CN102869081A - 一种分布式无线网络中基于信道预约的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式无线网络中基于信道预约的功率控制方法，以基本信道预约为接入机制，首先计算所采用的信道模型（两径模型）的相关参数，然后针对以下三种情况进行功率控制：情况1、竞争模式下，发送端S竞争信道成功（预约表查询的结果为真），准备发送RTS给接收端R；情况2、预约模式下，S准备发送DATA给接收端R；情况3：邻节点N侦听到DATA或ACK。本发明提升信道复用率，增加网络容量；提高节点的能量消耗效率，延长网络的生命周期；改善实时业务的信道接入质量，降低分组延迟抖动。

Description

一种分布式无线网络中基于信道预约的功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是实时业务传输方法。

背景技术

无线自组织网络（Ad hoc网络）是由一群同等级节点构成的无线多跳网络，每个节点具备自己的无线收发装置，网络不包含任何中心控制节点与基础设施，各节点分布式接入信道。这种网络的组建成本低，抗毁性强，组网速度快，应用领域广泛。

随着无线网络技术的不断发展，一些具有特殊服务质量要求的业务在Ad hoc网络中的传输逐渐成为人们研究的热点，如多媒体实时业务，其数据分组的产生具有周期性，对传输延迟性能的要求较高。然而Ad hoc网络中，节点以分布式随机竞争的方式接入信道，随着网络负载的增加，分组冲突愈加严重，会出现：1.用户间干扰加剧，网络吞吐率降低；2.节点能量消耗随重传次数的增加而加剧，网络生命周期缩短；3.业务传输失败率上升，端到端的时延性能下降。

合理的多址接入协议（MAC协议）可以有效缓解分组冲突带来的上述问题，提高多媒体业务访问的成功率和网络工作效率。当前广泛用于Ad Hoc网络的MAC协议是802.11工作组制定的IEEE 802.11a DCF，采用载波侦听冲突避免（CSMA/CA）机制，节点以随机退避的方式公平竞争信道。由于IEEE 802.11a DCF中所有业务的优先级相同，实时业务的误帧率和传输延迟随业务量的加重而降低。针对此问题，802.11工作组提出IEEE 802.11e标准，将四种类型的数据按照信道竞争的优先权差异分为八个优先级，实时业务的优先权较高，普通业务的优先权较低。该方法沿袭了基本的信道接入模式，难以从本质上克服网络负载较大时的分组冲突问题。

基于对信道接入模式的改进，C.R.Lin和M.Gerla提出了信道预约思想（MACA/PR）。该思想中，实时业务在发送当前实时分组的同时，将下一周期数据分组传输所需的信道使用时段（即预约信息，CRI）随分组一并广播出去，邻节点通过对CRI的解析，获得实时业务的信道使用时段，当自己有分组需要传输时，避免在此时段接入信道。基本预约机制（MACA/PR）中，所有发送端的发送功率一致，对于那些距离较近、采用较小功率即可通信的收发节点对，此方式的信道空间复用率低下，网络吞吐率有限，网络生命周期也较短。

为解决上述问题，有必要对发送功率进行合理设置，即在信道预约机制中引入功率控制技术。普通功率控制策略通过减小数据分组的发送功率来降低节点能耗，然而接收端接收数据分组的干扰范围随发送功率的减小而增大，导致新增干扰范围内邻节点与接收端发生冲突。针对该问题，有学者提出周期性增大数据分组的发送功率、将功率控制与忙音机制相结合、物理载波侦听范围覆盖干扰范围以及载波侦听门限的动态调整等方法。然而，目前相关研究均以竞争型MAC协议作为接入策略，未有适合于信道预约机制的功率控制策略提出。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于信道预约的功率控制方法，通过对发送功率和载波侦听门限的动态调整，提升网络的吞吐率、能量消耗效率和实时业务的传输质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

