CN110022562A - 一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，属于移动自组织网络通信技术领域，采用带功率控制的信道分配控制，通过信道动态协商对信道进行自适应调整分配，在同一区域实现不同信道的多个通信。本发明用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，可以减少信道干扰，并在密集环境下保持信道连接，在保持良好的吞吐量情况下，信道可用性最大化，减少控制消息开销，很好地保证服务质量；适用于避免干扰和路径故障的高移动性网络环境。

Description

一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法
技术领域
本发明属于移动自组织网络通信技术领域，具体涉及一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法。
背景技术
移动自组织网络(MANETs)由于网络节点频繁的移动和动态连接，通过减少通信干扰提高服务质量(QoS)对自组织网络来说尤其具有挑战性。在自组织网络中必须克服节点流动性干扰来获取实用的服务质量。对于远距离通信，自组织网络中节点以多跳的方式直接与其他节点通信，如果不是目标节点，中间节点作为路由器运行，自组织网络使用路由、信道访问、移动管理等在自组网络中提供服务。但是，自组网络中由于节点通信干扰造成连接损失，连接损失会导致传输路线过时和不准确，严重影响自组织网络的吞吐量和传输延迟。
结合图1网络拓扑结构图，考虑节点A使用最大值传输功率，向节点B传输数据包，节点D在移动节点A的通信范围内，较大的虚圆表示没有功率控制的通信范围。从节点A到节点B的进行通信，则不能授予节点C到节点D的通信，因为节点C和节点D之间的通信可能会引起隐藏节点A的干扰，这就存在暴露节点问题。
使用单一共享信道模型的IEEE802.11标准已被广泛接受，然而IEEE802.11随着移动节点数量的增加，干扰频率增加造成网络性能显著下降。在一个密集的环境中应用一个信道Multiple Access Control(MAC)协议，而其中部署了多个节点，则信道切换会对网络性能产生不利影响。多信道控制中的每个节点都可以切换信道，但是当一个移动节点进入另一个节点对的通信范围时，会导致移动网络连接损失和信道干扰，因此需要采取信道分配来管理动态信道。在网络中重新分配信道以提高信道利用率，但是动态信道重新分配方案并不适合高移动性、密集的环境。为了避免暴露节点问题，提出了动态信道分配方案，该方案减少了多信道下的消息开销和信道获取时间，但是在具有相同带宽信道的环境中，并不能很好地发挥作用。
(一)解决的技术问题
为了有效解决自组织网络中节点通信干扰造成连接损失，连接损失会导致传输路线过时和不准确，严重影响自组织网络的吞吐量和传输延迟的缺陷问题，提出一种基于功率控制的分布式信道分配控制方法，通过信道动态协商，在同一区域实现不同信道的多个通信，该方法不仅可以减少信道干扰，并在密集环境下保持信道连接，而且可以在保持良好的吞吐量情况下，信道可用性最大化，减少控制消息开销，很好地保证服务质量，适用于避免干扰和路径故障的高移动性网络环境。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，包括以下步骤：
S1、建立源节点A的空闲信道集nc，源节点A在空闲信道集nc中寻找空闲信道；
S2、如果源节点A检测到空闲信道，源节点A发送信息给邻近节点；如果源节点A没有检测到空闲信道，进入源节点A功率协调控制过程S4；
S3、邻近节点接收到源节点A发送的信息，核对节点保持通信状态表(CST)，源节点A与邻近节点进行信道交换；
S4、源节点A进行功率协调控制；
S4.1、源节点A利用接收信号计算源节点A与其邻近节点之间的距离d；
S4.2、判断距离d是否小于阈值dmin，如果d＜dmin，则源节点A与邻近节点B不进行通信，返回步骤S4.1，其中阈值dmin是两个节点之间在当前干扰水平下正确解码所需的最小距离；
S4.3、如果距离d＞dmin，源节点A启动发射功率处理干扰状态，源节点A协调发射功率ptx,A，发射功率通过以下方式获得：
ptx,A＝pwri(A)/prx,A
其中i为功率等级，i∈[1,10]，pwri(A)表示源节点A在功率等级i下使用的最大功率，prx,A表示源节点A的邻近节点B接收功率；
