一种基于发射功率控制的无线自组织网MAC协议

第７卷第５期　２００６年１Ｏ月　解放军理工大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＰＬＡ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．７　Ｎｏ．５　０Ｃｔ．２００６　文章编号：１００９—３４４３（２００６）０５—０４１３—０４　

一种基于发射功率控制的无线自组织网ＭＡＣ协议　

朱贽，　徐友云，　蔡跃明　（解放军理工大学通信工程学院，江苏南京２１０００７）　摘　要：在无线自组织网数据链路层中，采用传统的功率控制机制会引起不同发射功率节点间的分组冲突。　为了减少这种冲突和提高网络性能，提出了一种基于发射功率控制的无线自组织网ＭＡＣ协议。通过引入交　互发射功率等级信息和目的节点发送两次ＣＴＳ帧的方法来缓解隐藏终端问题。网络仿真表明，在静止网络　中ＣＴＰＬ协议与８０２．１１　ＤＣＦ协议相比可有效提高网络吞吐率，并减少部分能量消耗。通过仿真分析可知，　该协议在无线自组织网络静止场景中可提高吞吐率，降低传输时延以及延长网络使用寿命。　关键词：无线自组织网；介质访问控制；功率控制；发送功率等级　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　

Ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ＺＨＵ　Ｙｕｎ，　Ｕ　Ｙｏｕ－ｙｕｎ，　ＣＡＩ　Ｙｕｅ—ｒｕｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。ＰＬＡ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．。Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　ｄａｔａ　ｌｉｎｋ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍａｙ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｐａｃｋｅｔ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ　ａｍｏｎｇ　ｎｏｄｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ．　Ａ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｌｅｓｓｅｎ　ｔｈｏｓｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｌｌｏｗｉｎｇ　ｎｏｄｅｓ　ｔｏ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｉｒ　ｎｅｉｇｈｂｏｒ　ｎｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｉｎｇ　ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ　ｎｏｄｅｓ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ＣＴＳ　ｆｒａｍｅｓ　ｔｗｉｃｅ　ｃａｎ　ａｌｌａｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　８０２．１　１　ＤＣＦ　ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ，ｍａｉｎｔａｉｎ　ｌｏｗ　ｌａｔｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｌｏｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｉｎ　ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ　ｓｃｅｎａｒｉｏｓ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ＭＡＣ（ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏ１）；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｌｅｖｅｌ　

无线自组织网具有无中心、自组织、布网灵活、　快速展开、抗毁性强等特点，在移动计算、分布式计　算、搜索救援、军事行动、环境污染监测等许多领域　收稿日期：２００５一ｕ—Ｏ１．　基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６０３７２０８０）；江苏　省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００４０１４）．　作者简介：朱赘（１９８ｏ一），男，博士生．　联系人：徐友云，教授；研究方向：无线网络和移动通信；　Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｙｘｕ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ．　具有广泛的应用前景。介质访问控制ＭＡＣ（ｍｅｄｉｕｍ　ａＣＣｅＳＳ　ｃｏｎｔｒｏ１）协议是目前自组网的研究重点，在　ＭＡＣ协议中采用功率控制机制＿－】］后，发送节点根据　与目的节点的距离和信道状况等条件来动态调整发　射功率，减少对邻居节点的干扰，减少数据包竞争　冲突率，提高网络吞吐量，同时降低节点的能量消　耗，延长网络的使用寿命。而且由于节点的发射功率　

