基于無線網絡的信道競爭機制研究

肖衡++潘玉霞++龍草芳

摘 要：該文主要針對無線網絡中多個節點同時競爭使用信道，產生的時間開銷大，網絡規模擴大時，沖突概率這一問題，提出了基于頻域競爭的信道訪問機制。首先采用正交頻分復用OFDM進行頻域競爭，通過產生的競爭向量，生成控制報文。節點在發送控制報文競爭信道的同時，也接收其他節點的控制報文，并進行相關運算，檢測所有競爭節點的競爭向量，競爭向量最小且惟一的節點獲得信道使用權。

關鍵詞：頻域競爭 競爭向量 控制報文 偵聽信道

中圖分類號：TP193 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0083-03

無線網絡因其靈活性和移動性的優點，不受時間、空間、線纜的限制，在生活和工作各方面都得以廣泛應用。IEEE制定了關于無線接入技術的802.11系列標準，包括801.11、802.11b、801.11a、802.11g、801.11n等。802.11標準對如何構建無線網局域網、如何選擇頻段、如何實現MAC層信道共享等方面提供了一系列的技術建議。無線網絡的性能受多方面影響，特別是信道競爭的效率。多個節點接入同一個信道，競爭使用信道，如何保證接入的有效性，如何協調節點之間的傳輸時間，達到高效利用信道資源目標，這是無線網絡技術一直在研究改進的一個方向。

對于信道競爭使用，避免信號沖突，802.11標準采用是的基于時隙的動態退避算法，使用帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）協議和分布式協調協議DCF（Distributed Coordination Function）。節點發送數據前，先檢測信道，若信道閑，則等待分布式幀間間隙DIFS（DCF Inter-frame Space）后，再次檢測信道，在0～退避窗口CW（Contention Window）之間選擇一個隨機時隙（Random Backoff time），發送請求傳送報文RTS（Request To Send）。收到接收端的回應報文CTS（Clear To Send）后開始數據傳輸。在RTS和CTS的信息包中，包含了目標地址、預計傳輸時長。在數據傳輸過程中，與發送切點同網絡的其他節點停止時隙計數，直到預計傳輸時間結束。

而這種時隙退避算法中，在退避的時隙中，信道處于是空閑狀態，信道資源并未被利用，造成了浪費。而多個節點同時競爭信道時，數據碰撞的概率就會大幅增高，造成大量數據重傳，系統吞吐量也將隨之降低。特別是近幾年網絡規模不斷擴大，無線網絡中的節點數呈指數上升，產生沖突的概率越來越大。無線傳輸速率從最早的1 Mbps發展到現在的1 Gbps，增長速度翻了近千倍，但是從無線網絡吞吐量只是從0.6 Mb/s增長到56.7 Mb/s，增長速率遠遠落后于傳輸速度。可以看出網絡的信號沖突對網絡性能影響極大。

為改進退避算法，減少信號沖突，提高信道利用率，該文在詳細分析退避算法的基礎上，研究利用基于頻域競爭信道的無線傳輸機制，即使用正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）來傳遞競爭信息，用一個時隙實現信道競爭。節點有數據要發送時，偵聽天線先檢測信道是否空閑，當信道空閑時，等待DIFS時長，繼續偵聽，生成競爭向量（Contention Vector），發送用于頻域競爭的OFDM符號，競爭成功則發送數據，失敗則繼續等待DIFS，再偵聽信道。

1 頻域競爭

當無線網規模增大，接入節點越來越多，信號沖突頻繁出現，為減少信道競爭開銷，在傳輸數據前，先利用正交頻分復用OFDM衍生出多個頻域空間，一個頻域即一個子載波。將子載波又分為兩種，一種用于信道競爭，一種用于信息收集。

頻域競爭基本思想是：節點在發送數據前先偵聽信道，偵聽發現信道空閑狀態持續DIFS后，生成相應的競爭向量序列，用于頻域競爭。每個節點配備了多個天線，用一根來發送控制報文，傳輸競爭向量，其余的用來接收當前網絡中其它節點的控制報文。節點對接收到的信號進行檢測，試圖找出其他節點的競爭向量。如果有不可檢測出的競爭向量，則表示信號沖突，節點退出競爭。否則判斷自己是否競爭成功，輸出競爭結果。

