認(rèn)知退避算法的研究

【摘要】無線通信技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中，然而你有限的頻譜資源與較低的頻譜利用率導(dǎo)致頻譜資源日益匱乏。本文提出了一種具有認(rèn)知功能的退避算法（CR-BOA）。該算法通過認(rèn)知用戶根據(jù)信道的擁塞程度，自適應(yīng)的調(diào)整退避窗口的大小。該算法大大提高了用戶的性能，減少了二進(jìn)制指數(shù)退避算法的等待和碰撞問題。最后OPNET仿真結(jié)果表明，減少了端到端的延遲，減少了丟包率。

【關(guān)鍵詞】無線自組網(wǎng)；OPNET；退避算法；認(rèn)知功能

1.引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組自由移動的節(jié)點組成的一種臨時性的自組織網(wǎng)絡(luò)，和其他的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣，信道資源相對緊張，節(jié)點對信道資源的使用受限。但是也有區(qū)別于其他有固定接入點的無線網(wǎng)絡(luò)（GSM），Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有一個可靠地中心控制節(jié)點，因此，節(jié)點間不容易協(xié)調(diào)。并且由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的高度靈敏性，需要更多的資源傳輸控制信息。總之，提高信道資源利用率、協(xié)調(diào)各節(jié)點之間的操作、提高傳輸效率是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容，因此設(shè)計一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的高效的MAC協(xié)議成為當(dāng)前研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的重點之一。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是具有認(rèn)知功能，能夠感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件，然后依據(jù)這些條件做出規(guī)劃、決策和行為的網(wǎng)絡(luò)。它具有對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自適應(yīng)能力，以及對以前決策的評判和未來決策判定的學(xué)習(xí)能力。通過分析，可以將認(rèn)知技術(shù)應(yīng)用到MAC協(xié)議上，使之具有認(rèn)知的能力。這樣利用CR-BOA算法可以減少隱藏終端和暴露終端問題，提高用戶的吞吐量，避免數(shù)據(jù)的發(fā)送時延，減少丟包率。

2.退避算法研究

在MAC協(xié)議的接入技術(shù)中，當(dāng)發(fā)生分組沖突時，發(fā)送者要執(zhí)行退避算法，延遲一段時間以后再次嘗試發(fā)送。實行退避的目的是為了減少重發(fā)時再次發(fā)生沖突的可能性。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，為了緩解隱蔽終端和暴露終端的問題，引入了RTS-CTS握手機制。RTS和CTS控制分組之間可能會發(fā)生沖突。發(fā)生沖突時，發(fā)送者超時等不到CTS，就要執(zhí)行退避算法，延遲一段時間重新發(fā)送RTS。產(chǎn)生這個隨機時間被定義為退避計數(shù)器。退避計數(shù)器的值直接影響著產(chǎn)生延遲時間的長短。所以退避計數(shù)器的值是一個非常重要的參數(shù)。退避時間的公式如下：

其中，COUNTER是指退避計數(shù)器的值，MAX和MIN指退避計數(shù)器的最大值和最小值。每次發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時，退避計數(shù)器的值就會加倍；當(dāng)交互成功時退避計數(shù)器的值就會降到最小值。

然而，BEB存在著不足之處。首先，當(dāng)一次交互成功時，退避計數(shù)器的值就會降到最低值，不能正確反映信道的爭用狀況。特別是當(dāng)系統(tǒng)比較忙碌和沖突較多是，經(jīng)過多次退避，各個節(jié)點的退避計數(shù)器的值都很大，此時如果一個節(jié)點交互成功，它的計數(shù)器的值一下就減為最小值，該節(jié)點就會誤認(rèn)為此信道不忙碌，從而造成沖突。其次，BEB算法也會帶來不公平的現(xiàn)象。一次交互成功后，節(jié)點的退避計數(shù)器的值降為最小值，而其他不成功的節(jié)點的退避計數(shù)器的值仍然很大。在以后的競爭中，退避計數(shù)器的值小的節(jié)點在競爭中獲勝的可能性較大。獲勝后，退避計數(shù)器的值又減小到最小，其他交互失敗的節(jié)點退避計數(shù)器的值會再次增大。獲勝的節(jié)點更加有優(yōu)勢，其他信道會更加空閑，導(dǎo)致嚴(yán)重的不公平現(xiàn)象。

2.2 認(rèn)知退避算法研究

本文根據(jù)信道的擁塞程度自適應(yīng)的調(diào)整認(rèn)知用戶的退避窗口值的大小，首先推到出系統(tǒng)的平均吞吐量的值的大小，其次，當(dāng)平均吞吐量值達(dá)到最大時，判斷出信道的繁冗率（在給定的時間內(nèi)信道的占用時間的比率），最后，根據(jù)這個信道的繁冗率設(shè)置認(rèn)知用戶的退避窗口的大小。

2.2.1 平均吞吐量模型

用TS和Tf分別表示系統(tǒng)成功發(fā)送時的平均時延和發(fā)送失敗時的平均時：

圖2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量的對比圖 圖3 平均端到端的延遲對比圖

從圖3可以看出，兩個協(xié)議產(chǎn)生的延遲的總體趨勢是相似的，因為在仿真的初期，時延比較大，隨著時間的進(jìn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，時延逐漸降低并且穩(wěn)定。改進(jìn)后的CR-BOA協(xié)議比BEB協(xié)議延遲要小，這是因為CR-BOA協(xié)議競爭窗口的大小代表著延長的時間，CR-BOA的競爭窗口大小是根據(jù)信道的擁塞程度判斷的，而BEB的競爭窗口大小只是一個隨機數(shù)，所以CR-BOA協(xié)議可以動態(tài)的自適應(yīng)的選擇競爭窗口的大小，有效的減少了等待時間。

4.結(jié)論

本文針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化迅速，節(jié)點移動速率快，使得現(xiàn)有MAC協(xié)議不太適用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率較低，在傳統(tǒng)的退避算法上，提出了一種改進(jìn)的CR-BOA退避算法，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度判斷最佳的退避窗口，在一定程度上減少了延遲，調(diào)節(jié)了網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的算法減少了網(wǎng)絡(luò)延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。下一步工作，將會將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量因素考慮進(jìn)去，來綜合提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

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