大小决定了其邻居节点的数量以及网络的连接度和　维普资讯 http://www.cqvip.com ４１４　解放军理工大学学报（自然科学版）　第７卷　连通性，因此功率控制技术在无线自组织网中的应　用是一个新的研究领域，近年来得到广泛的　研究　。～　。　文献Ｅ５－］总结了自组网数据链路层的ＢＡＳＩＣ算　法，即数据发送节点用最大发射功率传送请求发送　ＲＴＳ（ｒｅｑｕｅｓｔ　ｔｏ　ｓｅｎｄ）帧和允许发送ＣＴＳ（ｃｌｅａｒ　ｔｏ　ｓｅｎｄ）帧，而使用传输到目的节点所需的适当发射功　率传送ＤＡＴＡ（数据）帧和应答ＡＣＫ（ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇ—　ｍｅｎｔ）帧，并对ＩＥＥＥ　８０２．１１分布式协调功能ＤＣＦ　（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）［　机制进行改　进。但以较小的发射功率传送ＤＡＴＡ帧和ＡＣＫ帧　会导致发送节点和接收节点的载波侦听范围缩小，　引发隐藏终端问题，造成处于载波侦听带外的邻居　节点使用较大的发射功率时引发冲突和造成重传，　使得网络吞吐量性能变差并增加节点能耗。通过邻　居节点之间交互发射功率等级信息可以减少此类冲　突来提高网络性能。ＣＴＰＩ　协议提出节点的发射功　率以固定发送功率等级来发送信号，使用适当发射　功率发送ＲＴＳ帧、ＤＡＴＡ帧和ＡＣＫ帧用以缩小数　据传输范围和载波侦听带，从而允许周围部分节点　可以建立通信。每个节点记录有发射功率等级信息，　在控制帧和数据帧中设置发射功率等级域，并提出　目的节点发送２次ＣＴＳ帧的机制来缓解隐藏终端　问题。第１次发送使用最大发射功率，第２次发送使　用适当功率，邻居节点可获得发送节点和目的节点　的发射功率等级信息，并了解所处数据传输范围和　载波侦听带位置。　

１　协议描述　假设在无线自组织网节点通信过程中，发射端　和接收端之间存在一个明确的、未被阻塞的直射路　径；通信链路具有双向连通性，不存在单向通信；发　送节点与接收节点间的正向信号与反向信号衰减基　本相同；节点具有相同的发送功率等级、载波监听门　限Ｃ　和信号接收门限Ｒｘ　节点ＭＡＣ子层与物　理层之间能够交互信号功率强度信息。当目的节点　的接收端信噪比ｒｓ，ｎ高于正确接收信号的信噪比门　限　ｔ　信号就可正确接收，ｒｓ．ｎ的表示式为Ｌ５］：　ｍ　ｒｓ．　一ｇ　Ｐ　／ｔ　ｇ，Ｐ，＋７１ｏ），　｜＝１　ｉ≠Ｉ　其中：Ｐ、ｇ分别为发送节点ｉ以及其它邻居节点Ｊ　的发射功率和到目的节点ｄ的链路增益；　为背景　热噪声功率；　为节点ｄ的邻居节点个数。　节点在ＭＡＣ子层添加有功率控制信息子域，　设置本地发射功率等级列表和邻居发射功率等级列　表，数据帧和控制帧中记录发射功率等级信息。本地　发射功率等级列表记录与不同邻居节点通信所采用　的适当发射功率等级，最小发送功率标记为１，最大　发送功率标记为Ｎ，初始时默认功率设置为最大发　送功率，但标记为０。邻居发射功率等级列表用来记　录接收到不同邻居节点发送帧的发射功率等级信　息，并将帧中持续时间域设置为本节点的网络分配　矢量。当发送节点使用本地发射功率等级列表中记　录的发射功率等级无法与目的节点通信，则等级标　识重置为０；当邻居发射功率等级列表未空，节点执　行退避规程。载波侦听机制、退避机制、重发机制等　都采用８０２．１１　ＤＣＦ协议。　通过图１来阐述ＣＴＰＬ协议的访问规程。发送　

首次ＣＴＳ的传输范围　图１　ＣＴＰＬ协议　Ｆｉｇ．１　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＴＰＬ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　节点　有数据帧发给目的节点Ｂ，则节点　查询　ＭＡＣ层中发射功率等级标识　，并使用　对应的　发射功率Ｐ　传送ＲＴＳ帧给节点Ｂ；当节点Ｂ接收　到节点Ａ的ＲＴＳ帧后，根据接收功率Ｐ　、ＲＴＳ帧　中的功率等级标识Ｌ　和公共功率裕量Ｋ（报文到达　对方应具有的功率富余量）计算出适当发送功率Ｐ，　尸≥ｒａｉｎ（ｍａｘ（ＲｘＴｈｒ×Ｋ×Ｐ　／Ｐ　，Ｐ　．　Ｊ，Ｐ　．　），　其中：Ｐ　和Ｐ　，　分别为节点可使用的最小和最　大发射功率。节点Ｂ将Ｐ所对应的发射功率等级　更新ＭＡＣ层本地发射功率等级列表。节点Ｂ先　以最大发射功率发送ＣＴＳ帧，经过一个ＳＩＦＳ（最短　帧间间隔）后，节点Ｂ以Ｌ　对应的发射功率再次发　送ＣＴＳ帧，但２次ＣＴＳ帧包含的发射功率等级标　识都设为Ｌ　。当节点　接收到ＣＴＳ帧后，更新本地　ＭＡＣ层发射功率等级列表，并开始使用　对应的　发射功率发送ＤＡＴＡ帧。　

