CN101242208B - 基于动态功率调整的传输控制帧方法 - Google Patents

Abstract

一种无线局域网传输技术领域的基于动态功率调整的传输控制帧方法，首先，无线自组网中的通信节点检测周围的其他节点，并获得与周围节点通信的传输距离，建立一个与周围节点通信的发射功率表；然后，通信节点接收周围其他节点的控制帧时，通过最优功率计算公式得到与其他节点通信的最优发射功率，用最优发射功率更新此节点的发射功率表中的发射功率；再次，当通信节点向周围节点发送帧时，首先进行帧判断，如果是RTS/CTS控制帧，则节点从自身的发射功率表中，查找出最优发射功率，进行控制帧的发送；如果是数据帧，则按照最大的发射功率进行发送。本发明提高整体网络通信的空间复用度，使网络的整体吞吐量得到很大的提升。

Description

基于动态功率调整的传输控制帧方法

技术领域

本发明涉及一种无线局域网传输技术领域的方法，具体是一种基于动态功率调整的传输控制帧方法。

背景技术

基于IEEE(美国电子和电气工程师协会)802.11系列协议的无线局域网具有灵活、快捷的组网特性以及能够提供像“漫游”等有线网络无法提供的服务，使其在现代社会生活中得到广泛的应用。在IEEE802.11系列协议中的MAC(接入控制层)通过固定功率的传输控制帧(RTS/CTS：请求发送/允许发送)来协调周围节点的发送和接收状态，在现实无线局域网络环境中，由于通信节点距离的不确定性，导致了干扰距离的变化。不同的干扰距离与相同的传输距离之间的矛盾，也就导致了现行的固定功率RTS/CTS机制在实际应用中不能有效发挥其作用，限制了整体网络性能的提高。

经对现有技术的文献检索发现，IEEE Std 802.11(电子和电器工程师协会无线局域网标准工作组)组织在1999年发布的“Wireless LAN Media AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications”(无线局域网媒体接入控制层和物理层规范)中规定，MAC层通过四次握手机制RTS-CTS-DATA-ACK(请求发送-允许发送-数据-接受确认)完成一次数据的传输。处在一对通信节点周围的其他节点，通过接收这对通信节点RTS和CTS，按照RTS/CTS中包含的NAV(网络分配向量)来设置自己保持静默的时间。控制帧RTS/CTS的发射功率是固定的，和传输数据时的发送功率一致。通过这种方式，保证这对通信节点的正确通信，不受到周围节点的影响。在现实的网络环境中，能够对通信产生干扰的距离一般是通信节点之间距离的1.78倍。由于通信节点之间距离的不确定性，也就导致了干扰距离的变化。不同的干扰距离与相同的传输距离之间的矛盾，限制了现行的RTS/CTS机制性能的发挥，在稍为密集型的网络中会严重影响网络的整体性能。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于动态功率调整的传输控制帧方法，应用于基于IEEE802.11系列协议的无线局域网，使通信节点获得通信传输的距离，动态调整RTS/CTS的传输功率，达到整体网络中的干扰最小，提高整体网络通信的空间复用度，使整体网络的性能得到提高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

首先，无线自组网中的通信节点检测周围的其他节点，并获得与周围节点通信的传输距离，建立一个与周围节点通信的发射功率表，在初始化时，将发射功率表中的发射功率设置为最大发射功率；

然后，通信节点接收周围其他节点的控制帧时，根据正确接收数据时信噪比所需满足的条件，通过最优功率计算公式得到与其他节点通信的最优发射功率，用最优发射功率更新此节点的发射功率表中的发射功率；

再次，当通信节点向周围节点发送帧时，首先进行帧判断，如果是RTS/CTS控制帧，则节点从自身的发射功率表中，查找出最优发射功率，进行控制帧的发送；如果是数据帧，则按照最大的发射功率进行发送。

所述的获得与周围节点通信的传输距离，具体为：通信节点收到帧后，获得接收功率P_r，根据Friis(福利斯)自由空间传播模型，接收功率 $P_r=P_t{G}_t{G}_r\frac{h_t^2{h}_r^2}{D_t^4},$ 其中：P_t、P_r分别代表发送端的发射功率以及接收端的接收功率，G_t、G_r分别代表发射端和接收端的天线增益，h_t、h_r分别代表发送端和接收端的天线高度，D_t代表发送端和接收端的距离，并通过公式 $D_t=\sqrt[4]{P_t{G}_t{G}_r{h}_t^2{h}_r^2}/\sqrt[4]{P_r},$ 得到通信的传输距离D_t。

