CN101466133A - 一种适用于ad hoc网络的DCF协议节点自适应功率控制机制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于ad hoc网络的节点功率控制机制。本发明首先详细分析了载波检测无线网络环境中的冲突干扰问题，然后在IEEE 802.11 DCF协议的框架内提出了一种适用于ad hoc网络的自适应功率控制机制。该机制能根据各个接收节点的通信状况，自适应的调整接收节点的CTS帧发送功率和收方决定的数据帧发送功率。无线网络仿真环境GloMoSim中的仿真实验证明，该机制不仅能有效节省节点能耗，延长网络的生存时间，还能同时增大网络的频率空间复用度，提高网络的平均吞吐量。

Description

一种适用于ad hoc网络的DCF协议节点自适应功率控制机制

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及适用于ad hoc网络的DCF协议节点自适应功率控制机制。

背景技术

无线ad hoc网络是一种新型的无线网络。它由一系列地位完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网络设施。网络中的每个节点既是终端又是路由器，它们在信道访问控制(Medium Access Control，MAC)协议的控制下，以多跳共享的方式接入无线信道。由于ad hoc网络中的移动节点一般依赖寿命非常有限的电池供电，能量是非常宝贵的资源，因而在MAC协议的设计中应该考虑尽量节省节点的能耗，从而延长节点的工作时间和网络的生存时间。

近几年来，MAC协议中的能量节省机制是ad hoc网络研究的热点之一。目前已有的MAC协议能量节省机制大致可以分为节点休眠控制机制和节点功率控制机制两大类。其中，节点休眠控制机制允许节点在适当的时候切换到低功耗的休眠状态，从而降低节点的能耗；而节点功率控制机制要求在保证信号发送成功的前提下，尽可能的节省节点的发射功耗。由于网络的频率空间复用度与节点的发送功率大小直接相关，因而合理的功率控制机制不仅能有效的节省节点的能耗，还能提高网络的频率空间复用度，从而提高网络的平均吞吐量。本发明涉及的即为MAC协议中的节点功率控制机制。

Ad hoc网络的MAC协议大多采用的是载波检测多点接入的随机访问机制。对于载波检测无线网络，当网络中的接收节点收到的信号功率大于信号接收门限时，只有当接收节点的信噪比SNR大于节点的接收信噪比门限SNR_threshold时，节点才能无冲突地接收该信号。因此，为了保证节点无冲突地接收信号，在信号传输期间，该节点周围一定区域内的其余发送节点均不能发送信号，这个区域即为该接收节点的冲突干扰范围。

考虑无线信号传播模型采用双线地面反射(Two-Ray)模型的情况，接收信号功率p_rx可由下式计算得出：

$p_{\mathrm{rx}}=\frac{p_{\mathrm{tx}}{h_t}^2{h_r}^2{G}_t{G}_r}{d^4}---\left(1\right)$

其中p_tx为信号的发射功率，G_t和G_r分别为发送节点和接收节点的天线增益，h_t和h_r分别为发送节点和接收节点的天线高度，d为发送节点和接收节点之间的距离。假设发送节点和干扰节点的发射功率分别为p_tx1和p_tx2，忽略热噪声的影响，当发送节点和干扰节点并行发送信号时，接收节点收到的信号功率与干扰信号功率之比为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rx}}=\frac{p_{\mathrm{tx}1}}{p_{\mathrm{tx}2}}{\left(\frac{d_{\mathrm{if}}}{d_{\mathrm{tx}}}\right)}^4---\left(2\right)$

其中，d_tx和d_if分别为发送节点和干扰节点与接收节点之间的距离。因为只有在满足：

SNR_rx≥SNR_threshold   (3)

的条件时，发送节点发送的信号才能被接收节点正确接收。因此，由式(2)，式(3)即可得出发送节点和干扰节点并行发送信号时，接收节点的冲突干扰范围r_if为：

$r_{\mathrm{if}}=d_{\mathrm{tx}}\sqrt[4]{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{threshold}}\frac{p_{\mathrm{tx}2}}{p_{\mathrm{tx}1}}}---\left(4\right)$

