所有虚化节点，等待新业务中断。

⑥下一跳节点不是虚化节点，则对该业务进行丢包标记处理:如果已经对本业务进行了丢包标记，则不进行任何处理;如果不存在丢包标记，则根据信道的干扰概率，决定信道的通断情况，决定是否丢包，丢包次数增加1次，对该业务进行丢包标记;将此下一跳节点设为当前节点，转第③步。

⑦到达设置的仿真时间后，结束仿真。

3.3 仿真结果分析

仿真结束后，采集并输出仿真结果。干扰概率对系统可靠度的影响如图2所示。

图2 干扰概率对系统可靠度的影响

干扰概率对业务传输成功率的影响如图3所示。由仿真结果可以看出，系统可靠度随着无线信道干扰概率的增加而快速下降，当干扰概率达到65%时，系统可靠度为0，意味着网络中的节点均无路径可达。业务传输成功率随着干扰概率的增加而快速下降，当干扰概率达到55%时，业务传输成功率为0。业务传输成功率变化趋势与系统可靠度相同，但在具体值上有所不同，这主要是因为业务的传输成功率还受到业务分布矩阵和业务的重要程度等影响。

图3 干扰概率对传输成功率的影响

4 结束语

无线网络中的无线信道由于受到干扰，导致已经建立的数据传输路径经常断裂。在无线网络中引入无线信道干扰概率的思想，通过理论计算和仿真方法分析干扰概率对网络性能的影响，得到干扰概率与系统可靠度、业务传输成功率的关系，仿真结论可用于设计稳定路由，有效地减少由于信道受干扰而引起拓扑结构的变化对于路由操作的影响，提高网络的整体性能。此外，干扰概率对于QoS的研究也有重要意义，并且可以与负载均衡等问题结合起来，设计适合无线网络的高效路由协议。

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