基于移動自組織網絡的分布式信道分配控制算法研究

劉景景，方曙東,李春國，宋 康

(1.池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000；2.東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096；3.青島大學 電子信息學院，山東 青島 266071)

移動自組織網絡(Mobile Ad hoc network，MANET)是通過無線鏈路形成的無中心、多跳、臨時自治系統，網絡中的節點處于頻繁移動和動態連接狀態，通過降低無線通信干擾提高服務質量(QoS)，對移動自組織網絡極具挑戰性，自組織網絡必須克服節點流動性干擾來提高實用的服務質量[1]。MANET遠距離通信時使用路由、信道訪問、移動管理等在自組網絡中提供質量服務，節點以多跳方式直接與其他節點通信，中間節點作為路由器運行。相鄰節點的通信干擾會造成連接損失，導致傳輸路線過時或不準確，嚴重影響網絡的吞吐量和傳輸延遲[2-4]。

IEEE 802.11標準使用共享信道模型，干擾頻率隨著移動節點數量的增加而增大，使得網絡性能顯著下降。在通信節點密集的環境中，應用信道Multiple Access Control協議，信道切換會對網絡性能產生不利影響[5]，每個節點都可以進行信道切換，當一個移動節點進入另一對節點對的通信范圍中，會導致移動網絡連接受干擾，需要采取信道分配進行動態管理信道[6]。文獻[7]針對約束頻率分配問題，提出了動態信道重新分配策略，在網絡中重新分配信道以提高信道利用率，但是動態信道重新分配方案存在暴露節點問題，并不適合節點密集的環境。

為了有效解決MANET中由暴露節點帶來的節點通信干擾問題，提出一種帶有功率控制的分布式信道分配控制算法，通過信道動態協商，實現多個節點在不同信道間通信，增加了吞吐量且減少暴露節點帶來的負面效應。

1 暴露節點問題

MANET中的移動節點在另一對節點的通信范圍之內時會出現連接丟失和干擾[8]。當控制信息從源節點發送到目標節點時，節點遷移性對信道狀態表(CST)的頻繁更改可能造成不可預測的拓撲問題。同時，位置信息的交換占用了大量的帶寬，造成傳輸延遲。

結合圖1網絡拓撲結構圖，圖中小實圓代表功率控制的通信范圍，而較大虛圓代表沒有功率控制的通信范圍。節點A使用最大值傳輸功率向節點B傳輸數據包，節點C在發送節點A的傳輸范圍內，節點C不在接收節點B的傳輸范圍內，則節點C是暴露節點。暴露節點指的是在發送節點的傳輸范圍之內，而在接收節點傳輸范圍之外的節點。如果沒有功率控制，從節點A到節點B進行通信，則不能授予節點C到節點D的通信，節點C與節點D之間的通信不能得到保證，因為節點C和節點D之間的通信會受到暴露節點A的干擾[9]，節點A和節點C之間的通信會導致流間干擾；這就是暴露節點帶來的通信干擾，降低了通信的成功率和吞吐量，增加了通信連通的時間，降低了QoS，即暴露節點問題。暴露節點問題中信道協商成功率是一個重要的評價指標，信道協商不僅可以減少發布的信息的數量，且可以減少相鄰節點的通信干擾對網絡通信承載能力的影響，從而提高信道利用率。

文獻[10]中的動態信道分配策略利用通信程序分配信道及提高無線網絡性能，但是空閑信道并不總是預先分配給節點，且存在暴露節點問題，在吞吐量、延遲等方面難以滿足QoS的網絡性能要求。

2 分布式信道分配控制

2.1 信道功率控制概述

信道功率控制使用兩臺收發器和一臺接收器，將整個信道帶寬分別分配給控制信道和數據信道，以完成信道通信任務，數據包通過數據信道發送。遇到通信干擾時，調節發送節點發射機的發射功率，如圖1中實心圓所示，接收節點的接收器接收功率，多個節點之間通信可以在不受干擾的情況下同時進行。分布式信道功率控制拓撲結構圖如圖2所示。圖1和圖2中的大虛圓區域，節點A和節點C以最大功率進行傳輸，如果不采用功率控制，將存在暴露節點干擾問題。如果采用功率控制，如圖2中的小圓，那么節點A使用較小的功率通過節點E、節點F逐跳連接到節點B。移動節點A將一個數據包和帶有發射功率ptx,A的控制包發送到節點B，節點B的接收功率為ptx,B[11]，則：

(1)

式中，λ是載波波長；d是兩個節點之間的距離；gtx和grx分別表示發送節點和接收節點的天線增益；n是路徑損失系數，根據物理環境的不同取值為2到4。

圖1 網絡拓撲結構圖(暴露節點問題)圖2 分布式信道功率控制拓撲結構圖

通過對式(1)變形，得出兩個節點之間距離 ：

(2)

功率傳輸范圍對應的閾值如表1所示。將功率衰減的程度與確定功率范圍所需的閾值進行比較，可以得到無線電收發機的功率電平。

表1功率傳輸范圍對應的閾值

距離/m功率/dB m功率等級20-68.89140-73.02260-75.68380-78.864100-82.855距離/m功率/dB m功率等級150-85.926200-90.507250-95.078300-98.159350-101.2210

2.2 分布式信道功率控制分配算法

根據信道重用原則，未分配給節點的信道將被動態分配給其他節點，信道被動態地分配給有需要的用戶。為了便于描述分布式信道功率控制分配算法，假設信道具有相同的帶寬，所有信道為正交信道，在不同信道上發送的包不會相互干擾；要同時接收和傳輸，每個節點配備兩個半雙工收發器，收發器能夠動態地切換信道；節點信道狀態表(CST)包括源節點、目的節點、繁忙信道、空閑信道、鄰近節點和功率等級；每個節點為一個數組，每個數組包括節點編號、繁忙信道、空閑信道、功率等級。

