基于沖突解決的功率控制MAC協議

郝 巖, 韓江洪,2, 馮 琳， 魏振春,2, 徐祥偉

(1.合肥工業大學 計算機與信息學院,安徽 合肥 230009; 2.安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

基于沖突解決的功率控制MAC協議

郝 巖1, 韓江洪1,2, 馮 琳1， 魏振春1,2, 徐祥偉1

(1.合肥工業大學 計算機與信息學院,安徽 合肥 230009; 2.安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

功率控制策略可以降低網絡能耗,提高信道利用率,然而也會引入更多的隱藏終端,使網絡沖突加劇。為了利用功率控制的優勢,同時減少網絡沖突,文章提出一種應用于無線自組網采用功率控制的介質訪問控制 (media access control，MAC)協議——反饋功率控制 ( reactive power control，RPC)協議。在RPC協議中,數據傳輸過程中的各幀均采用最優發送功率,以降低能耗,提高網絡信道利用率,同時,當沖突發生時,協議根據干擾節點是否欲與被干擾節點通信將沖突劃分為2類,據此協調節點的數據傳輸過程,提高網絡通信的并行程度,減少數據的重傳。仿真實驗表明,RPC協議在網絡吞吐量方面比SHUSH協議有所提高,同時也減少了網絡端到端延遲。

功率控制;MAC協議;隱藏終端;信噪比;無線自組網

0 引 言

在傳統無線局域網IEEE 802.11協議中[1-2],各個節點采用相同的發送功率,請求發送/清除發送(Request to Send/Clear to Send，RTS/CTS)機制被用來避免隱藏終端問題,然而其能量利用率以及信道的利用程度都較低。圍繞“降低能量損耗,提高信道利用率以及網絡吞吐量”,一些使用功率控制的介質訪問控制 (media access control，MAC)協議被提出。

文獻[3-5]將功率控制策略應用于IEEE 802.11的數據傳輸過程中,控制幀RTS/CTS使用最大功率,而DATA/ACK使用較小功率,以降低節點的能量損耗,卻加劇了隱藏終端的問題,使得數據沖突加劇。針對隱藏終端的問題,文獻[6-7]在IEEE 802.11 PSM基礎之上提出基于信號噪聲干擾比的MAC傳輸功率控制 (SINR-based transmission power control for MAC，STPC-MAC)協議以及節能高效多通道MAC (energy-efficient multi-channel MAC， E-MMAC)協議，2種協議都采用“沖突避免”的思路來提高網絡吞吐量,降低網絡能耗。然而,通知傳輸指示消息(announcement traffic indication message， ATIM)窗口以及節點的睡眠機制都使得這2種協議網絡吞吐量的提高程度受限。類似地,文獻[8]提出的高效功率控制MAC (efficient power controlled MAC ，EPCM)協議也采用一種“沖突避免”的思路,每次數據傳輸時,都要首先根據CTS的接收信號強度計算出沖突的可能范圍,并改變自身的發送功率以抵消沖突的影響,提高網絡數據傳輸的并行程度,但當發生幀宣泄(Fragment Burst)時,后續幀不能適應沖突的變化,始終以較大功率發送,將有可能增大通信能耗。文獻[9]提出的功率控制MAC (power control MAC，PCM)協議也是一種基于“沖突避免”思路的功率控制協議,協議規定在發送節點發送DATA幀時,以小于延長幀間隔 (extended inter-frame spacing，EIFS)的時間間隔,周期性地將發送功率增加到最大,這種方法雖然可以降低網絡通信的能耗,避免隱藏終端,然而周期性增大發送功耗并沒有提高信道的利用率,網絡吞吐量與IEEE 802.11協議相比沒有明顯改進。

本文提出一種功率控制MAC協議——反饋功率控制 (reactive power control，RPC)協議,該協議首先建立各個節點到鄰居節點的最優發送功率表,在數據傳輸的過程中,所有幀均使用最優發送功率;同時,協議采用一種“沖突后處理”的思路,即當節點之間的沖突發生時才做出相應的反應,相對于“避免沖突”的思路,協議在發生沖突后根據不同的情況協調節點之間的數據傳輸,提高信道利用率,減少重傳。該協議提高了網絡中數據傳輸的并行程度,提高了網絡吞吐量,并減少了網絡端到端的延遲。

