無線信道干擾概率對網絡性能影響分析

王浩波，黃 偉，劉存才

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無線網絡易受干擾，從而影響通信效果，抗干擾是必須解決的問題。以前研究抗干擾大都處于鏈路層以下，集中在擴展頻譜技術及編碼技術等的研究上。對于系統級和網絡級抗干擾研究較少。通過對無線網絡中信道受干擾程度的研究，提出無線信道干擾概率思想，并依據干擾概率得到無線信道的通斷特性及干擾等級，進而分析干擾概率對無線網絡的系統可靠度和業務傳輸成功率的影響。利用OPNET工具進行建模，得到不同干擾概率下的仿真結果，分析干擾概率對網絡性能的影響，為設計無線網絡抗干擾路由協議和提高無線網絡抗干擾性能提供理論基礎。

1 無線信道干擾概率

無線信道的干擾情況與網絡中干擾源位置、節點間的距離、無線信道的方位參數、無線信道頻率、干擾方式及節點/干擾源的移動等有關。

在圖1所示無線網絡中，設通信機A的發射半徑為Tr，干擾機的發射半徑為Lr，干擾機可以干擾在其發射范圍內的通信機，即當通信機距離干擾機的半徑小于Lr時，該通信機所在節點就被干擾。

圖1 通信機A受到干擾源的干擾

隨著干擾條件的變化，各信道受干擾與否及受干擾程度也在變化，通過引入“無線信道干擾概率”來體現無線信道的受干擾程度。

無線信道干擾概率定義為在一定的干擾條件下和規定時間內無線信道無法保持連通的可能性。干擾概率大，說明無線信道容易受到干擾并影響連通性;干擾概率小，說明無線信道受干擾可能性小。

2 干擾概率對網絡性能的影響

選擇系統可靠度和業務傳輸成功率2個性能參數作為通信網絡考核指標，分析無線信道干擾概率對網絡性能的影響。

2.1 干擾概率對系統可靠度的影響

無線信道的干擾概率能夠決定鏈路的通斷特性，進而依據通斷特性計算網絡的系統可靠度。

在無線網絡中，假設共有n條無線信道，每條無線信道i(i=1，2，……，n)的干擾概率為 Ri，無線信道的通斷特性函數為Xi，令:

式中，r為連續產生的(0，1)區間上的服從相應干擾概率分布的隨機數。當Xi=1時，表示無線信道i處于連通狀態;當Xi=0時，表示無線信道i處于失效狀態。

定義網絡連通性函數X為:

設系統進行N次模擬取樣，在每次模擬產生系統樣本(即連通性函數X)后，統計節點對(或所有節點對)i，j(i，j=1，2，……)之間的連通情況，當 i與j之間至少有一條通信路由存在時，記為成功，成功次數記為Kij。

令:

即得到端到端可靠度。

將式(2)中的Kij統計成表示所有節點的連通成功次數時，可計算得到系統可靠度。

2.2 干擾概率對業務傳輸成功率的影響

無線信道的干擾概率決定干擾等級，影響到信道的誤碼率，進而影響業務的傳輸成功率。

采取端端可靠度模型的業務加權平均來做為業務傳輸成功率的測度指標。給出如下業務傳輸成功率計算模型:

式中，Rs為業務傳輸成功率，Wij為節點i與節點j之間的業務加權因子，Rij為端端可靠度。

式(3)中的Wij的取值取決于節點i與j之間的信息流量以及它們之間的通信中斷(故障)對系統完成任務的影響程度。

Wij按如下取值:

式中:

Wi/Wj為節點i/j的權，表示該節點在系統中占有的重要程度。

3 仿真實驗

3.1 實驗內容

通信網的工作過程可以認為是一個由發生在不同時間的隨機事件組成的離散隨機過程，通過計算機仿真對網絡中這些離散事件的發生、變化、終止過程進行動態模擬，并在仿真過程中統計網絡性能參量，進行網絡性能評估。

利用OPNET仿真工具，構建由 router，switch，server和lan終端等節點設備構成的通信網絡，在10 km×10 km范圍內，隨機分布30個節點。

在lan終端節點的應用層配置多端網絡業務，隨機選擇server節點作為目的節點，節點可產生的業務平均長度為512 B，平均業務產生間隔為10 min，流量模型服從泊松分布。為便于仿真結果統計，業務不進行拆包處理，一條業務對應一個數據包。

各router及switch節點間的信道使用無線信道模型，并增加“干擾概率”屬性，在仿真過程中依據干擾概率屬性的取值決定業務的發送情況。

3.2 仿真運行

設置運行時間為1 000 h，仿真運行過程步驟為:

①在初始化階段，基于干擾概率，計算每條信道在不同時刻的通斷狀態，依據通、斷的變化情況設置仿真中斷，干擾概率時間間隔默認服從負指數分布;同時，將連通次數、總業務個數、成功次數初始化。

②仿真運行開始，基于業務分布到達時刻，驅動仿真運行，新業務到達時，檢查次數累加1次，總業務個數累加1次。

③業務到達當前某個節點后，首先虛化該節點，以避免在選路過程產生自環。如果該節點是業務目的地，連通次數累加1次;計算可靠度=連通次數/檢查次數，計算業務傳輸成功率=業務傳輸成功數/業務總個數;恢復所有虛化節點，等待新業務中斷。

④如果該節點是中間節點，則依據路由規則選擇下一跳節點。

⑤下一跳節點是虛化節點，則不連通次數增加1次，丟包次數增加1次;計算可靠度和業務傳輸成功率;恢復所有虛化節點，等待新業務中斷。

⑥下一跳節點不是虛化節點，則對該業務進行丟包標記處理:如果已經對本業務進行了丟包標記，則不進行任何處理;如果不存在丟包標記，則根據信道的干擾概率，決定信道的通斷情況，決定是否丟包，丟包次數增加1次，對該業務進行丟包標記;將此下一跳節點設為當前節點，轉第③步。

⑦到達設置的仿真時間后，結束仿真。

3.3 仿真結果分析

仿真結束后，采集并輸出仿真結果。干擾概率對系統可靠度的影響如圖2所示。

圖2 干擾概率對系統可靠度的影響

干擾概率對業務傳輸成功率的影響如圖3所示。由仿真結果可以看出，系統可靠度隨著無線信道干擾概率的增加而快速下降，當干擾概率達到65%時，系統可靠度為0，意味著網絡中的節點均無路徑可達。業務傳輸成功率隨著干擾概率的增加而快速下降，當干擾概率達到55%時，業務傳輸成功率為0。業務傳輸成功率變化趨勢與系統可靠度相同，但在具體值上有所不同，這主要是因為業務的傳輸成功率還受到業務分布矩陣和業務的重要程度等影響。

圖3 干擾概率對傳輸成功率的影響

4 結束語

無線網絡中的無線信道由于受到干擾，導致已經建立的數據傳輸路徑經常斷裂。在無線網絡中引入無線信道干擾概率的思想，通過理論計算和仿真方法分析干擾概率對網絡性能的影響，得到干擾概率與系統可靠度、業務傳輸成功率的關系，仿真結論可用于設計穩定路由，有效地減少由于信道受干擾而引起拓撲結構的變化對于路由操作的影響，提高網絡的整體性能。此外，干擾概率對于QoS的研究也有重要意義，并且可以與負載均衡等問題結合起來，設計適合無線網絡的高效路由協議。

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