S4.4、源节点A计算发射功率后，将发射功率发射到邻近节点，源节点A直接与其邻近节点B通信而不受干扰；
S4.5、节点保持通信状态表(CST)更新为Vd(A)，源节点A发送信息给邻近节点B；
S4.6、邻近节点B接收到源节点A发送的信息，测量并比较接收信号功率，如果接收功率小于最小功率，则禁止通信，如果节点接收功率大于最小功率，邻近节点将发送信号到源节点A，源节点A与邻近节点B进行信道交换，节点保持通信状态表(CST)被更新成Vd(B)，重复执行步骤S1。
根据本发明的一实施例，所述步骤S1信道包括四个信道，分别为ch.1、ch.2、ch.3和ch.4，四个信道为正交信道。
根据本发明的一实施例，所述步骤S2源节点发送的信息包括源节点、目的节点、空闲信道、功率等级。
根据本发明的一实施例，所述步骤S3节点保持通信状态表(CST)包括源节点、目的节点、繁忙信道、空闲信道、邻近节点和功率等级；每个节点为一个数组，数组包括节点编号、繁忙信道、空闲信道、功率等级。
根据本发明的一实施例，所述步骤S4.1源节点A将一个数据包发送到邻近节点B，并将带有发射功率ptx,A的数据包发送到邻近节点B，具有接收功率prx,B的邻近节点B接收，如公式(1)所示：
其中λ是载波波长，d是两个节点之间的距离，gtx和grx分别表示发送方和接收方的天线增益，n是路径损失系数；
通过公式(1)，得出两个节点之间距离d：
根据本发明的一实施例，所述n根据物理环境的不同而在2和4之间变化。
(三)有益效果
本发明的有益效果：一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，采用带功率控制的信道分配控制，通过信道动态协商对信道进行自适应调整分配，在同一区域实现不同信道的多个通信；该方法可以减少信道干扰，并在密集环境下保持信道连接，在保持良好的吞吐量情况下，信道可用性最大化，减少控制消息开销，很好地保证服务质量；该方法适用于避免干扰和路径故障的高移动性网络环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是网络拓扑结构图。
图2是分布式信道功率控制拓扑结构图。
图3是本发明方法流程图。
图4是信道协商成功率对比曲线。
图5是控制消息数量影响对比曲线。
图6是丢失率对比曲线。
图7是功率等级下的吞吐量对比曲线。
图8是归一化吞吐量对比曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据信道重用原则，未分配给节点的信道将被动态分配给其他节点，由于节点迁移性导致不可预测的拓扑变化，移动网络中基于位置的方案难以直接应用。定期交换节点位置信息消耗许多宝贵的信道带宽，并造成传输延迟。单共享信道中的多跳广播方案占用了大量的信道带宽，由于暴露节点问题，可能导致大量的信道干扰。
为了便于描述分布式信道分配方法，信道具有相同的带宽，所有信道为正交信道，在不同信道上发送的包不会相互干扰；要同时接收和传输，每个节点需要配备两个半双工收发器，收发器能够动态地切换信道；节点保持通信状态表(CST)，包括源节点、目的节点、繁忙信道、空闲信道、邻居节点数量和功率等级。
结合图2分布式信道功率控制拓扑结构图，大的虚圆表示没有功率控制，小的实圆表示进行功率控制。节点A远离节点B，A与B之间进行通信，在分布式环境中，由于节点A在节点C内引起暴露节点问题。节点C和节点D之间通信具有干扰。当移动节点A注意到与节点C存在信道干扰，节点A采用功率控制通过节点E、节点F实现与节点B通信以防止信道干扰。
结合图3本发明流程图，一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，包括以下步骤：
S1、建立源节点A的空闲信道集nc，源节点A在空闲信道集nc中寻找空闲信道；信道包括四个信道，分别为ch.1、ch.2、ch.3和ch.4，四个信道为正交信道；
S2、如果源节点A检测到空闲信道，源节点A发送信息(源节点、目的节点、空闲信道、功率等级)给邻近节点；如果源节点A没有检测到空闲信道，进入源节点A功率协调控制过程S4；
S3、邻近节点接收到源节点A发送的信息，核对节点保持通信状态表(CST)，如表1所示；源节点A与邻近节点进行信道交换；
表1：节点保持通信状态表(CST)
节点保持通信状态表(CST)包括源节点、目的节点、繁忙信道、空闲信道、邻近节点和功率等级；每个节点为一个数组，数组包括节点编号、繁忙信道、空闲信道、功率等级。
