基于無線網(wǎng)絡(luò)的信道競爭機(jī)制研究

肖衡++潘玉霞++龍草芳

摘 要：該文主要針對無線網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點(diǎn)同時競爭使用信道，產(chǎn)生的時間開銷大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)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(jī)制。首先采用正交頻分復(fù)用OFDM進(jìn)行頻域競爭，通過產(chǎn)生的競爭向量，生成控制報(bào)文。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送控制報(bào)文競爭信道的同時，也接收其他節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，檢測所有競爭節(jié)點(diǎn)的競爭向量，競爭向量最小且惟一的節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)。

關(guān)鍵詞：頻域競爭 競爭向量 控制報(bào)文 偵聽信道

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

無線網(wǎng)絡(luò)因其靈活性和移動性的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。IEEE制定了關(guān)于無線接入技術(shù)的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，包括801.11、802.11b、801.11a、802.11g、801.11n等。802.11標(biāo)準(zhǔn)對如何構(gòu)建無線網(wǎng)局域網(wǎng)、如何選擇頻段、如何實(shí)現(xiàn)MAC層信道共享等方面提供了一系列的技術(shù)建議。無線網(wǎng)絡(luò)的性能受多方面影響，特別是信道競爭的效率。多個節(jié)點(diǎn)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(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時間，達(dá)到高效利用信道資源目標(biāo)，這是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在研究改進(jìn)的一個方向。

對于信道競爭使用，避免信號沖突，802.11標(biāo)準(zhǔn)采用是的基于時隙的動態(tài)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(xié)議和分布式協(xié)調(diào)協(xié)議DCF（Distributed Coordination Function）。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)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(jī)時隙（Random Backoff time），發(fā)送請求傳送報(bào)文RTS（Request To Send）。收到接收端的回應(yīng)報(bào)文CTS（Clear To Send）后開始數(shù)據(jù)傳輸。在RTS和CTS的信息包中，包含了目標(biāo)地址、預(yù)計(jì)傳輸時長。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，與發(fā)送切點(diǎn)同網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)停止時隙計(jì)數(shù)，直到預(yù)計(jì)傳輸時間結(jié)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(tài)，信道資源并未被利用，造成了浪費(fèi)。而多個節(jié)點(diǎn)同時競爭信道時，數(shù)據(jù)碰撞的概率就會大幅增高，造成大量數(shù)據(jù)重傳，系統(tǒng)吞吐量也將隨之降低。特別是近幾年網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)呈指數(shù)上升，產(chǎn)生沖突的概率越來越大。無線傳輸速率從最早的1 Mbps發(fā)展到現(xiàn)在的1 Gbps，增長速度翻了近千倍，但是從無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量只是從0.6 Mb/s增長到56.7 Mb/s，增長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳輸速度?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)的信號沖突對網(wǎng)絡(luò)性能影響極大。

為改進(jìn)退避算法，減少信號沖突，提高信道利用率，該文在詳細(xì)分析退避算法的基礎(chǔ)上，研究利用基于頻域競爭信道的無線傳輸機(jī)制，即使用正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）來傳遞競爭信息，用一個時隙實(shí)現(xiàn)信道競爭。節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，偵聽天線先檢測信道是否空閑，當(dāng)信道空閑時，等待DIFS時長，繼續(xù)偵聽，生成競爭向量（Contention Vector），發(fā)送用于頻域競爭的OFDM符號，競爭成功則發(fā)送數(shù)據(jù)，失敗則繼續(xù)等待DIFS，再偵聽信道。

1 頻域競爭

當(dāng)無線網(wǎng)規(guī)模增大，接入節(jié)點(diǎn)越來越多，信號沖突頻繁出現(xiàn)，為減少信道競爭開銷，在傳輸數(shù)據(jù)前，先利用正交頻分復(fù)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(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道，偵聽發(fā)現(xiàn)信道空閑狀態(tài)持續(xù)DIFS后，生成相應(yīng)的競爭向量序列，用于頻域競爭。每個節(jié)點(diǎn)配備了多個天線，用一根來發(fā)送控制報(bào)文，傳輸競爭向量，其余的用來接收當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文。節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行檢測，試圖找出其他節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)退出競爭。否則判斷自己是否競爭成功，輸出競爭結(jié)果。