1 RPC協議設計

1.1 功率控制相關計算

理想發送功率的計算需要考慮射頻模塊所處的環境、射頻模塊的接收靈敏度、發送方與接收方的距離等等,不同場景下能量的衰減不同。一些特定場景下的信號衰減模型,諸如城市室內室外模型、三維地形模型等,都是頻率、距離以及周圍環境因素的函數。

(1)

假定接收端的最小接收靈敏度為PRXthold,則目的節點j向源節點i發送數據的最小功率為:

(2)

綜合(1)式和(2)式,可得:

(3)

同時,在節點j處,當信噪比超過一定的預設門限(Rth)時,節點i發送的消息才被正確解碼,即

(4)

其中,Pn(j)為節點j的噪聲水平(忽略)。

從以上分析可得,數據可以被正確接收并解碼的條件為:

(2)RSN(j)≥Rth,即接收信號的強度需要使信噪比大于預設門限。

1.2 建立最優發送功率表

為了減小節點之間不必要的發送能量損耗,提高網絡的信道利用率,在每個節點建立其到鄰居節點的最優發送功率表。RPC協議按如下步驟建立最優發送功率表。

(1) 在某個節點首次進行數據的發送時,根據網絡層確定的鄰居節點,RTS以最小的發送功率Pmin發送,當正確接收到CTS控制幀時,當前的發送能量即為源節點到目的節點的參考發送能量;如果發送失敗,RTS增加發送能量Δp到Pnext后繼續發送,直至接收到正確的CTS控制幀。RTS重傳的最大次數為N,N的大小根據網絡具體的節點密度、數據流量確定。節點的發送功率按照(5)式來確定，即

Pnext←Pnext+Δp×i

(5)

(2) 當源節點接收到CTS控制幀時,根據 (3) 式計算出源節點到目的節點的最優發送功率并存入最優發送功率表;同理,當目的節點接收到RTS控制幀時,計算出目的節點到源節點的最優發送功率并存入節點的最優發送功率表。

(3) 網絡中的所有節點都會按照步驟(1)、步驟(2)建立其到鄰居節點的最優發送功率表。當數據非首次發送時,查詢最優發送功率表,以RTS/CTS/DATA/ACK的方式進行數據的發送。

1.3 沖突的解決策略

當節點按照最優發送功率進行數據傳輸時會在一定程度上增加網絡的信道利用率,但是不同的節點對之間采用不同的發送功率卻增加了網絡的隱藏終端,這使得網絡中的沖突增多,以低功率進行數據傳輸的節點將處于弱勢地位：一方面,其會話可能不會被其他節點監聽到;另一方面,數據傳輸的過程較容易受到高功率數據傳輸的干擾。沖突示意圖如圖1所示,A節點與B節點分別為低功率發送節點和低功率接收節點,C節點為高功率發送節點,因此C節點將無法感知到A節點與B節點的數據傳輸,當以較高功率與F節點或A節點進行通信時就會對A與B的通信過程造成干擾,引起沖突。具體地,當RSN(A)

圖1 沖突示意圖

本文設計的RPC協議在發生沖突時尋求可以使干擾節點通信與被干擾節點通信同時進行的情況,以增大通信的并行程度,提高網絡吞吐量。下面說明RPC協議發生沖突時的解決策略。

(ii) 排除(i)以外的其他情況,即此時A節點既不可以正確解析B節點發送給A節點的消息,也不可以正確解析C節點發送給A節點的消息,此時,按照IEEE 802.11協議發生干擾時的策略進行處理,即執行相應的恢復過程 (recovery procedure)[1]。

(2) 根據干擾節點是否將與被干擾節點進行通信,將沖突劃分為2類：一類是因為干擾節點欲與被干擾節點進行通信而引起的沖突;另一類是由于干擾節點正在與其他節點進行數據傳輸時對另一個數據通信過程造成干擾。RPC協議根據不同的類型采取不同的措施。

(i) 節點A作為發送節點與節點B以較低功率進行通信,節點C無法感知到A與B的數據傳輸,當C與A節點發送RTS進行數據通信時,會干擾A節點接收ACK數據幀,此時A節點從RTS中獲取C節點地址與發送功率,查詢節點功率調度表或計算出到C節點的最優發送功率,以管理幀的形式通知C節點退避,網絡分配矢量 (network allocation vector，NAV)時間設置為A與B傳輸過程需要經歷的剩余時間。