S4、源节点A进行功率协调控制；
S4.1、源节点A利用接收信号计算源节点A与其邻近节点之间的距离d；
源节点A想要将一个数据包发送到邻近节点B，并将带有发射功率ptx,A的数据包发送到邻近节点B，具有接收功率prx,B的邻近节点B接收，如公式(1)所示：
其中λ是载波波长，d是两个节点之间的距离，gtx和grx分别表示发送方和接收方的天线增益，n是路径损失系数，可能根据物理环境的不同而在2和4之间变化；
通过公式(1)，得出两个节点之间距离d：
S4.2、判断距离d是否小于阈值dmin，如果d＜dmin，则源节点A与邻近节点B不进行通信，返回步骤S4.1，其中阈值dmin是两个节点之间在当前干扰水平下正确解码所需的最小距离，如表2所示；
表2：功率衰减程度对应的阈值
S4.3、如果距离d＞dmin，源节点A启动发射功率处理干扰状态，源节点A协调发射功率ptx,A，发射功率通过以下方式获得：
ptx,A＝pwri(A)/prx,A (3)
其中i为功率等级，i∈[1,10]，pwri(A)表示源节点A在功率等级i下使用的最大功率，prx,A表示源节点A的邻近节点B接收功率，根据公式(1)，可以获得源节点A协调功率等级，传输功率ptx,A通常与接收功率prx,A成反比例变化；
S4.4、源节点A计算发射功率后，将发射功率发射到邻近节点，源节点A只能直接与其邻近节点B通信而不受干扰；
S4.5、节点保持通信状态表(CST)更新为Vd(A)，源节点A发送信息(源节点、目的节点、空闲信道、功率等级)给邻近节点B；
S4.6、邻近节点B接收到源节点A发送的信息，测量并比较接收信号功率，如表2所示，如果接收功率小于最小功率，则禁止通信，如果节点接收功率大于最小功率，邻近节点将发送信号到源节点A，源节点A与邻近节点B进行信道交换；节点保持通信状态表(CST)被更新成Vd(B)，重复执行步骤S1。
分布式信道分配控制方法中每个信道具有固定带宽，可以分析得到与信道数量相关的最大吞吐量和延迟。信道分配的成功率与空闲信道数Cn成比例，数据包长度和控制包长度用于分析信道带宽，空闲信道数Cn为：
Ccon为控制信道的数量，ld为数据包长度，τd为数据信道带宽，lc为控制包长度，τc为控制信道带宽。给出固定信道带宽Cbw，令Uch为归一化成功率，可以通过以下方式计算：
减小控制包长度或增加给定信道带宽中的数据包长度可以改善信道利用率。
针对固定带宽，带宽利用率Ubw通过以下公式计算：
经过变换可得：
可以得出信道利用率和带宽利用率相等这一结论。
使用NS2软件模拟平台，在1000×1000m2区域中节点的数量从20增加到100，功率衰减程度对应的阈值为20到350米，移动速度为1m/s且节点的位置每秒更新一次。每个节点以每秒4个数据包的速率向基站发送数据包，每次模拟重复100次。通过对3信道、4信道分布式信道分配与随机动态信道分配结果对比，验证提出带有功率控制的分布式信道分配方法在自组织网络中通过减少通信干扰提高服务质量(QoS)。
为了分析信道协商成功率对节点密度的影响，图4分别给出了本文提出的分布式信道分配控制(3信道和4信道)与随机信道分配控制模拟结果，分布式信道分配控制的信道协商成功率明显比随机信道分配控制高，尤其是4信道分布式信道分配控制；随着节点数量的增加信道协商成功率有所下降，但是不是很明显。分布式信道分配控制确保所有节点具有足够的可用资源来解决干扰而不降低饱和网络中信道协商的成功率。
当信道带宽固定时，评估控制消息数量对节点密度的性能，图5给出了通信节点中控制消息数量的影响对比曲线。所有节点都有数据并且数据被发送到其目的节点，该图显示控制消息开销与信道重新分配控制相关联。随机信道分配要比本发明所提出的的分布式信道分配(3信道、4信道)产生更多的控制消息，这是因为本发明提出的分布式信道分配方法利用信道重用以消除信道干扰的不利影响，即使节点数量增加，4信道分布式信道分配方法也显示出稳定的结果。
图6给出了在不同节点数量下，3信道、4信道、随机信道分配过程中数据包丢失率对比图，采用本文提出的带有功率控制的3信道、4信道分布式信道控制的数据包丢失率明显比随机信道分配控制低，随着节点数量从20增加到100，源节点传输的数据包数量随着网络密度的增加而增加，数据包的丢失率也增加。