●初始化：计算所采用的两径模型的相关参数：

步骤1：计算两径模型的相关常数

和关键距离d_c=4h_th_r/λ，其中d₀为参考距离，γ₁和γ₂为路径损耗因子，常数K=20log₁₀(λ/4πd₀)，波长λ＝c/f，c为光速，f为频率，ψ为阴影衰落因子，h_r和h_t为收发天线高度；

步骤2：由两径模型中接收功率P_r随发送功率P_t和收发端距离d变化的关系式

$P_r=\left\{\begin{array}{cc}{c}_1{P}_t/d^{{\mathrm{\γ}}_1}& d_0\≤d\≤d_c\\ c_2{P}_t/d^{{\mathrm{\γ}}_2}& d>d_c\end{array}\right.$

计算当采用最大功率且d＝d_c时接收端的接收功率

●情况1：竞争模式下，发送端S竞争信道成功，准备发送RTS给接收端R；

步骤1：S以最大功率P_max发送RTS给R；

步骤2：若R未收到S的RTS，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道变忙，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道虽然一直闲、但预约表查询的结果为假，则R什么也不做，S重新竞争信道，待竞争成功后转入步骤1；否则R以功率P_max发送CTS给S，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的CTS，则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则S提取CTS的接收功率P_r，得到S和R之间的距离 $d=\left\{\begin{array}{cc}{(c_1{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_1}& P_r\&GreaterEqual;P_{r\_c}\\ {(c_2{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_2}& P_r<P_{r\_c}\end{array}\right.$

式中， ${P_a}^{\&prime;}=\frac{1}{2c}{d}^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}(1+\sqrt{1+\frac{4c{P}_{\max }}{d^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}}}),$ 若d₁≤d≤d_c，c＝c₁，γ＝γ₁；若d＞d_c，c＝c₂，γ＝γ₂，SNR_thold为DATA分组被正确接收时的信噪比门限；

S计算预约范围

S等待SIFS时段后，将自身的位置信息和R_α放入DATA中；

S以最大功率P_max发送DATA，转入步骤4；

步骤4：若R没有收到S的DATA，则R什么也不做，S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则R等待SIFS时段后，提取DATA中的R_α，将自身的位置信息和R_α放入ACK中，以功率P_max发送ACK；

步骤5：若S收到R的ACK，则本情况的处理结束；否则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；

●情况2：预约模式下，S准备发送DATA给接收端R；

步骤1：S和R调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得

S检测信道，若信道忙，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S以功率P_α发送DATA给R，转入步骤2；

步骤2：若R没有收到S的DATA，则R和S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，S重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则R等待SIFS时段后，以功率P_α发送ACK，然后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的ACK，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S在收到ACK后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得p_CR-thold＝P_N，本情况的处理结束；

●情况3：邻节点N侦听到DATA或ACK；

步骤1：N检查该DATA或ACK中是否携带有R_α，若没有，则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束；否则转入步骤2；

步骤2：N提取该DATA或ACK中的R_α和位置信息，计算自己与该DATA或ACK发送者之间的距离，若距离大于R_α则什么也不做，本情况的处理结束；否则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束。

本发明的有益效果是：

一、提升信道复用率，增加网络容量；

二、提高节点的能量消耗效率，延长网络的生命周期；

三、改善实时业务的信道接入质量，降低分组延迟抖动。

附图说明

图1是本发明对预约业务的吞吐率性能产生的有益效果；

图2是本发明对预约业务的能量消耗效率性能产生的有益效果；

图3是本发明对预约业务的分组延迟抖动性能产生的有益效果；

图4是竞争模式下DATA的帧格式；

图5是竞争模式下ACK的帧格式；

图6是具体流程说明的网络拓扑；

图7是具体流程说明的握手过程。

具体实施方式

本发明以基本信道预约为接入机制，为方便描述本专利的内容，下面先概述基本信道预约机制的原理，再给出本专利发明内容的技术原理。

基本信道预约：

未进行信道预约时，节点以竞争模式（即IEEE 802.11DCF模式）接入信道，握手方式为RTS-CTS-DATA-ACK。若上次握手成功，后续分组以预约模式接入信道，握手方式为DATA-ACK。若预约模式下握手失败，转回竞争模式接入信道，直至握手成功后再转为预约模式。