與802.11中通過時域傳遞信息，由退避窗口體現優先級這類方法相比，這種基于頻域競爭方式能有效地降低沖突概率。由于所有節點的競爭信息在一個時隙內進行交換，加速了競爭過程，與傳統的不同節點使用不同的退避窗口相比，用于競爭的時間大幅減少。

2 競爭向量

競爭向量相當于802.11協議的隨機退避窗口，在每次競爭信道時都會重新生成。

設網絡上有M個節點等待時隙發送數據，OFDM分為n個子載波，子載波分信息子載波和競爭子載波兩種。每個節點配備多根天線，天線均為全雙工傳輸，用于偵聽信道上其它節點的行為，以及聲明自身節點的傳輸需求與優先級別。每個節點選擇一個偽隨機序列作為特征序列來檢測信道，不同節點其特征序列也各不相同。對于存在（Access point， AP）節點的網絡，PN序列可在初始時AP統一分配。

競爭向量是一串長度為n的二進制序列，第k位的值由節點在第k個子載波的傳輸行為決定，若為1，則該節點在第k個子載波傳輸特征序列Ci，若為0，則該節點在第K個子載波上靜默。當第k位上同時出現多個1，則表示有多個特征序列在傳輸，此時會產生信號沖突。沖突嚴重時，特征序列檢測的結果就不再可靠。因而需設置一個參數來限制每個子載波上特征序列的數量，我們稱這個參數為接入概率因子，其值在[0，1]之間固定。

競爭向量生成規則：節點Mi有數據待發送，偵聽到信道空閑，等待DIFS后，對第k位元素，節點生成一個[0，1）之間的隨機數pi[k]，若該數小于p，則競爭向量第k位的值為1，否則值為0。即

If pi[k]<=p，CVi[k]=1，else CVi[k]=0

控制報文根據節點的競爭向量和相應子載波的頻率生成。由競爭向量與每個子載波相應載頻的標準正交基累加結果結合后得到控制報文。每個標準正交基e^（i2πft）與載頻存在線性函數關系，由傅立葉變換，可將信號分解到各個頻率中去。若節點Mi的競爭向量CVi，第k個子載波的頻率fk，它的控制報文則為：

3 競爭策略

由于節點接收到的是所有其它節點的控制報文的疊加，對某個競爭向量檢測時，均要受其他節點的控制報文帶來的干擾。為保證檢測結果魯棒性，先對控制報文進行共軛運算，再與相應子載波接收到的疊加控制報文進行連接運算。值趨于0則表示當前子載波競爭向量位的值為0，出現峰值，則為1。

對于檢測出來的結果先進行判斷，先看是否有無法檢測的競爭向量，若有，則直接退出競爭。若均能檢測出來，則判斷競爭向量的大小，若自身競爭向量不是最小的，則表示競爭失敗。若是最小的，再判斷自身競爭向量是否惟一，若與其它節點的值相同，也表示競爭失敗。若是值惟一并且值最小，則表示該節點競爭成功，獲得信道使用時隙。

假定網絡中有5個節點，競爭向量分別如圖1所示，6個子載波的頻率分別的F1～F6。5個節點均有數據待發送，各自生成競爭向量進行頻域競爭。

以節點M1為例，它的偽隨機序列C1，在子載波F4、F5、F6上有傳輸行為。當它收到其他四個節點的控制報文的疊加信號時，需要將每個節點的競爭向量檢測出來，以判斷自身是否競爭成功。由C1的值可以得出節點M1的競爭向量CV1，當對應子載波靜默則為0，出現峰值則為1，圖中第4、5、6個子載波上出現峰值，由此可以得出CV1=000111。

由競爭向量和子載波頻率，又可得出相應的控制報文：

同時也接收信道其它節點的控制報文，并檢測競爭向量，判斷是否競爭成功

第1個子載波，收到信號R1=C3 ei2πf1t+C5 ei2πf1 t。

進行檢測運算：

τ（F1，C1）=R1×（C1 ei2πf1t）'=（C3 ei2πf1t+C5 ei2πf1t）×（C1 ei2πf1t）'