假设SNR_threshold恒定，由式(4)可知，接收节点相对于某一干扰节点的冲突干扰范围取决于发送节点与接收节点之间的距离以及发送节点和干扰节点的发送功率比值。由于SNR_threshold通常设置为10dB，因此在p_tx1和p_tx2相等的情况下，r_if通常取1.78d_tx。

然而，当接收节点冲突干扰范围外存在多个干扰节点同时发送信号时，接收节点受到的干扰信号功率应该是多个发送节点产生的干扰信号功率之和。在这种情况下，假定节点接收到的信号功率为p_rx，为了保证接收节点无冲突地接收信号，在信号传输期间，不仅接收节点冲突干扰范围内的其余发送节点不能发送信号，而且接收节点冲突干扰范围外的各个发送节点对该接收节点产生的干扰信号功率之和p_iftotoal还必须满足以下条件(忽略热噪声的影响)：

p_iftotal≤p_rxSNR_threshold   (5)

IEEE 802.11DCF(Distributed Coordination Function)是无线局域网中的标准协议，目前已被广泛应用于ad hoc网络的各种仿真和测试床，成为了事实上的ad hoc网络MAC协议规范。该协议通过物理载波检测机制和虚拟载波检测机制避免发送节点之间的冲突，并采用RTS-CTS控制帧握手机制部分的解决了隐终端问题。但是，该协议却没有引入节点功率控制机制来进一步提高网络的性能。目前，研究人员已经在DCF协议的框架内提出了几种功率控制机制。

Pursley M.B.和Russell H.B.提出的功率控制机制采用最大的发送功率发起RTS-CTS帧交互，而以较低的功率完成数据帧的传输和应答，从而降低数据帧的发送功率，节省节点的能耗。Jung E.S.将此类功率控制机制称为基本功率控制机制，该机制的实现较为简单，不需引入新的控制帧，并能与现有的DCF协议兼容。然而，由于在DCF协议中，所有节点均采用相等的功率p_std发送信号，因而由式(4)可知，假定SNR_threshold的值为10dB，则当收/发节点之间的距离大于0.56r_tx时，接收节点的冲突干扰范围r_if将大于CTS帧的传输范围r_tx。在这种情况下，r_tx范围之外，r_if范围之内的节点无法正确监听接收节点应答的CTS帧，因而无法通过虚拟载波检测机制延迟发送。在数据帧传输过程中，这些节点发送的信号仍然会导致接收节点发生冲突。因此，简单的增大CTS帧的传输范围，不仅无法完全避免冲突，而且还会引起节点能耗的增加和网络频率空间复用度的降低，从而导致网络平均吞吐量的下降。

同时，由式(4)可知，降低节点的发送功率能节省节点的能耗，但同时也增大了接收节点的冲突干扰范围，使接收节点更容易发生冲突，而冲突导致的发送节点重传数据帧又浪费了节点的能量。Jung E.S.通过仿真证明，基本功率控制机制不仅会引起网络平均吞吐量的下降，甚至还可能导致节点能耗的增加。

Jung E.S.在基本功率控制机制的基础上提出了PCM协议。该协议在数据帧的发送期间，周期性地增大发送功率，从而避免冲突。仿真证明，该协议虽然能节省节点的能耗，但没有同时通过功率控制机制提高频率的空间复用度，因而无法提高网络的平均吞吐量。

Monks J.P.和Bharghavan V.提出的PCMA协议引入了一种基于双信道的功率控制机制。该机制规定，接收节点在数据信道上接收数据帧的同时，还在忙音信道上发送忙音信号。忙音信号的功率等于该节点正确接收数据帧所允许的最大噪声功率，其他发送节点能通过监听忙音信号来调整发送功率，从而避免冲突。与DCF协议相比，该协议能获得更高的网络吞吐量，但监听忙音信号仅能避免节点在接收数据帧时发生冲突，却无法保证发送节点正确接收ACK应答帧。因此，发送节点重传数据帧仍然会导致节点能量的浪费。同时，该协议的实现基于双信道，因而无法与DCF协议兼容。

发明内容

本发明的目的是根据ad hoc网络拓扑和节点通信状况动态变化的特点，在DCF协议的框架内建立一种适用于ad hoc网络的节点自适应功率控制机制，允许各个接收节点根据当前的通信状况，自适应的调整接收节点应答CTS帧的发送功率和由该接收节点决定的数据帧发送功率。从而保证在节省节点能耗，延长网络生存时间的同时，还能有效增大网络的频率空间复用度，提高网络的平均吞吐量。