所述发射功率表，包括：目的地址、到目的地址的距离、发射功率，其中到目的地址的距离即是通信的传输距离D_t。

所述根据正确接收数据时SNR(信噪比)所需满足的条件，通过最优功率计算公式得到与其他节点通信的最优发射功率，具体为：由Friss(福利斯)自由空间传播模型，得到 $P_i=P_t{G}_t{G}_r\frac{h_t^2{h}_r^2}{D_i^4},$ 其中，P_i为实际通信中接收端的其他节点的通信干扰功率，P_t表示发送端的发射功率，G_t、G_r分别代表发射端和接收端的天线增益，h_t、h_r分别代表发送端和接收端的天线高度，D_i为干扰范围半径，当 $\mathrm{SNR}=\frac{P_r}{P_i}\&GreaterEqual;10,$ 能够正确的接受数据； $\mathrm{SNR}=\frac{P_r}{P_i}={\left(\frac{D_i}{D_t}\right)}^4<10$ 时，数据不能正常接收，得到 $D_i<\sqrt[4]{10}{D}_t,$ 表示正在通信的两个节点能够对周围其他节点通信造成致命影响的范围最大为 $\sqrt[4]{10}{D}_t\&ap;1.78D_t,$ 进而得到节点最优化发射功率P_{t_best}，公式如下： $P_{t\_\mathrm{best}}=P_{t\_\max }{\left(\frac{1.78D_t}{R_{\max }}\right)}^4,$ 其中：P_{t_max}表示最大发射功率，R_max表示节点以最大发射功率P_{t_max}发射时能够正确传输的最大范围半径。

所述的最优发射功率，是指：能使RTS/CTS影响静默节点最少的发射功率。

所述信噪比，在IEEE Std.802.11中规定，接收端至少有10db的SNR(信噪比)才能正确的接受数据，即 $\mathrm{SNR}=\frac{P_r}{P_i}\&GreaterEqual;10.$

所述帧判断，具体为：在MAC层中包括如下帧格式：RTS(请求发送)帧、CTS(允许发送)帧、DATA(数据)帧、ACK(确认)帧，当数据进入到MAC层时，将数据送入帧版本控制单元，帧版本控制单元根据帧的格式，判断出帧的类型。

所述控制帧，其对通信的空间复用度产生主要影响的因素，调整了控制帧的传输功率，也就调整了它的影响范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明方法在不改变协议基本通信机制的前提下，加入最优发射功率表，各个节点不与周围其他节点交换控制/信息帧，通过自身的最优功率计算调整控制帧的发射功率，移植的灵活性好，通过功率调整能有效地减少干扰范围，提高通信的空间复用度，增加网络整体吞吐量。在实现中，网络吞吐量根据网络中节点分布的疏密程度，至少能实现约36％的性能提升。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明干扰与通信距离关系分析图；

图3为原协议实施例部分区域仿真结果图；

图4为本发明实施例部分区域仿真结果图；

图5为本发明实施例网络整体吞吐量仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括如下步骤：自组网中每个节点检测周围其它的节点，初始化时，通过接收功率P_r，最大传输功率P_t以及自由空间传播模型获得节点与周围其他节点的通信距离D_t，建立一个与周围节点通信的发射功率表，此表由目的地址，到目的地址的通信距离D_t，发射功率组成，初始化时将发射功率设置为最大的发射功率。当节点每次接收到周围其他节点的控制帧时，通过最优功率计算公式 $P_{t\_\mathrm{best}}=P_{t\_\max }{\left(\frac{1.78D_t}{R_{\max }}\right)}^4$ 得到与其他节点通信的最优发射功率，用P_{t_best}更新此节点的发射功率表；当此节点向周围节点发送帧的时候，首先进行帧判断，如果是RTS/CTS控制帧，则节点从自身的发射功率表中，查找出这个最优发射功率，进行控制帧的发送。然后进入帧侦听和接收阶段，进入下次通信距离获得阶段。

如图2所示，根据自由空间传播模型，传输最大距离半径R_t是和发射功率P_t成比例的，接收端接收到的功率P_r和通信的距离D_t以及发送端的发射功率P_t相关。通过具体分析，得到干扰的范围约为通信距离的1.78倍，即R_i＝1.78D_t，其中R_i表示能够对当前节点通信产生致命干扰的范围，干扰范围随着通信节点距离D_t的变化而变化。图中所示，A，B两节点进行通信，通信距离为D_t，虚线圆圈表示能够正确通信的最大范围，实线圆圈区域表示干扰范围。此时R_i＜R_t，虚线圆圈区域内的节点能够正确接收RTS/CTS，保持静默，但这些节点处于干扰范围之外，其通信不会影响到AB间的正确通信，这些节点在AB进行通信的过程中保持静默的话，就浪费了这些节点通信的可能性。这样就会导致信号空间复用度的降低，降低了整个网络的吞吐量。在密集型的网络中，这样缺陷成为网络性能提高的制约因素。

