基于无线网络的信道竞争机制研究

肖衡++潘玉霞++龙草芳

摘 要：该文主要针对无线网络中多个节点同时竞争使用信道，产生的时间开销大，网络规模扩大时，冲突概率这一问题，提出了基于频域竞争的信道访问机制。首先采用正交频分复用OFDM进行频域竞争，通过产生的竞争向量，生成控制报文。节点在发送控制报文竞争信道的同时，也接收其他节点的控制报文，并进行相关运算，检测所有竞争节点的竞争向量，竞争向量最小且惟一的节点获得信道使用权。

关键词：频域竞争 竞争向量 控制报文 侦听信道

中图分类号：TP193 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0083-03

无线网络因其灵活性和移动性的优点，不受时间、空间、线缆的限制，在生活和工作各方面都得以广泛应用。IEEE制定了关于无线接入技术的802.11系列标准，包括801.11、802.11b、801.11a、802.11g、801.11n等。802.11标准对如何构建无线网局域网、如何选择频段、如何实现MAC层信道共享等方面提供了一系列的技术建议。无线网络的性能受多方面影响，特别是信道竞争的效率。多个节点接入同一个信道，竞争使用信道，如何保证接入的有效性，如何协调节点之间的传输时间，达到高效利用信道资源目标，这是无线网络技术一直在研究改进的一个方向。

对于信道竞争使用，避免信号冲突，802.11标准采用是的基于时隙的动态退避算法，使用带有冲突检测的载波侦听多路存取CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议和分布式协调协议DCF（Distributed Coordination Function）。節点发送数据前，先检测信道，若信道闲，则等待分布式帧间间隙DIFS（DCF Inter-frame Space）后，再次检测信道，在0～退避窗口CW（Contention Window）之间选择一个随机时隙（Random Backoff time），发送请求传送报文RTS（Request To Send）。收到接收端的回应报文CTS（Clear To Send）后开始数据传输。在RTS和CTS的信息包中，包含了目标地址、预计传输时长。在数据传输过程中，与发送切点同网络的其他节点停止时隙计数，直到预计传输时间结束。

而这种时隙退避算法中，在退避的时隙中，信道处于是空闲状态，信道资源并未被利用，造成了浪费。而多个节点同时竞争信道时，数据碰撞的概率就会大幅增高，造成大量数据重传，系统吞吐量也将随之降低。特别是近几年网络规模不断扩大，无线网络中的节点数呈指数上升，产生冲突的概率越来越大。无线传输速率从最早的1 Mbps发展到现在的1 Gbps，增长速度翻了近千倍，但是从无线网络吞吐量只是从0.6 Mb/s增长到56.7 Mb/s，增长速率远远落后于传输速度。可以看出网络的信号冲突对网络性能影响极大。

为改进退避算法，减少信号冲突，提高信道利用率，该文在详细分析退避算法的基础上，研究利用基于频域竞争信道的无线传输机制，即使用正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）来传递竞争信息，用一个时隙实现信道竞争。节点有数据要发送时，侦听天线先检测信道是否空闲，当信道空闲时，等待DIFS时长，继续侦听，生成竞争向量（Contention Vector），发送用于频域竞争的OFDM符号，竞争成功则发送数据，失败则继续等待DIFS，再侦听信道。

1 频域竞争

当无线网规模增大，接入节点越来越多，信号冲突频繁出现，为减少信道竞争开销，在传输数据前，先利用正交频分复用OFDM衍生出多个频域空间，一个频域即一个子载波。将子载波又分为两种，一种用于信道竞争，一种用于信息收集。

频域竞争基本思想是：节点在发送数据前先侦听信道，侦听发现信道空闲状态持续DIFS后，生成相应的竞争向量序列，用于频域竞争。每个节点配备了多个天线，用一根来发送控制报文，传输竞争向量，其余的用来接收当前网络中其它节点的控制报文。节点对接收到的信号进行检测，试图找出其他节点的竞争向量。如果有不可检测出的竞争向量，则表示信号冲突，节点退出竞争。否则判断自己是否竞争成功，输出竞争结果。

与802.11中通过时域传递信息，由退避窗口体现优先级这类方法相比，这种基于频域竞争方式能有效地降低冲突概率。由于所有节点的竞争信息在一个时隙内进行交换，加速了竞争过程，与传统的不同节点使用不同的退避窗口相比，用于竞争的时间大幅减少。

2 竞争向量

竞争向量相当于802.11协议的随机退避窗口，在每次竞争信道时都会重新生成。

设网络上有M个节点等待时隙发送数据，OFDM分为n个子载波，子载波分信息子载波和竞争子载波两种。每个节点配备多根天线，天线均为全双工传输，用于侦听信道上其它节点的行为，以及声明自身节点的传输需求与优先级别。每个节点选择一个伪随机序列作为特征序列来检测信道，不同节点其特征序列也各不相同。对于存在（Access point， AP）节点的网络，PN序列可在初始时AP统一分配。

竞争向量是一串长度为n的二进制序列，第k位的值由节点在第k个子载波的传输行为决定，若为1，则该节点在第k个子载波传输特征序列Ci，若为0，则该节点在第K个子载波上静默。当第k位上同时出现多个1，则表示有多个特征序列在传输，此时会产生信号冲突。冲突严重时，特征序列检测的结果就不再可靠。因而需设置一个参数来限制每个子载波上特征序列的数量，我们称这个参数为接入概率因子，其值在[0，1]之间固定。

竞争向量生成规则：节点Mi有数据待发送，侦听到信道空闲，等待DIFS后，对第k位元素，节点生成一个[0，1）之间的随机数pi[k]，若该数小于p，则竞争向量第k位的值为1，否则值为0。即