本发明提出的节点自适应功率控制机制采用了以下步骤：

步骤1：发送节点和接收节点采用DCF协议中的RTS-CTS握手机制预约信道，接收节点收到发送节点的RTS帧后，根据接收信号的功率估算收方决定的最小数据帧发送功率和最大CTS帧发送功率。

步骤2：接收节点根据当前的通信状况，对收方决定的数据帧和CTS帧发送功率进行自适应调整。当节点成功接收数据帧的概率较低时，接收节点通过增大数据帧发送功率提高了接收节点的抗干扰能力，同时通过增大CTS帧的发送功率扩大了CTS帧的传输范围，使更多发送节点能通过虚拟载波检测机制延迟发送，从而减少对该接收节点的干扰；反之，当节点成功接收数据帧的概率较高时，接收节点通过减小数据帧和CTS的发送功率降低节点的能耗，增大网络的频率空间复用度，从而提高网络的平均吞吐量。

步骤3：接收节点以调整后的功率向发送节点应答CTS帧，并将调整后的收方决定的数据帧发送功率告知发送节点。发送节点以该功率向接收节点发送Data帧。同时，允许接收节点CTS帧传输范围外的其余发送节点尝试并行发起传输，从而提高网络的平均吞吐量。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为网络中多个发送节点并行发起传输的示意图；

图2为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

本发明提出的DCF协议节点自适应功率控制机制已经在无线网络仿真环境GloMoSim中实现，并通过GloMoSim环境中的仿真结果验证了该机制的有效性。在后面的叙述中，将本发明提出的节点自适应功率控制机制简记为APCM(Adaptive Power Control Mechanism)。下面给出APCM的具体实现步骤：

步骤1：最小数据帧发送功率和最大CTS帧发送功率的估算；

APCM规定，网络中所有发送节点均以标准信号发送功率p_std向接收节点发送RTS帧。接收节点收到RTS帧后，可以根据接收信号的功率p_rx及式(1)给出的传播模型、节点的天线增益G和天线高度h估算出发送节点与接收节点之间的距离d_tx为：

$d_{\mathrm{tx}}=\sqrt[4]{\frac{p_{\mathrm{std}}{h}^4{G}^2}{p_{\mathrm{rx}}}}---\left(6\right)$

根据d_tx和已知的信号接收门限rx_threshold、信噪比门限SNR_threshold，接收节点即可由当前的信道噪声功率p_noise估算出发送节点的最小数据帧发送功率p_Datamin为：

$p_{\mathrm{Data}\min }=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{d_{\mathrm{tx}}}^4{p}_{\mathrm{noise}}{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{threshold}}}{h^4{G}^2},& \frac{{\mathrm{rx}}_{\mathrm{threshold}}}{p_{\mathrm{noise}}}<{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{threshold}}\\ \frac{{d_{\mathrm{tx}}}^4{\mathrm{rx}}_{\mathrm{threshold}}}{h^4{G}^2},& \frac{{\mathrm{rx}}_{\mathrm{threshold}}}{p_{\mathrm{noise}}}\&GreaterEqual;{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{threshold}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

p_Datamin即为在当前信道噪声条件下，为保证接收节点正确接收数据帧，发送节点必须采用的最小发送功率。由于p_Datamin≤p_std，因此，当发送节点以最小发送功率p_Datamin向接收节点发送数据帧时，对该接收节点产生干扰的任一节点的最大干扰功率即为p_std。在d_tx和p_std均已知的情况下，由式(4)即可得出当发送节点以最小发送功率p_Datamin向接收节点发送数据帧时，接收节点的最大冲突干扰范围r_ifmax为：

$r_{\mathrm{if}\max }=d_{\mathrm{tx}}\sqrt[4]{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{threshold}}\frac{p_{\mathrm{std}}}{p_{\mathrm{Data}\min }}}---\left(8\right)$

因此，为了保证接收节点能无冲突的接收发送节点以最小发送功率p_Datamin发送的数据帧，在帧传输期间，接收节点最大冲突干扰范围r_ifmax内的其余发送节点均不能发送信号。令CTS帧的传输范围为r_ifmax，即可得到接收节点应答CTS帧时所需采用的最大发送功率p_CTSmax为：