結果趨向于0，則說明第一個子載波中沒有C1，則CV1的第1位為0。同理可計算出CV1的第2、3位也為0。

第4個子載波，收到信號R4=。

進行檢測運算：

τ（F4，C1）=R4×（C1 ei2πf4 t）'=（C1 ei2πf4t+C3 ei2πf4 t）×（C1 ei2πf4 t）'=|C1|2

子載波出現峰值，表示第4個子載波上有C1，CV1的第4位值則為1。同理可計算出CV1的第5、6位值也為1。

用同樣的方法可以將其他特征序列Ci進行檢測，得出其他節點的競爭向量。CV1=000111，CV2=011000，CV3=100100，CV4=010010，CV5=101001。再對所有的競爭向量進行比較，發現CV1的值惟一且最小，則節點M1競爭成功。而其它節點等待時隙進行下一次競爭。

3.1 性能分析

利用OFDM符號的子載波傳輸競爭信息，進行頻域競爭，能有效地降低沖突概率，節省競爭時間，提高網絡性能。

沖突概率降低。802.11協議中多個節點競爭信道時，出現沖突的概率較高，特別是當網絡上節點數量大幅增多的時，沖突造成的開銷甚至超過數據傳輸開銷。而這種基于頻域競爭信道的機制可以大幅降低沖突概率。由于每個節點都生成競爭向量，對競爭向量按從小到大的順序分配優先級競爭使用信道，只有在有兩個或兩個以上的節點選擇相同的競爭向量時才會產生沖突。而兩個或多個節點同時選中一個競爭向量的概率如下：

競爭向量的位數為n，其中1的個數為i，則一個節點選中CV的概率為：

競爭時間減少。802.11標準采用載波偵聽多路存取CSMA/CA偵聽信道，分布式協調協議DCF避免沖突，這種方法在競爭信道時消耗的時間較長。基于頻域競爭信道的方式能在一個時隙完成競爭，減少了競爭時間。從上一次數據傳輸結束，多個節點開始偵聽信道，直到競爭成功的節點開始傳輸數據，這一時長稱為競爭時間。每個節點都是在等待DIFS時長后才開始競爭，競爭時槽也是各節點傳輸特征序列的時長。若無沖突，競爭時長為DIFS與競爭時隙之和。若有沖突發生，則需進行多次競爭，才能選出競爭成功節點。再次競爭時，會選擇更長的特征序列，以提高可靠性。一般來說特征序列越長，檢測的可靠性更高，但相應地傳輸時間越長，競爭時槽也大。特征序列越短，競爭時槽也越小，但檢測結果的可靠性降低，沖突概率將增大。故而特征序列需要選擇合適的長度，對縮短競爭時間起到關鍵作用。

3.2 存在問題

這種頻域競爭的方式很大程度上依賴于競爭向量的檢測，理想情況是每個節點都能檢測出其他節點的競爭向量。但是由于無線網絡的復雜性和不確定性，實際上會出現無法獲取部分節點的競爭向量，造成信號沖突，影響網絡性能。

當網絡規模較大時，就會存在隱藏節點，即節點之間不是都能相互偵聽。A節點能偵聽到B節點的競爭向量，C節點也能偵聽到B節點，但是A和C之間不能相互偵聽，若A和C同時給B節點發送信息，就會出現A和C的信號沖突，造成數據重傳。

特征序列會受其他序列干擾，干擾報文的信號越強，特征序列檢測出錯的概率會越高，當干擾信號的強度遠遠大于互相關的特征報文信號時，甚至出現漏檢、誤檢的現象。

4 結語

隨著無線網絡規模的擴大，人們對網絡性能的要求也越來越高。該文主要針對如何降沖突概率，減少節點接入開銷，提出了一種基于頻域競爭信道的方法。這種方法不同于802.11對時隙串行競爭信道，而是利用OFDM的子載波來傳遞競爭信息，在一個時隙內利用并行的頻域完成競爭，大幅縮短競爭時間，減少沖突概率，在很大程度上提高了網絡性能。

參考文獻

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