信道预约由DATA和ACK的发送者发起，DATA和ACK中携带有该分组发送者的CRI。通过对这两种分组的侦听，邻节点将CRI记录在自己相应的预约表中。在CRI所示的各预约时段内，节点避免使用信道。

每个节点维护两张预约表：发送预约表和接收预约表。发送预约表记录周围DATA发送者将在未来某段时间使用信道的信息；接收预约表记录周围ACK发送者将在未来某段时间使用信道的信息。每张预约表中可包含多个按时间顺序排列的CRI，预约开始时间距离当前时刻最近的CRI为预约表的第1条CRI，以此类推。每条CRI由“预约开始时间”和“预约结束时间”组成，分别代表此次预约占用信道的起始和终止时间，每条CRI的“预约开始时间”和“预约结束时间”构成1个预约时段。

节点在发送RTS和CTS之前，需查询预约表，若自己此次传输所需的时间段与预约表中各预约时段不重合，则查询结果为真，可以接入信道；否则查询结果为假，需要重新退避。

本发明的技术原理描述如下：

●初始化：计算所采用的信道模型（两径模型）的相关参数：

步骤1：计算两径模型的相关常数c₁、c₂和关键距离

d_c=4h_th_r/λ。其中d₀为参考距离，γ₁和γ₂为路径损耗因子，常数K（dB）=20log₁₀(λ/4πd₀)，波长λ＝c/f，c为光速，f为频率，ψ为阴影衰落因子，h_r和h_t为收发天线高度）；转入步骤2；

步骤2：由两径模型中接收功率P_r随发送功率P_t和收发端距离d变化的关系式

$P_r=\left\{\begin{array}{cc}{c}_1{P}_t/d^{{\mathrm{\&gamma;}}_1}& d_0\&le;d\&le;d_c\\ c_2{P}_t/d^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}& d>d_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

计算当采用最大功率，且d＝d_c时接收端的接收功率

本情况的处理结束。

●情况1：竞争模式（IEEE 802.11DCF）下，发送端S竞争信道成功（预约表查询的结果为真），准备发送RTS给接收端R。

步骤1：S以最大功率P_max发送RTS给R，转入步骤2；

步骤2：若R未收到S的RTS，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道变忙，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道虽然一直闲、但预约表查询的结果为假，则R什么也不做，S重新竞争信道，待竞争成功后转入步骤1；否则R以功率P_max发送CTS给S，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的CTS，则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则S提取CTS的接收功率P_r，得到S和R之间的距离d

$d=\left\{\begin{array}{cc}{(c_1{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_1}& P_r\&GreaterEqual;P_{r\_c}\\ {(c_2{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_2}& P_r<P_{r\_c}\end{array}\right.---\left(2\right)$

S计算最佳功率P_α；

$P_{\mathrm{\&alpha;}}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\max }& {P_{\mathrm{\&alpha;}}}^{\&prime;}>P_{\max }\\ {P_{\mathrm{\&alpha;}}}^{\&prime;}& \frac{P_N{\left(\frac{d}{{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{DATA}}}\right)}^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}}{c_2}\&le;{P_{\mathrm{\&alpha;}}}^{\&prime;}\&le;P_{\max }\\ \frac{P_N{\left(\frac{d}{{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{DATA}}}\right)}^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}}{c_2}& {P_{\mathrm{\&alpha;}}}^{\&prime;}<\frac{P_N{\left(\frac{d}{{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{DATA}}}\right)}^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}}{c_2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中， ${P_a}^{\&prime;}=\frac{1}{2c}{d}^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}(1+\sqrt{1+\frac{4c{P}_{\max }}{d^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}}})$ （若d₀≤d≤d_c，c＝c₁，γ＝γ₁；