(ii) 當C節點由于無法感知A與B節點的數據傳輸過程而欲與F節點進行數據通信時,發送功率較大也會對A節點接收ACK數據幀產生干擾,為了提高網絡中數據傳輸的并行程度,提高信道利用率,RPC協議規定,當A節點接收到C與F數據傳輸過程中的數據或控制幀時,獲取C節點所發送幀中的地址與發送功率信息,根據(1)式和(4)式,為了使A節點在干擾存在情形下仍然可以正確接收B節點的ACK幀,A節點計算出B節點所需最小發送功率,并將該信息以管理幀的形式反饋給B節點,以此使得C節點與F節點的數據通信可以和A節點與B節點的數據通信過程共存,提高信道利用率。然而,當A節點計算出的B節點最小發送功率大于射頻模塊可以發送的最大功率Pmax時,A節點記錄發送的數據幀的序號,并從C節點的數據幀獲取C與F的通信時間,以管理幀的形式通知B節點共同退避相應的時間,中斷此次通信,當時間結束時,再進行余下的消息傳遞。具體過程如圖2所示。

圖2 RPC協議在發生沖突時的解決策略

1.4 干擾節點的信息獲取

從RPC協議發生干擾時的解決策略可以看出,無論是怎樣的過程,被干擾節點都首先要從干擾節點發送的幀中獲取相關信息。當干擾節點欲與被干擾節點通信時發送RTS控制幀,為了通知干擾節點退避相應的時間,RTS控制幀需要包含源節點的地址、發送功率信息及會話持續時間;當干擾節點是由于與其他節點的通信而影響被干擾節點通信時,此時被干擾節點可能獲得的幀包括RTS、CTS、DATA或者ACK,為了通知正在與干擾節點通信的節點退避相應的時間或增加發送功率,則RTS、CTS、DATA或ACK數據幀需要包括源節點地址、發送功率的信息及會話持續的時間。此外,1.3節所述的管理幀通過設置IEEE 802.11協議幀中Frame Control的Type域以及SubType域來實現。

2 仿真與性能分析

本文使用NS2(NS2.35)網絡仿真工具對所設計的RPC協議進行性能分析,并與SHUSH協議、PCM協議在網絡有效吞吐量、能量效率以及網絡端到端延遲上進行比較。實驗區域大小為1 000 m×1 000 m,仿真采用的信號傳播模型為雙線地面反射模型,射頻模塊的最大發送功率Pmax=0.281 W,最小發送功率Pmin=0.2 mW,最小接收靈敏度為-64 dB。節點發送的數據流以及節點的個數、移動情況分別使用NS2提供的Setdest和Cbrgen工具生成,即隨機產生10對固定傳輸速率 (constant bit rate，CBR)數據流,數據流采用用戶數據報協議 (User Datagram Protocol，UDP)方式,CBR數據包大小為512 B,節點隨機分布、不發生移動。使用自組網按需距離矢量路由協議(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV),在建立路由過程中使用最大發送功率Pmax以使得協議在仿真過程中的網絡拓撲連接相同。每次實驗所使用的網絡仿真環境相同,為了達到一定的置信水平,實驗中的所有數值取30次仿真實驗的平均值。其他仿真參數見表1所列。

表1 實驗參數

在網絡節點數量為50個的情況下,協議的吞吐量以及能量效率的比較如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出,RPC協議在與SHUSH協議保持相當能量效率的前提下,相比于SHUSH協議在相同時間內可以獲得較大的吞吐量。這是由于隨著數據發送速率的增加,網絡中欲并行傳輸的通信過程增多,RPC協議可使網絡容納更多的并行通信,而SHUSH協議在發生沖突時采用“中斷恢復”策略使得其網絡吞吐量低于RPC協議。PCM協議周期性使用最大功率發送DATA,并沒有增加數據傳輸的空間利用率,這使得其吞吐量和能量效率相對于SHUSH協議以及RPC協議都較小。