與802.11中通過時域傳遞信息，由退避窗口體現(xiàn)優(yōu)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(jié)點(diǎn)的競爭信息在一個時隙內(nèi)進(jìn)行交換，加速了競爭過程，與傳統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)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(dāng)于802.11協(xié)議的隨機(jī)退避窗口，在每次競爭信道時都會重新生成。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)上有M個節(jié)點(diǎn)等待時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，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(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的行為，以及聲明自身節(jié)點(diǎn)的傳輸需求與優(yōu)先級別。每個節(jié)點(diǎn)選擇一個偽隨機(jī)序列作為特征序列來檢測信道，不同節(jié)點(diǎn)其特征序列也各不相同。對于存在（Access point， AP）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，PN序列可在初始時AP統(tǒng)一分配。

競爭向量是一串長度為n的二進(jìn)制序列，第k位的值由節(jié)點(diǎn)在第k個子載波的傳輸行為決定，若為1，則該節(jié)點(diǎn)在第k個子載波傳輸特征序列Ci，若為0，則該節(jié)點(diǎn)在第K個子載波上靜默。當(dāng)?shù)趉位上同時出現(xiàn)多個1，則表示有多個特征序列在傳輸，此時會產(chǎn)生信號沖突。沖突嚴(yán)重時，特征序列檢測的結(jié)果就不再可靠。因而需設(shè)置一個參數(shù)來限制每個子載波上特征序列的數(shù)量，我們稱這個參數(shù)為接入概率因子，其值在[0，1]之間固定。

競爭向量生成規(guī)則：節(jié)點(diǎn)Mi有數(shù)據(jù)待發(fā)送，偵聽到信道空閑，等待DIFS后，對第k位元素，節(jié)點(diǎn)生成一個[0，1）之間的隨機(jī)數(shù)pi[k]，若該數(shù)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(bào)文根據(jù)節(jié)點(diǎn)的競爭向量和相應(yīng)子載波的頻率生成。由競爭向量與每個子載波相應(yīng)載頻的標(biāo)準(zhǔn)正交基累加結(jié)果結(jié)合后得到控制報(bào)文。每個標(biāo)準(zhǔn)正交基e^（i2πft）與載頻存在線性函數(shù)關(guān)系，由傅立葉變換，可將信號分解到各個頻率中去。若節(jié)點(diǎn)Mi的競爭向量CVi，第k個子載波的頻率fk，它的控制報(bào)文則為：

3 競爭策略

由于節(jié)點(diǎn)接收到的是所有其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文的疊加，對某個競爭向量檢測時，均要受其他節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文帶來的干擾。為保證檢測結(jié)果魯棒性，先對控制報(bào)文進(jìn)行共軛運(yùn)算，再與相應(yīng)子載波接收到的疊加控制報(bào)文進(jìn)行連接運(yùn)算。值趨于0則表示當(dāng)前子載波競爭向量位的值為0，出現(xiàn)峰值，則為1。

對于檢測出來的結(jié)果先進(jìn)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(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)競爭成功，獲得信道使用時隙。

假定網(wǎng)絡(luò)中有5個節(jié)點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)均有數(shù)據(jù)待發(fā)送，各自生成競爭向量進(jìn)行頻域競爭。

以節(jié)點(diǎn)M1為例，它的偽隨機(jī)序列C1，在子載波F4、F5、F6上有傳輸行為。當(dāng)它收到其他四個節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文的疊加信號時，需要將每個節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)M1的競爭向量CV1，當(dāng)對應(yīng)子載波靜默則為0，出現(xiàn)峰值則為1，圖中第4、5、6個子載波上出現(xiàn)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(yīng)的控制報(bào)文：