若d＞d_c，c＝c₂，γ＝γ₂），SNR_thold为DATA分组被正确接收时的信噪比门限。

S计算预约范围R_α；

$R_{\mathrm{\&alpha;}}={\left(\frac{c_2{P}_{\mathrm{\&alpha;}}}{P_N}\right)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_2}---\left(4\right)$

S等待SIFS时段后，将自身的位置信息和R_α放入DATA中；

S以最大功率P_max发送DATA，转入步骤4；

步骤4：若R没有收到S的DATA，则R什么也不做，S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则R等待SIFS时段后，提取DATA中的R_α，将自身的位置信息和R_α放入ACK中，以功率P_max发送ACK，转入步骤5。

步骤5：若S收到R的ACK，则本情况的处理结束；否则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1。

●情况2：预约模式下，S准备发送DATA给接收端R。

步骤1：S和R调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得

$P_{\mathrm{CR}-\mathrm{thold}}=c_2{P}_{\max }/{R_{\mathrm{\&alpha;}}}^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}---\left(5\right)$

S检测信道，若信道忙，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S以功率P_α发送DATA给R，转入步骤2；

步骤2：若R没有收到S的DATA，则R和S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，S重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则R等待SIFS时段后，以功率P_α发送ACK，然后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的ACK，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S在收到ACK后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，本情况的处理结束。

●情况3：邻节点N侦听到DATA或ACK。

步骤1：N检查该DATA或ACK中是否携带有R_α，若没有，则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束；否则转入步骤2；

步骤2：N提取该DATA或ACK中的R_α和位置信息，计算自己与该DATA或ACK发送者之间的距离，若距离大于R_α则什么也不做，本情况的处理结束；否则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束。

下面对技术原理中涉及到的若干名词进行说明：

竞争信道：指节点依次进行信道检测、DIFS（帧间间隔）等待、退避、预约表的更新和查询。

信道检测、DIFS（帧间间隔）等待和退避这3个名词的定义与IEEE 802.11DCF标准相同，这里不再赘述。

更新预约表：指节点删除发送预约表和接收预约表中所有预约开始时间在当前时间之前的CRI。

查询预约表：指节点判断此次握手所需的时段是否与预约表中各CRI的预约时段有重叠现象，若没有则查询结果为真，否则查询结果为假。

写预约表：若邻节点在t_D时刻侦听到预约节点的DATA，则将预约时段T_t(t_st,t_et)作为1条CRI写入发送预约表；若邻节点在t_A时刻侦听到预约节点的ACK，则将预约时段T_t(t_sr,t_er)作为1条CRI写入接收预约表。其中，T为预约周期，t_st和t_et为预约时段T_t的开始和结束时间，t_sr和t_er为预约时段T_t的开始和结束时间。t_st、t_et、t_sr和t_er的计算方法见公式（6）-（9），式中T_D和T_A分别为DATA和ACK的传输时长，T_SIFS为帧间间隔（见IEEE 802.11DCF标准）。

t_st＝t_D+T-T_D         （6）

t_et＝t_D+T+T_SIFS+T_A   （7）

$t_{\mathrm{sr}}=t_A+t-T_A-T_{\mathrm{SIF}\stackrel{\&OverBar;}{S}}---\left(8\right)$

t_er＝t_A+T            （9）

调整接收机载波侦听门限：指节点调整自己接收机能感知到的信号的最小功率。

上述技术原理中未声明部分与IEEE 802.11DCF标准相同。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本方法兼容IEEE 802.11标准，工作在异步多跳无线通信网络下，支持分布式工作方式，无需中心控制器的介入，可以作为无线网卡固件的一部分或作为网卡驱动程序的一部分加以实现。

在“所采取的技术方案”部分，我们给出了本方法涉及算法的说明，下面结合实例，对其进行详细说明。

一、帧格式

竞争模式下DATA的帧格式见图4：采用IEEE802.11标准中的DATA帧格式，由于其“地址4”域在无网桥的分布式Ad Hoc网络中无意义，征用此域的前4个字节作为“自身位置”域，存放该DATA发送者自身的位置信息；征用此域的后2个字节作为“预约范围”域，存放该DATA发送者的预约范围R_α。