节点Ｃ处于节点Ｂ发送的首次ＣＴＳ帧的传输　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　朱　赘，等：一种基于发射功率控制的无线自组织网ＭＡＣ协议４１５　范围和２次ＣＴＳ帧的载波监听带内，节点Ｄ处于　节点Ｂ发送的２次ＣＴＳ帧的传输范围内，两节点将　ＣＴＳ帧的发射功率等级　记录到邻居发射功率等　级列表。节点Ｃ需要一直处于退避状态，直到节点　Ａ与节点Ｂ通信结束。但节点Ｄ处于２次ＣＴＳ帧　的载波监听范围外，若节点Ｄ有数据帧要发送，则　在本地发射功率等级列表中查找数据目的节点对应　的发射功率等级　。，如果　不大于邻居发射功率　等级列表记录的发射功率等级，则节点Ｄ结束退避　并开始通信，否则节点Ｄ继续处于退避状态。　

２　仿真分析　为了验证ＣＴＰＬ协议的网络性能，对其进行网络　仿真并与８０２．１１　ＤＣＦ协议作分析比较。频率设置为　２．４　ＧＨｚ的工业、科学和医疗ＩＳＭ（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｓｃｉｅｎ—　ｔｉ｛ｉｃ　ａｎｄ　ｍｅｄｉｃａ１）频段，传输速率设为２　Ｍｂ／ｓ。根据　文献［７３对节点的无线模块参数进行设置，节点发射功　率等级设置６个等级，为１５～一１０　ｄＢｍ，间隔为５　ｄＢ；最大发射功率为１５　ｄＢｍ，即　为３２　ｍｗ；功率　裕量值　取６　ｄＢ，信号接收门限Ｒｘ　为一８１　ｄＢｍ，　载波监听门限Ｃｓｎ　为一９１　ｄＢｍ，正确接收信号的信噪　比门限ｒｓ　为１０　ｄＢ。无线模块功耗的增加与信号发　射功率的增加成线性关系［７］，Ｐ　一为最大发射功率时　无线模块功率消耗值，Ｐ　为接收状态的无线模块功率　消耗值，则发射功率为Ｓ（　），发射功率等级为ｍ时，　节点发送模式的功率消耗值Ｐ　（　）为　，一、　Ｐ　（　）一Ｐ　＋ｕ－　（Ｐ　．　一Ｐ　）。　Ｕｍａｘ　应用层采用基于用户数据报协议的数据流，到　达时间间隔服从负指数分布，而且各发送节点的平　均报文到达速率相同，报文长度为５１２　ｂ。仿真中　１００个节点随机分布在１　４００　ｍ×１　４００　ｍ范围内，　每个节点随机选取一个邻居节点进行通信。首先，对　节点静止情况进行网络仿真时，网络层采用ＡＯＤＶ　路由协议　］，仿真时间为６０　Ｓ。图２（ａ）显示了系统吞　吐率随节点报文到达速率变化的性能。当网络负荷　较小时，２种协议的系统吞吐率较为一致。在报文到　达速率为７　ｐａｃｋｅｔ／ｓ后，随着负荷的增加ＣＴＰＬ协　议提高网络吞吐率效果较明显，系统平均吞吐率较　８０２．１１协议可提高１５　。图２（ｂ）是不同报文到达　速率时系统功耗曲线，ＣＴＰＩ　协议的系统功耗低于　８０２．１１协议，可以有效节省节点功耗。　在表１中显示了不同报文到达速率时的平均时　延性能比较，可以看出当网络负荷较低时，２种协议　曼　＼　磺　临　ｊ蠹；　懈