如图3所示，采用原协议时，部分仿真场景中正在通信节点和保持静默的范围。由于原协议中以最大功率发射RTS/CTS，从图中可以看到保持静默的范围是最大的。黑点表示正在通信的两个节点，虚线圆圈表示周围需要保持静默的范围，处于这些范围内的节点保持静默。从图3中可以看到，仿真场景中有6对节点正在进行通信。

如图4所示，本发明部分仿真场景中正在通信的节点和保持静默的范围。图3和图4的对比发现，同样的仿真场景下，根据各个通信对间的通信距离D_t的不同，经过最优发射功率计算，得到最优发射功率。采用了最优发射功率发射RTS/CTS，有效地减少了受RTS/CTS影响保持静默的区域，使网络中的通信节点对明显地提高，此时的仿真场景有8对节点正在进行通信。

如图5所示，为本发明实施例网络整体吞吐量仿真结果图，横坐标代表仿真时间，纵坐标表示整体网络吞吐量，分别采用5.5Mbps和11Mbps速率的CBR数据流进行原协议和本发明的网络吞吐量统计。Ori-5.5、Ori-11表示原协议整体网络吞吐量曲线，Mod-5.5、Mod-11表示本发明网络吞吐量。图中可以看出，Ori-5.5和Mod-5.5网络吞吐量达到稳定状态后，分别为3.79Mbps和5.19Mbps，意味着本发明较之原协议网络吞吐量提高了约37％的性能。0ri-11和Mod-11网络吞吐量达到稳定状态后，分别为7.67Mbps和10.42Mbps，本发明对比原协议性能提高了约36％。

由此证明本发明基于动态功率调整的RTS/CTS方法能够在较为密集的网络中有效地减少静默范围，保证通信正确传输的同时，大幅提高了整体网络的吞吐量。在仿真实现时，能够将网络的整体吞吐量提高36％(网络中节点的密集程度不同，性能提高会不同，主要与通信节点的距离关联紧密)。

Claims (3)

1.一种基于动态功率调整的传输控制帧方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，无线自组网中的通信节点检测周围节点，并获得与周围节点通信的传输距离，建立一个与周围节点通信的发射功率表，在初始化时，将发射功率表中的发射功率设置为最大发射功率；

然后，通信节点接收周围节点的控制帧时，根据正确接收数据时信噪比所需满足的条件，通过最优功率计算公式得到与周围节点通信的最优发射功率，用最优发射功率更新此节点的发射功率表中的发射功率；

再次，当通信节点向周围节点发送帧时，首先进行帧判断，如果是RTS/CTS控制帧，则节点从自身的发射功率表中，查找出最优发射功率，进行控制帧的发送；如果是数据帧，则按照最大的发射功率进行发送；

所述的获得与周围节点通信的传输距离，具体为：通信节点收到帧后，获得接收功率P_r，根据福利斯自由空间传播模型，接收功率 其中：P_t、P_r分别代表发送端的发射功率以及接收端的接收功率，G_t、G_r分别代表发射端和接收端的天线增益，h_t、h_r分别代表发送端和接收端的天线高度，D_t代表发送端和接收端的距离，并通过公式 得到通信的传输距离D_t；

所述发射功率表，包括：目的地址、到目的地址的距离、发射功率，其中到目的地址的距离即是通信的传输距离D_t。

2.根据权利要求1所述的基于动态功率调整的传输控制帧方法，其特征是，所述根据正确接收数据时信噪比所需满足的条件，通过最优功率计算公式得到与其他节点通信的最优发射功率，具体为：由福利斯自由空间传播模型，得到 

其中，P_i为实际通信中接收端的其他节点的通信干扰功率，P_t表示发送端的发射功率，G_t、G_r分别代表发射端和接收端的天线增益，h_t、 h_r分别代表发送端和接收端的天线高度，D_i为干扰范围半径；

当 

能够正确的接受数据，SNR为信噪比；

时，数据不能正常接收，得到 

表示正在通信的两个节点能够对周围其他节点通信造成致命影响的范围最大为 

进而得到节点最优化发射功率P_{t_best}，公式如下： 

其中：P_{t_max}表示最大发射功率，R_max表示节点以最大发射功率P_{t_max}发射时能够正确传输的最大范围半径。

3.根据权利要求1所述的基于动态功率调整的传输控制帧方法，其特征是，所述帧判断，具体为：在MAC层中包括如下帧格式：RTS帧、CTS帧、DATA帧、ACK帧，当数据进入到MAC层时，将数据送入帧版本控制单元，帧版本控制单元根据帧的格式，判断出帧的类型。 

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