竞争模式下ACK的帧格式见图5：以IEEE802.11标准中的ACK帧格式为基础，添加长度为4个字节的“自身位置”域，存放该ACK发送者自身的位置信息；添加长度为2个字节的“预约范围”域，存放该ACK发送者的预约范围R_α。

预约模式下所有分组的帧格式与IEEE 802.11a标准一致。

二、具体操作流程

1．网络拓扑

考虑如图6所示的网络拓扑，黑色圆点代表网络中的节点，节点间的箭头代表数据分组的发送方向。设N_S（0,200）和N_D（40,200）代表以竞争模式接入信道的发送节点和接收节点，R_S（0,550）、R_D（40,550）代表以预约模式接入信道的发送节点和接收节点，A（40,0）、B（0,650）代表邻节点（上述节点后括号中的值代表该节点在网络中的坐标，单位为米）。R_α为预约范围，CR_max为最大载波侦听范围半径（即发送功率为P_max，背景噪声P_CR-thold＝P_N时的载波侦听范围半径）。

2．操作过程

本实例中，路径损耗因子γ₁＝2、γ₂＝4，收发天线高度h_r＝1、h_t＝1，参考距离d₀＝1，频率f＝5.3GHz，阴影衰落因子ψ＝0，最大功率P_max＝0.02W，背景噪声P_N＝8×10^-14W，正确接收DATA的信噪比门限SNR_thold＝24dB。DATA的长度为1000字节，实时业务周期T＝30ms。DATA采用QAM-64调制，码率为2/3，传输速率为48Mbps，基于DATA的调制模式，参照IEEE 802.11a标准，ACK采用QAM-16调制，码率为1/2，传输速率为24Mbps。参照IEEE 802.11a标准，帧间间隔DIFS＝34μs、SIFS＝16μs。

根据IEEE 802.11a标准的物理层帧格式及OFDM传输策略，计算得到RTS的传输时长T_RTS＝28μs、CTS的传输时长T_CTS＝28μs、DATA的传输时长T_DATA＝196μs、ACK的传输时长T_ACK＝28μs。

设R_S在t₁＝0.03s时刻以竞争模式发送RTS，N_S在t₂＝0.03001s时刻以预约模式发送DATA。

A、N_S、N_D、R_S和R_D的预约表为空，B的发送和接收预约表中分别有R_S和R_D的CRI，见表1和表2。

情况1、情况2和情况3涉及的握手过程见图7。其中，R为载波侦听范围，P_α为最优功率，R_α为预约范围，CR_max为最大载波侦听范围半径。

情况3.1、情况3.2和情况3.3为情况3中不同子情况的分类说明。

●初始化：计算信道模型的相关参数：

步骤1：将γ₁＝2、γ₂＝4、h_r＝1、h_t＝1，d₀＝1代入K（dB）=20log₁₀(λ/4πd₀)和λ＝c/f，得到 $c_1={d_0}^{{\mathrm{\&gamma;}}_1}\&times;{10}^{(K-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dB}})/10}=0.00002,$ $c_2={d_0}^{{\mathrm{\&gamma;}}_1}\&times;{d_c}^{{\mathrm{\&gamma;}}_2-{\mathrm{\&gamma;}}_1}\&times;{10}^{(K-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dB}})/10}=0.101327,$

d_c=4h_th_r/λ＝70.66667，转入步骤2；

步骤2：将c₁＝0.00002、P_max＝0.02W、d_c=70.66667和γ₁＝2代入得到当发送端的发送功率为P_max，收发端距离d＝d_c时，接收端的接收功率 $P_{r\_c}=c_1{P}_{\max }/{d_c}^{{\mathrm{\&gamma;}}_1}=0.00002\&times;0.02/{\left(70.66667\right)}^2=8\&times;{10}^{-11}W,$ 本情况的处理结束。