$P_{\mathrm{CTS}\max }=\frac{{r_{\mathrm{if}\max }}^4{\mathrm{rx}}_{\mathrm{threshold}}}{h^4{G}^2}---\left(9\right)$

由于rx_threshold>p_noise，因此由式(7)，式(8)和式(9)可知p_CTSmax>p_std。

步骤2：接收节点根据当前的通信状况，对收方决定的数据帧和CTS帧发送功率进行自适应调整；

APCM要求节点在内存中维护四个变量：“数据帧接收成功次数计数器(RSC)”、“数据帧接收失败次数计数器(RFC)”、“数据帧发送功率调整系数(DPC)”和“CTS帧发送功率调整系数(CPC)”。APCM规定：

1、RSC和RFC的初值设置为0，DPC和CPC的初值分别设置为DPC_min和CPC_min。

2、接收节点收到发送节点的RTS帧，并估算出发送节点的最小数据帧发送功率p_Datamin和接收节点应答CTS帧时的最大发送功率p_CTSmax后，即可由以下两式得出本次数据传输过程中，接收节点向发送节点应答CTS帧时的发送功率p_CTS和发送节点向接收节点发送数据帧时的发送功率p_Data

$\left\{\begin{array}{cc}{p}_{\mathrm{CTS}}=p_{\mathrm{CTS}\max }(1-\mathrm{CPC}),& p_{\mathrm{CTS}\max }(1-\mathrm{CPC})\&GreaterEqual;p_{\mathrm{std}}\\ p_{\mathrm{CTS}}=p_{\mathrm{std}},& p_{\mathrm{CTS}\max }(1-\mathrm{CPC})<p_{\mathrm{std}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}{p}_{\mathrm{Data}}=p_{\mathrm{Data}\min }(1+\mathrm{DPC}),& p_{\mathrm{Data}\min }(1+\mathrm{DPC})<p_{\mathrm{std}}\\ p_{\mathrm{Data}}=p_{\mathrm{std}},& p_{\mathrm{Data}\min }(1+\mathrm{DPC})\&GreaterEqual;p_{\mathrm{std}}\end{array}\right.---\left(11\right)$

3、接收节点根据通信状况自适应的调整DPC和CPC的值：

(1)如果接收节点成功接收了发送节点的数据帧，则将RSC的值加1。如果RSC的值大于或等于RSC_Th，则将RFC的值设置为0，并将DPC和CPC的值调整为：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{DPC}=0.5\mathrm{DPC}.& 0.5\mathrm{DPC}>{\mathrm{DPC}}_{\min }\\ \mathrm{DPC}={\mathrm{DPC}}_{\min },& 0.5\mathrm{DPC}\&le;{\mathrm{DPC}}_{\min }\end{array}\right.---\left(12\right)$

CPC＝2CPC                                     (13)

(2)如果接收节点接收发送节点的数据帧失败，则将RFC的值加1。如果RFC的值大于或等于RFC_Th，则将RSC的值设置为0，并将DPC和CPC的值调整为：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{CPC}=0.25\mathrm{CPC},& 0.25\mathrm{CPC}>{\mathrm{CPC}}_{\min }\\ \mathrm{CPC}={\mathrm{CPC}}_{\min },& 0.25\mathrm{CPC}\&le;{\mathrm{CPC}}_{\min }\end{array}\right.---\left(14\right)$

DPC＝2DPC                                      (15)

其中，RSC_Th、RFC_Th、DPC_min和CPC_min均为常量。

由此可知，APCM根据接收节点的通信状况，分别在区间[p_std，p_CTSmax)和(p_Datamin，p_std]内动态的调整接收节点应答CTS帧时的发送功率p_CTS和收方决定的数据帧发送功率p_Data。当节点成功接收数据帧的概率较低时，APCM通过增大p_Data提高了接收节点的抗干扰能力，同时通过增大p_CTS扩大了CTS帧的传输范围，使更多发送节点能通过虚拟载波检测机制延迟发送，从而减少对该接收节点的干扰；反之，当节点成功接收数据帧的概率较高时，APCM通过减小p_Data和p_CTS降低节点的能耗，增大网络的频率空间复用度，从而提高网络的平均吞吐量。