同時也接收信道其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)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(jìn)行檢測運(yùn)算：

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

結(jié)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(jì)算出CV1的第2、3位也為0。

第4個子載波，收到信號R4=。

進(jìn)行檢測運(yùn)算：

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

子載波出現(xiàn)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(jì)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(jìn)行檢測，得出其他節(jié)點(diǎn)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(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)CV1的值惟一且最小，則節(jié)點(diǎn)M1競爭成功。而其它節(jié)點(diǎn)等待時隙進(jìn)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(jìn)行頻域競爭，能有效地降低沖突概率，節(jié)省競爭時間，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

沖突概率降低。802.11協(xié)議中多個節(jié)點(diǎn)競爭信道時，出現(xiàn)沖突的概率較高，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增多的時，沖突造成的開銷甚至超過數(shù)據(jù)傳輸開銷。而這種基于頻域競爭信道的機(jī)制可以大幅降低沖突概率。由于每個節(jié)點(diǎn)都生成競爭向量，對競爭向量按從小到大的順序分配優(yōu)先級競爭使用信道，只有在有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)選擇相同的競爭向量時才會產(chǎn)生沖突。而兩個或多個節(jié)點(diǎn)同時選中一個競爭向量的概率如下：

競爭向量的位數(shù)為n，其中1的個數(shù)為i，則一個節(jié)點(diǎn)選中CV的概率為：

競爭時間減少。802.11標(biāo)準(zhǔn)采用載波偵聽多路存取CSMA/CA偵聽信道，分布式協(xié)調(diào)協(xié)議DCF避免沖突，這種方法在競爭信道時消耗的時間較長?；陬l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(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，多個節(jié)點(diǎn)開始偵聽信道，直到競爭成功的節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)，這一時長稱為競爭時間。每個節(jié)點(diǎn)都是在等待DIFS時長后才開始競爭，競爭時槽也是各節(jié)點(diǎn)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(fā)生，則需進(jìn)行多次競爭，才能選出競爭成功節(jié)點(diǎn)。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(yīng)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(jié)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(guān)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(jié)點(diǎn)都能檢測出其他節(jié)點(diǎn)的競爭向量。但是由于無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和不確定性，實(shí)際上會出現(xiàn)無法獲取部分節(jié)點(diǎn)的競爭向量，造成信號沖突，影響網(wǎng)絡(luò)性能。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，就會存在隱藏節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)之間不是都能相互偵聽。A節(jié)點(diǎn)能偵聽到B節(jié)點(diǎn)的競爭向量，C節(jié)點(diǎn)也能偵聽到B節(jié)點(diǎn)，但是A和C之間不能相互偵聽，若A和C同時給B節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會出現(xiàn)A和C的信號沖突，造成數(shù)據(jù)重傳。

特征序列會受其他序列干擾，干擾報(bào)文的信號越強(qiáng)，特征序列檢測出錯的概率會越高，當(dāng)干擾信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于互相關(guān)的特征報(bào)文信號時，甚至出現(xiàn)漏檢、誤檢的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，人們對網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘萍，施海彬，莊玉祥，等.IEEE 802.11 DCF協(xié)議性能分析模型[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）：41-47.

[2] 王靜，高澤華，高峰，等.無線局域網(wǎng)中一種改進(jìn)的頻域信道競爭機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015（2）：317-321.

[3] 肖衡，呂紹和.基于頻域的無線網(wǎng)絡(luò)并行信道競爭機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程，2015（8）：89-94，99.

[4] 賀鑫，鐘亦平，張世永.一種無線網(wǎng)絡(luò)中有效的MAC層信道競爭方案[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2006（2）：241-245.

[5] LvShaohe，Wang Xiaodong，Zhou Xingming. On the Rate Adaptation for IEEE 802.11 Wireless Networks[J].Computer Networks，2010，54（17）：3173-3186.