●情况1：竞争模式（IEEE 802.11DCF）下，发送端N_S竞争信道成功（预约表查询的结果为真），准备发送RTS给接收端N_D。

步骤1：N_S在t₁＝0.03s时刻以最大功率P_max（P_max＝0.02W）发送RTS给N_D，转入步骤2；

步骤2：N_D在t₃＝0.030028s时刻收到N_S的RTS，N_D等待SIFS时段，在这SIFS时段内信道一直闲，N_D更新和查询预约表，查询结果为真（预约表空），则N_D在t₄＝0.030044s时刻以功率P_max（P_max＝0.02W）发送CTS，转入步骤3；

步骤3：N_S在t₅＝0.030072s时刻收到R的CTS，提取CTS的接收功率P_r（P_r＝2.5×10^-10W），由于P_r＞P_rc，由公式（2）计算得到S和R之间的距离（d） $d={(c_1{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_1}={(0.00002\&times;0.02/2.5\&times;{10}^{-10})}^{0.5}=40m;$

N_S将d＝40m代入公式（3），计算得到最佳功率P_α（P_α＝0.0066W）；

N_S根据公式（4）计算得到预约范围R_α（R_α＝302m）；

N_S等待SIFS时段后，在t₆＝0.030088s时刻将自身的位置信息（0,200）放入DATA帧中“地址4”域的前4个字节（即“自身位置”域）中：将十进制坐标（0,200）转换为二进制坐标（00000000000000000000000011001000），其中前2个字节存放x坐标值，后两个字节存放y坐标值；再将R_α（302）放入DATA帧中“地址4”域的第5-6个字节（即“预约范围”域）中：将十进制数302转换为二进制数（0000000100101110）；

N_S在t₆＝0.030088s时刻以功率P_max（P_max＝0.02W）发送DATA，转入步骤4；

步骤4：N_D在t₁₀＝0.030284s时刻收到N_S的DATA，N_D等待SIFS时段后，在t₁₁＝0.0303s时刻提取DATA中的R_α，将自身的位置信息（40,200）放入ACK帧的“自身位置”域中（00000000001010000000000011001000）；再将R_α（302）放入ACK帧的“预约范围”域中：将十进制数302转换为二进制数（0000000100101110）；

N_D在t₁₁＝0.0303s时刻以功率P_max（P_max＝0.02W）发送ACK，转入步骤5。

步骤5：N_S在t₁₂＝0.030328s时刻收到N_D的ACK，本情况的处理结束。

●情况2：预约模式下，信道闲，R_S准备发送DATA给接收端R_D。

步骤1：在t₂＝0.03001s时刻，R_S和R_D调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，由公式（5）得到P_CR-thold＝2.4363×10^-13W；

R_S检测信道，发现信道闲（调整载波侦听门限之前，信道忙），则R_S以功率P_α＝0.0066W发送DATA（DATA帧格式中“地址4”域的内容为全0）给R_D，转入步骤2；

步骤2：R_D在t₇＝0.030206s时刻收到R_S的DATA，等待SIFS时段后，在t₈＝0.030222s时刻以功率P_α＝0.0066W发送ACK，然后在t₉＝0.030250s时刻调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N＝8×10^-14W，转入步骤3；

步骤3：R_S在t₉＝0.03025s时刻收到R_D的ACK，R_S在t₉＝0.03025s时刻调整接收机的载波侦听门限P_CR-thild，使得P_CR-thold＝P_N＝8×10^-14W，本情况的处理结束。