結合圖2，節點A遠離源節點B，在分布式環境中，節點A在節點C內引起暴露節點問題。節點C和節點D之間通信具有干擾。當移動節點A注意到與節點C存在信道干擾，節點A停止通信以防止信道干擾。

分布式信道分配算法如下：

圖3 功率協調控制流程圖

(1)節點A在空閑信道集nc中尋找空閑信道；

(2)如果節點A檢測到空閑信道，節點A發送信息(源節點、目的節點、空閑信道、功率等級)給鄰近節點；

(3)鄰近節點接收到信息，與節點信道狀態表里的數據比對；

(4)移動節點A與鄰近節點進行信道交換；

(5)如果節點A沒有檢測到空閑信道，則進入功率協調控制過程，如圖3所示。

功率協調過程如下：

(1)節點A利用接收信號計算節點A與其鄰近節點C之間的距離d；

(2)判斷距離d是否小于閾值dmin，如果d

(3)如果距離d>dmin，節點A協調發射功率ptx,A，節點A啟動發射機處理干擾狀態，發射功率通過以下方式獲得：

(3)

式中，i為功率等級,i∈[1,10];pwri(A) 表示節點A在功率等級i下使用的最大功率;prx,A(A)表示節點A的鄰近節點接收功率，根據式(1)，獲得節點A協調功率等級，傳輸功率ptx,A與接收功率prx,A成反比例變化；

(4)節點A計算發射功率后，將發射功率發射到鄰近節點C，節點A直接與鄰近節點C通信而不受干擾；

(5)節點信道狀態表(CST)更新為Vd(A)，節點A發送信息(源節點、目的節點、空閑信道、功率等級)給鄰近節點C；

(6)鄰近節點C接收到節點A發送的信息，測量并比較接收信號功率，如表1所示，如果接收功率小于最小功率，則禁止通信。如果節點C接收功率大于最小功率，節點C將發送信號到節點A，節點A與節點C進行信道交換；

(7)在步驟(6)中，如果節點C未能進行信道交換，則節點C開始執行上述步驟，節點C成功找到鄰近節點并進行信道交換時，節點信道狀態表(CST)被更新成Vd(C)。

該算法使用鄰接矩陣來表示通信流，然后更新節點信道狀態表(CST)，確保所有節點具有足夠的可用資源來解決暴露節點問題帶來的干擾，提高網絡信道協商成功率。

2.3 信道帶寬分析

分布式信道分配算法中每個信道具有固定帶寬，信道分配的成功率通常與信道數Cn成比例，數據包長度和控制包長度用于分析信道帶寬，信道數Cn為[12]：

(4)

Ccon為控制信道的數量;ld為數據包長度;τd為數據信道帶寬;lc為控制包長度;τc為控制信道帶寬。設給出固定信道帶寬Cbw，令uch為歸一化成功率，可以得到：

(5)

通過減小控制包長度或增加給定信道帶寬中的數據包長度可以改善信道利用率。針對固定帶寬，帶寬利用率Ubw通過以下公式計算：

(6)

經過變換可得：

(7)

由式(5)和式(7)，通過對帶寬、信道總數和控制數據包邊界分析，可得出信道利用率和帶寬利用率相等。

3 仿真驗證

為了分析信道協商成功率對節點密度的影響，研究提出的分布式信道分配控制算法(3信道和4信道)與隨機算法模擬結果如圖4所示。分布式信道分配控制算法的信道協商成功率明顯比隨機算法高，尤其是4信道分布式信道分配控制算法。隨著節點數量的增加信道協商成功率有所下降，但是不太明顯。分布式信道分配控制算法確保所有節點具有足夠的可用資源來解決干擾而不降低網絡中信道協商的成功率。

圖4 信道協商成功率對比圖

在不同節點數量下，3信道、4信道、隨機算法在信道分配過程中數據包丟失率對比圖如圖5所示。采用研究提出的帶有功率控制的3信道、4信道分布式信道控制算法的數據包丟失率明顯比隨機算法低；隨著節點數量的增加，數據包的丟失率增加。提出的算法利用信道重用以消除信道干擾的不利影響，即使節點數量增加，4信道分布式信道分配算法也顯示出穩定的結果。

在不同功率等級下，3信道、4信道、隨機算法信道分配吞吐量對比圖如圖6所示。隨著功率水平增加，信道分配對應的吞吐量性能增強，使用所提出的信道分配算法相對于隨機算法可以增加網絡吞吐量，因為提出的算法中CST中有空閑信道可用或獲取新信道，采用功率控制機制，鄰近節點的干擾得到最小化。

歸一化3信道、4信道、隨機算法信道分配吞吐量對比圖如圖7所示。隨著節點數量的增加,4信道相對于3信道、隨機算法信道具有更高的吞吐量。對于隨機算法由于頻繁地改變信道，通過減少數據傳輸和增加信道空閑時間來最小化信道利用率，并沒有明顯改善網絡歸一化吞吐量。

圖5 丟失率對比圖

圖6 不同功率等級下的吞吐量對比圖

圖7 歸一化吞吐量對比圖

4 結論

為了有效解決移動自組織網絡中暴露節點帶來的信道干擾問題，提出一種分布式信道分配控制算法，采用帶功率控制的信道分配控制算法，通過信道動態協商對信道進行自適應調整分配，在同一區域實現不同信道的多個通信，減少了由暴露節點問題引發的負面影響，提高了網絡的容量。該算法可以減少信道干擾，并在密集環境下保持信道連接，仿真結果表明該算法在保持良好的吞吐量情況下，信道可用性最大化，很好地保證了服務質量。后期將會對在功率控制下移動節點如何實現通信同步進行分析研究。