圖3 不同網絡負載下吞吐量比較

圖4 不同網絡負載下能量效率比較

在網絡負載為20 kb/s時,節點數量以10個節點的增量在30～80內變化下的各協議吞吐量比較如圖5所示。隨著網絡節點數的增多,3種協議的網絡吞吐量都有所降低,RPC協議在吞吐量上仍然保持一定優勢,這是由于相比于PCM協議,RPC協議中各幀采用最優發送功率,可以提高節點通信的空間利用率,而相對于SHUSH協議,RPC協議在低功率通信受到干擾時并不是簡單退避直至高功率數據通信結束,而是嘗試提高被干擾節點的發送功率,提高節點通信的并行程度,這些都使得RPC協議的性能優于SHUSH協議和PCM協議。在網絡節點數為70時,RPC協議的吞吐量已無明顯優勢,這是由于當網絡密度增大,網絡沖突加劇,執行IEEE 802.11恢復過程的通信過程也會增多,發生沖突時退避窗口呈指數增加,導致網絡吞吐量的下降。

圖5 不同節點數量下網絡吞吐量比較

在網絡的節點數量為50時,不同網絡負載下3種協議平均幀延遲時間對比如圖6所示。數據在傳輸過程中的延遲包括3個部分:處理延遲、排隊延遲和傳播延遲。從圖6可以看出,當網絡負載較小時3種協議的幀延遲相當,這是由于當網絡負載較小時,網絡中的數據沖突較少,3種協議在數據傳輸過程中的排隊延遲相當,由于傳輸路徑相同,傳播延遲和處理延遲相同,最終使得平均幀延遲相當,這也表明RPC協議在網絡負載較小時并沒有優勢;而當網絡負載較大時,RPC協議相比于SHUSH協議,會在一定程度上提高通信的并行程度,這使得其通信延遲小于SHUSH協議,而相比于PCM協議,RPC協議通過建立最優發送功率表,減少了對其他鄰居節點的沖突，也使得其通信延遲小于PCM協議。

圖6 不同網絡負載下網絡傳輸延遲比較

3 結 論

本文提出了一種應用于無線自組網的功率控制MAC協議——RPC協議,功率控制帶來的最大挑戰是使得網絡的隱藏終端問題加重,以及由此引發的數據沖突和能量損耗。在RPC協議中,各個幀的傳輸都采用最優發送功率,為了解決由此引發的網絡沖突,協議根據沖突的種類分別采取不同的措施,減少了沖突帶來的重傳,使得網絡中節點的并行傳輸增多,網絡空間利用率提高,增加了網絡吞吐量,也減少了網絡端到端的延遲。下一步將考慮使用“沖突避免”與“沖突后處理”2種思路相結合的方式,進一步提高數據傳輸過程的信道利用率,提高網絡吞吐量。

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PowercontrolMACprotocolbasedoncollisionresolution

HAO Yan1, HAN Jianghong1,2, FENG Lin1, WEI Zhenchun1,2, XU Xiangwei1

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China)

Power control can reduce the energy consumption and increase spatial reuse, but more hidden terminals are introduced because of the asymmetric transmit power, which leads to more collisions. To take full advantage of power control and reduce the collisions, a power control media access control(MAC) protocol for wireless Ad Hoc network, reactive power control(RPC) protocol, was proposed. In RPC protocol, all frames in the process of communication use the optimal transmit power to reduce energy consumption and improve the channel utilization. Furthermore, when the collisions happen, based on whether the interferer will communicate with the interfered node, RPC protocol divides the collisions into two categories and makes the appropriate measures to increase more concurrent transmissions and reduce retransmission. The results of simulation experiments show that RPC protocol performs better than SHUSH protocol in network throughput and end-to-end delay.

power control; media access control(MAC) protocol; hidden terminal; signal-to-noise ratio(SNR); wireless Ad Hoc network

2016-02-22；

2016-04-25

國家自然科學基金資助項目(61370088;61502142);國家國際科技合作專項資助項目(2014DFB10060)

郝 巖(1990-),男,山西大同人,合肥工業大學碩士生;

韓江洪(1954-),男,安徽涇縣人,合肥工業大學教授,博士生導師;

馮 琳(1979-),女,河南洛陽人,博士,合肥工業大學高級工程師,碩士生導師,通信作者,E-mail:fenglin@hfut.edu.cn.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.010

TN915.04

A

1003-5060(2017)09-1199-06

(責任編輯 張淑艷)