●情况3.1：邻节点B侦听到R_S的DATA。

步骤1：B在t₇＝0.030206s时刻收到R_S的DATA，发现该DATA中“地址4”域的内容为全0，则B根据公式（6）-（7），将该DATA的CRI写入发送预约表，其中

t_st＝t_D+T-T_D＝0.030206+0.03-0.000196＝0.06001

t_et＝t_D+T+T_SIFS+T_A＝0.030206+0.03+0.000016+0.000028＝0.06025

此时B的发送预约表见表3；本情况的处理结束。

●情况3.2：邻节点B侦听到R_D的ACK。

步骤1：B在t₉＝0.03025s时刻收到R_D的ACK，发现该ACK中无“自身位置”和“预约范围”域，则B根据公式（8）-（9），将该ACK的CRI写入接收预约表，其中

t_sr＝T_A+T-T_A-T_SIFS-T_D＝0.03025+0.03-0.000028-0.000016-0.000196＝0.06001

t_er＝T_A+T＝0.03025+0.03＝0.06025

此时B的接收预约表见表4；本情况的处理结束。

●情况3.3：邻节点A侦听到N_D的ACK（由于DATA采用QAM-64调制，该调制模式的信噪比门限较高，导致A无法正确接收N_S的DATA）。

步骤1：A在t₁₂＝0.030328s时刻收到N_S的ACK，发现该ACK中“自身位置”和“预约范围”域的内容不为空，则转入步骤2；

步骤2：A提取该ACK中的位置信息和R_α，得到该ACK发送者的位置坐标为（40，200），预约范围R_α为302，又已知自己的位置坐标为（40，0），则自己与该ACK发送者之间的距离为200，由于该距离小于R_α，则A将该ACK的CRI写入接收预约表，其中

t_sr＝T_A+T-T_A-T_SIFS-T_D＝0.030328+0.03-0.000028-0.000016-0.000196＝0.060088

t_er＝T_A+T＝0.030328+0.03＝0.060328

此时A的接收预约表见表5；本情况的处理结束。

综上所述，本专利方法缩小了预约节点的通信范围，使得原本不能同时接入信道的两对节点（N_S、N_D节点对和R_S、R_D节点对）可以同时复用信道，从而达到了减小节点间冲突的目的，信道利用率、能量消耗效率以及预约业务的传输质量得以提高。

定义单位时间内网络中发送成功的有效数据载荷总量为吞吐率；定义单位能量内发送的有效数据载荷为能量消耗效率；定义数据分组到达接收端的时间间隔的变化量为分组延迟抖动。本仿真比较了IEEE 802.11DCF、基本信道预约和采用本专利方法的信道预约这三种机制中，网络的吞吐率、能量消耗效率和分组延迟抖动性能，分别见图1、图2和图3。

如图1所示，由于采用了功率控制技术，本专利方法的信道资源复用率得到提高，吞吐率远高于IEEE 802.11DCF和基本信道预约协议，因此网络容量也最大。而与IEEE802.11DCF相比，由于信道衰落和分组冲突等原因，基本信道预约中CRI传播的可靠性随业务量的增加而降低，导致丢包现象略高，因此吞吐率略低。

如图2所示，由于本专利方法中节点在预约时段内的发送功率P_α小于P_max，且吞吐率在3种机制中最高，所以其能量消耗效率远高于IEEE 802.11DCF和基本信道预约。

分组延迟抖动是反映周期性业务信道接入效率的重要参数，抖动越小，代表业务的信道接入效率越高，对于信道预约机制来讲，预约则越可靠。如图3所示，基于竞争接入的IEEE 802.11DCF中，所有节点在接入信道前需要随机退避，特别当背景业务繁重时，信道接入效率随分组冲突的增加而下降，分组延迟的抖动更加剧烈。基本信道预约中，当预约成功时，节点能够在周期性预约时段内接入信道，该情况下的分组延迟抖动为0，而预约失败时，则与IEEE 802.11DCF一样出现延迟的抖动。与基本信道预约相比，本专利方法中的通信范围较小，且通过对载波侦听门限的动态调整，使得原本处于相互信号影响范围内的节点可以复用信道，因此预约可靠性更高，分组的延识抖动最小。