步骤3：发送节点以收方决定的数据帧发送功率发送Data帧，同时允许接收节点CTS帧传输以外的其余发送节点发起并行传输；

APCM在CTS帧中增加了一个数据帧发送功率(DTP)字段，用于存放收方决定的数据帧发送功率P_Data。接收节点以发送功率p_CTS向发送节点应答CTS帧，发送节点收到该帧后，即可由帧中的DTP字段获知数据帧的发送功率p_Data，并以此功率向接收节点发送数据帧。接收节点正确接收数据帧后，以标准信号发送功率p_std向发送节点应答ACK帧。

由于APCM能根据接收节点的通信状况，自适应地调整CTS帧和数据帧的发送功率，因此，为了提高网络的频率空间复用度，在数据帧传输期间，APCM允许接收节点CTS帧传输范围外的其余节点尝试并行发起传输。在发送节点传输范围内收到RTS帧而延迟发送的其余节点，如果在T_waitCTS时间内没有监听到接收节点应答的CTS帧，即可开始尝试并行发起传输。T_waitCTS设置为发送节点向接收节点发送RTS帧后，等待CTS帧的时间，即

T_waitCTS＝SIFS+T_trCTS         (16)

其中，T_TrCTS为CTS帧的传输时间。

附图1给出了采用APCM机制时，网络中多个发送节点并行发起传输的示意图。发送节点A、D和E分别采用收方决定的数据帧发送功率p_Datal、p_Data2和P_Data3向接收节点B、D和F发送数据帧。

附图2给出了本发明的仿真结果。考虑在边长为1000m的正方形仿真区域中，随机分布100个节点，并在这100个节点中随机建立30个发方和收方均不相同的CBR流。发送节点以1Mbps的速率发送数据包，路由协议采用AODV。在仿真中，通过改变seed值得到了50种不同的随机仿真场景，附图2给出了这50次随机仿真的结果。由仿真结果可以看出，APCM在有效节省节点能量的同时还能显著提高网络的平均吞吐量。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1、一种适用于ad hoc网络的DCF协议节点自适应功率控制机制，所采用的步骤是：

步骤1：发送节点和接收节点采用DCF协议中的RTS-CTS握手机制预约信道，接收节点根据发送节点发送的RTS帧估算收方决定的最小数据帧发送功率和最大CTS帧发送功率；

步骤2：接收节点根据当前的通信状况，对收方决定的数据帧和CTS帧发送功率进行自适应调整；

步骤3：接收节点以调整后的功率向发送节点应答CTS帧，并将调整后的收方决定的数据帧发送功率告知发送节点，发送节点以该功率向接收节点发送Data帧，同时，允许接收节点CTS帧传输范围外的其余发送节点尝试并行发起传输。

2、根据权利要求1所述的一种适用于ad hoc网络的DCF协议节点自适应功率控制机制，其特征是：

(1)发送节点采用标准发送功率发送RTS帧，而接收节点应答CTS帧的功率及发送节点发送数据帧的功率由接收节点决定；

(2)接收节点根据收/发节点之间的距离和接收节点的最大冲突干扰范围确定最小数据帧发送功率和最大CTS帧发送功率；

(3)允许接收节点根据当前的通信状况，对收方决定的数据帧发送功率和CTS帧发送功率进行自适应调整，当节点成功接收数据帧的概率较低时，接收节点通过增大数据帧发送功率提高了接收节点的抗干扰能力，同时通过增大CTS帧的发送功率扩大了CTS帧的传输范围，使更多发送节点能通过虚拟载波检测机制延迟发送，从而减少对该接收节点的干扰，反之，当节点成功接收数据帧的概率较高时，接收节点通过减小数据帧和CTS的发送功率降低节点的能耗，增大网络的频率空间复用度，从而提高网络的平均吞吐量；

(4)在CTS帧中添加一个数据帧发送功率字段，发送节点收到接收节点应答的CTS帧后，即可获知数据帧发送功率，并以此功率向接收节点发送数据帧；

(5)允许接收节点CTS帧传输范围外的其余发送节点尝试并行发起传输，从而提高网络的平均吞吐量。

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