图7给出了在不同功率等级下，3信道、4信道、随机信道分配吞吐量对比图，随着功率水平增加，信道分配对应的吞吐量性能增强，使用所提出的信道分配方法相对于随机信道分配方法可以增加网络吞吐量，因为提出的方法中CST中有空闲信道可用或获取新信道，采用功率控制机制，最小化与相邻节点的干扰。
图8给出了归一化3信道、4信道、随机信道分配吞吐量对比图，随着节点数量的增加4信道相对于3信道、随机信道分配具有更高的吞吐量。对于随机信道分配由于频繁地改变信道，通过减少数据传输和增加信道空闲时间来最小化信道利用率，并没有明显改善归一化吞吐量。
综上所述，本发明实施例，用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，采用带功率控制的信道分配控制，通过信道动态协商对信道进行自适应调整分配，在同一区域实现不同信道的多个通信；该方法可以减少信道干扰，并在密集环境下保持信道连接，在保持良好的吞吐量情况下，信道可用性最大化，减少控制消息开销，很好地保证服务质量；该方法适用于避免干扰和路径故障的高移动性网络环境。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、建立源节点A的空闲信道集nc，源节点A在空闲信道集nc中寻找空闲信道；
S2、如果源节点A检测到空闲信道，源节点A发送信息给邻近节点；如果源节点A没有检测到空闲信道，进入源节点A功率协调控制过程S4；
S3、邻近节点接收到源节点A发送的信息，核对节点保持通信状态表(CST)，源节点A与邻近节点进行信道交换；
S4、源节点A进行功率协调控制；
S4.1、源节点A利用接收信号计算源节点A与其邻近节点之间的距离d；
S4.2、判断距离d是否小于阈值dmin，如果d＜dmin，则源节点A与邻近节点B不进行通信，返回步骤S4.1，其中阈值dmin是两个节点之间在当前干扰水平下正确解码所需的最小距离；
S4.3、如果距离d＞dmin，源节点A启动发射功率处理干扰状态，源节点A协调发射功率ptx,A，发射功率通过以下方式获得：
ptx,A＝pwri(A)/prx,A
其中i为功率等级，i∈[1,10]，pwri(A)表示源节点A在功率等级i下使用的最大功率，prx,A表示源节点A的邻近节点B接收功率；
S4.4、源节点A计算发射功率后，将发射功率发射到邻近节点，源节点A直接与其邻近节点B通信而不受干扰；
S4.5、节点保持通信状态表(CST)更新为Vd(A)，源节点A发送信息给邻近节点B；
S4.6、邻近节点B接收到源节点A发送的信息，测量并比较接收信号功率，如果接收功率小于最小功率，则禁止通信，如果节点接收功率大于最小功率，邻近节点将发送信号到源节点A，源节点A与邻近节点B进行信道交换，节点保持通信状态表(CST)被更新成Vd(B)，重复执行步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：所述步骤S1信道包括四个信道，分别为ch.1、ch.2、ch.3和ch.4，四个信道为正交信道。
3.根据权利要求2所述的一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：所述步骤S2源节点发送的信息包括源节点、目的节点、空闲信道、功率等级。
4.根据权利要求3所述的一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：所述步骤S3节点保持通信状态表(CST)包括源节点、目的节点、繁忙信道、空闲信道、邻近节点和功率等级；每个节点为一个数组，数组包括节点编号、繁忙信道、空闲信道、功率等级。
5.根据权利要求1所述的一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：所述步骤S4.1源节点A将一个数据包发送到邻近节点B，并将带有发射功率ptx,A的数据包发送到邻近节点B，具有接收功率prx,B的邻近节点B接收，如公式(1)所示：
其中λ是载波波长，d是两个节点之间的距离，gtx和grx分别表示发送方和接收方的天线增益，n是路径损失系数；
通过公式(1)，得出两个节点之间距离d：
6.根据权利要求5所述的一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法，其特征在于：所述n根据物理环境的不同而在2和4之间变化。
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