If pi[k]<=p，CVi[k]=1，else CVi[k]=0

控制报文根据节点的竞争向量和相应子载波的频率生成。由竞争向量与每个子载波相应载频的标准正交基累加结果结合后得到控制报文。每个标准正交基e^（i2πft）与载频存在线性函数关系，由傅立叶变换，可将信号分解到各个频率中去。若节点Mi的竞争向量CVi，第k个子载波的频率fk，它的控制报文则为：

3 竞争策略

由于节点接收到的是所有其它节点的控制报文的叠加，对某个竞争向量检测时，均要受其他节点的控制报文带来的干扰。为保证检测结果鲁棒性，先对控制报文进行共轭运算，再与相应子载波接收到的叠加控制报文进行连接运算。值趋于0则表示当前子载波竞争向量位的值为0，出现峰值，则为1。

对于检测出来的结果先进行判断，先看是否有无法检测的竞争向量，若有，则直接退出竞争。若均能检测出来，则判断竞争向量的大小，若自身竞争向量不是最小的，则表示竞争失败。若是最小的，再判断自身竞争向量是否惟一，若与其它节点的值相同，也表示竞争失败。若是值惟一并且值最小，则表示该节点竞争成功，获得信道使用时隙。

假定网络中有5个节点，竞争向量分别如图1所示，6个子载波的频率分别的F1～F6。5个节点均有数据待发送，各自生成竞争向量进行频域竞争。

以节点M1为例，它的伪随机序列C1，在子载波F4、F5、F6上有传输行为。当它收到其他四个节点的控制报文的叠加信号时，需要将每个节点的竞争向量检测出来，以判断自身是否竞争成功。由C1的值可以得出节点M1的竞争向量CV1，当对应子载波静默则为0，出现峰值则为1，图中第4、5、6个子载波上出现峰值，由此可以得出CV1=000111。

由竞争向量和子载波频率，又可得出相应的控制报文：

同时也接收信道其它节点的控制报文，并检测竞争向量，判断是否竞争成功

第1个子载波，收到信号R1=C3 ei2πf1t+C5 ei2πf1 t。

進行检测运算：

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

结果趋向于0，则说明第一个子载波中没有C1，则CV1的第1位为0。同理可计算出CV1的第2、3位也为0。

第4个子载波，收到信号R4=。

进行检测运算：

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

子载波出现峰值，表示第4个子载波上有C1，CV1的第4位值则为1。同理可计算出CV1的第5、6位值也为1。

用同样的方法可以将其他特征序列Ci进行检测，得出其他节点的竞争向量。CV1=000111，CV2=011000，CV3=100100，CV4=010010，CV5=101001。再对所有的竞争向量进行比较，发现CV1的值惟一且最小，则节点M1竞争成功。而其它节点等待时隙进行下一次竞争。

3.1 性能分析

利用OFDM符号的子载波传输竞争信息，进行频域竞争，能有效地降低冲突概率，节省竞争时间，提高网络性能。

冲突概率降低。802.11协议中多个节点竞争信道时，出现冲突的概率较高，特别是当网络上节点数量大幅增多的时，冲突造成的开销甚至超过数据传输开销。而这种基于频域竞争信道的机制可以大幅降低冲突概率。由于每个节点都生成竞争向量，对竞争向量按从小到大的顺序分配优先级竞争使用信道，只有在有两个或两个以上的节点选择相同的竞争向量时才会产生冲突。而两个或多个节点同时选中一个竞争向量的概率如下：

竞争向量的位数为n，其中1的个数为i，则一个节点选中CV的概率为：

竞争时间减少。802.11标准采用载波侦听多路存取CSMA/CA侦听信道，分布式协调协议DCF避免冲突，这种方法在竞争信道时消耗的时间较长。基于频域竞争信道的方式能在一个时隙完成竞争，减少了竞争时间。从上一次数据传输结束，多个节点开始侦听信道，直到竞争成功的节点开始传输数据，这一时长称为竞争时间。每个节点都是在等待DIFS时长后才开始竞争，竞争时槽也是各节点传输特征序列的时长。若无冲突，竞争时长为DIFS与竞争时隙之和。若有冲突发生，则需进行多次竞争，才能选出竞争成功节点。再次竞争时，会选择更长的特征序列，以提高可靠性。一般来说特征序列越长，检测的可靠性更高，但相应地传输时间越长，竞争时槽也大。特征序列越短，竞争时槽也越小，但检测结果的可靠性降低，冲突概率将增大。故而特征序列需要选择合适的长度，对缩短竞争时间起到关键作用。

3.2 存在问题

这种频域竞争的方式很大程度上依赖于竞争向量的检测，理想情况是每个节点都能检测出其他节点的竞争向量。但是由于无线网络的复杂性和不确定性，实际上会出现无法获取部分节点的竞争向量，造成信号冲突，影响网络性能。

当网络规模较大时，就会存在隐藏节点，即节点之间不是都能相互侦听。A节点能侦听到B节点的竞争向量，C节点也能侦听到B节点，但是A和C之间不能相互侦听，若A和C同时给B节点发送信息，就会出现A和C的信号冲突，造成数据重传。

特征序列会受其他序列干扰，干扰报文的信号越强，特征序列检测出错的概率会越高，当干扰信号的强度远远大于互相关的特征报文信号时，甚至出现漏检、误检的现象。

4 结语

随着无线网络规模的扩大，人们对网络性能的要求也越来越高。该文主要针对如何降冲突概率，减少节点接入开销，提出了一种基于频域竞争信道的方法。这种方法不同于802.11对时隙串行竞争信道，而是利用OFDM的子载波来传递竞争信息，在一个时隙内利用并行的频域完成竞争，大幅缩短竞争时间，减少冲突概率，在很大程度上提高了网络性能。

参考文献

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