表1

预约开始时间	预约结束时间
		O.03001	O.03025

表2

预约开始时间	预约结束时间
		O.03001	O.03025

表3

l预约开始时间	预约结束时间
		O.06001	O.06025

表4

预约开始时间	预约结束时间
		O.06001	O.06025

表5

预约开始时间	预约结束时间
		O.060088	O.060328

Claims (1)

1.一种分布式无线网络中基于信道预约的功率控制方法，其特征在于包括下述步骤：

●初始化：计算所采用的两径模型的相关参数：

步骤1：计算两径模型的相关常数

和关键距离d_c=4h_th_r/λ，其中d₀为参考距离，γ₁和γ₂为路径损耗因子，常数K=20log₁₀(λ/4πd₀)，波长λ＝c/f，c为光速，f为频率，ψ为阴影衰落因子，h_r和h_t为收发天线高度；

步骤2：由两径模型中接收功率P_r随发送功率P_t和收发端距离d变化的关系式

$P_r=\left\{\begin{array}{cc}{c}_1{P}_t/d^{{\mathrm{\&gamma;}}_1}& d_0\&le;d\&le;d_c\\ c_2{P}_t/d^{{\mathrm{\&gamma;}}_2}& d>d_c\end{array}\right.$

计算当采用最大功率且d＝d_c时接收端的接收功率

●情况1：竞争模式下，发送端S竞争信道成功，准备发送RTS给接收端R；

步骤1：S以最大功率P_max发送RTS给R；

步骤2：若R未收到S的RTS，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道变忙，或R收到S的RTS后的SIFS时段内信道虽然一直闲、但预约表查询的结果为假，则R什么也不做，S重新竞争信道，待竞争成功后转入步骤1；否则R以功率P_max发送CTS给S，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的CTS，则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则S提取CTS的接收功率P_r，得到S和R之间的距离 $d=\left\{\begin{array}{cc}{(c_1{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_1}& P_r\&GreaterEqual;P_{r\_c}\\ {(c_2{P}_{\max }/P_r)}^{1/{\mathrm{\&gamma;}}_2}& P_r<P_{r\_c}\end{array}\right.$

式中， ${P_a}^{\&prime;}=\frac{1}{2c}{d}^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}(1+\sqrt{1+\frac{4c{P}_{\max }}{d^{\mathrm{\&gamma;}}{P}_N{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{thold}}}}),$ 若d₀≤d≤d_c，c＝c₁，γ＝γ₁；若d＞d_c，c＝c₂，γ＝γ₂，SNR_thold为DATA分组被正确接收时的信噪比门限；

S计算预约范围

S等待SIFS时段后，将自身的位置信息和R_α放入DATA中；

S以最大功率P_max发送DATA，转入步骤4；

步骤4：若R没有收到S的DATA，则R什么也不做，S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；否则R等待SIFS时段后，提取DATA中的R_α，将自身的位置信息和R_α放入ACK中，以功率P_max发送ACK；

步骤5：若S收到R的ACK，则本情况的处理结束；否则S重新竞争信道，待完成后转入步骤1；

●情况2：预约模式下，S准备发送DATA给接收端R；

步骤1：S和R调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得

S检测信道，若信道忙，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S以功率P_α发送DATA给R，转入步骤2；

步骤2：若R没有收到S的DATA，则R和S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，S重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则R等待SIFS时段后，以功率P_α发送ACK，然后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，转入步骤3；

步骤3：若S没有收到R的ACK，则S调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，并重新竞争信道，待完成后转入情况1；否则S在收到ACK后调整接收机的载波侦听门限P_CR-thold，使得P_CR-thold＝P_N，本情况的处理结束；

●情况3：邻节点N侦听到DATA或ACK；

步骤1：N检查该DATA或ACK中是否携带有R_α，若没有，则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束；否则转入步骤2；

步骤2：N提取该DATA或ACK中的R_α和位置信息，计算自己与该DATA或ACK发送者之间的距离，若距离大于R_α则什么也不做，本情况的处理结束；否则将该DATA或ACK的CRI写入预约表，本情况的处理结束。

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