專利名稱：基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法。

背景技術(shù)：
基于IEEE(美國電子和電氣工程師協(xié)會)802.11系列協(xié)議的無線局域網(wǎng)具有靈活、快捷的組網(wǎng)特性以及能夠提供像“漫游”等有線網(wǎng)絡(luò)無法提供的服務(wù)，使其在現(xiàn)代社會生活中得到廣泛的應(yīng)用。在IEEE802.11系列協(xié)議中的MAC(接入控制層)通過固定功率的傳輸控制幀(RTS/CTS請求發(fā)送/允許發(fā)送)來協(xié)調(diào)周圍節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)無線局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于通信節(jié)點(diǎn)距離的不確定性，導(dǎo)致了干擾距離的變化。不同的干擾距離與相同的傳輸距離之間的矛盾，也就導(dǎo)致了現(xiàn)行的固定功率RTS/CTS機(jī)制在實(shí)際應(yīng)用中不能有效發(fā)揮其作用，限制了整體網(wǎng)絡(luò)性能的提高。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，IEEE Std 802.11(電子和電器工程師協(xié)會無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組)組織在1999年發(fā)布的“Wireless LAN Media AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications”(無線局域網(wǎng)媒體接入控制層和物理層規(guī)范)中規(guī)定，MAC層通過四次握手機(jī)制RTS-CTS-DATA-ACK(請求發(fā)送-允許發(fā)送-數(shù)據(jù)-接受確認(rèn))完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。處在一對通信節(jié)點(diǎn)周圍的其他節(jié)點(diǎn)，通過接收這對通信節(jié)點(diǎn)RTS和CTS，按照RTS/CTS中包含的NAV(網(wǎng)絡(luò)分配向量)來設(shè)置自己保持靜默的時間?？刂茙琑TS/CTS的發(fā)射功率是固定的，和傳輸數(shù)據(jù)時的發(fā)送功率一致。通過這種方式，保證這對通信節(jié)點(diǎn)的正確通信，不受到周圍節(jié)點(diǎn)的影響。在現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能夠?qū)νㄐ女a(chǎn)生干擾的距離一般是通信節(jié)點(diǎn)之間距離的1.78倍。由于通信節(jié)點(diǎn)之間距離的不確定性，也就導(dǎo)致了干擾距離的變化。不同的干擾距離與相同的傳輸距離之間的矛盾，限制了現(xiàn)行的RTS/CTS機(jī)制性能的發(fā)揮，在稍為密集型的網(wǎng)絡(luò)中會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，應(yīng)用于基于IEEE802.11系列協(xié)議的無線局域網(wǎng)，使通信節(jié)點(diǎn)獲得通信傳輸?shù)木嚯x，動態(tài)調(diào)整RTS/CTS的傳輸功率，達(dá)到整體網(wǎng)絡(luò)中的干擾最小，提高整體網(wǎng)絡(luò)通信的空間復(fù)用度，使整體網(wǎng)絡(luò)的性能得到提高。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟 首先，無線自組網(wǎng)中的通信節(jié)點(diǎn)檢測周圍的其他節(jié)點(diǎn)，并獲得與周圍節(jié)點(diǎn)通信的傳輸距離，建立一個與周圍節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率表，在初始化時，將發(fā)射功率表中的發(fā)射功率設(shè)置為最大發(fā)射功率； 然后，通信節(jié)點(diǎn)接收周圍其他節(jié)點(diǎn)的控制幀時，根據(jù)正確接收數(shù)據(jù)時信噪比所需滿足的條件，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與其他節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，用最優(yōu)發(fā)射功率更新此節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率表中的發(fā)射功率； 再次，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀時，首先進(jìn)行幀判斷，如果是RTS/CTS控制幀，則節(jié)點(diǎn)從自身的發(fā)射功率表中，查找出最優(yōu)發(fā)射功率，進(jìn)行控制幀的發(fā)送；如果是數(shù)據(jù)幀，則按照最大的發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)送。
所述的獲得與周圍節(jié)點(diǎn)通信的傳輸距離，具體為通信節(jié)點(diǎn)收到幀后，獲得接收功率Pr，根據(jù)Friis(福利斯)自由空間傳播模型，接收功率其中Pt、Pr分別代表發(fā)送端的發(fā)射功率以及接收端的接收功率，Gt、Gr分別代表發(fā)射端和接收端的天線增益，ht、hr分別代表發(fā)送端和接收端的天線高度，Dt代表發(fā)送端和接收端的距離，并通過公式得到通信的傳輸距離Dt。
所述發(fā)射功率表，包括目的地址、到目的地址的距離、發(fā)射功率，其中到目的地址的距離即是通信的傳輸距離Dt。
所述根據(jù)正確接收數(shù)據(jù)時SNR(信噪比)所需滿足的條件，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與其他節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，具體為由Friss(福利斯)自由空間傳播模型，得到其中，Pi為實(shí)際通信中接收端的其他節(jié)點(diǎn)的通信干擾功率，Pt表示發(fā)送端的發(fā)射功率，Gt、Gr分別代表發(fā)射端和接收端的天線增益，ht、hr分別代表發(fā)送端和接收端的天線高度，Di為干擾范圍半徑，當(dāng)能夠正確的接受數(shù)據(jù)；時，數(shù)據(jù)不能正常接收，得到表示正在通信的兩個節(jié)點(diǎn)能夠?qū)χ車渌?jié)點(diǎn)通信造成致命影響的范圍最大為進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)最優(yōu)化發(fā)射功率Pt_best，公式如下其中Pt_max表示最大發(fā)射功率，Rmax表示節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率Pt_max發(fā)射時能夠正確傳輸?shù)淖畲蠓秶霃健?br> 所述的最優(yōu)發(fā)射功率，是指能使RTS/CTS影響靜默節(jié)點(diǎn)最少的發(fā)射功率。
所述信噪比，在IEEE Std.802.11中規(guī)定，接收端至少有10db的SNR(信噪比)才能正確的接受數(shù)據(jù)，即 所述幀判斷，具體為在MAC層中包括如下幀格式RTS(請求發(fā)送)幀、CTS(允許發(fā)送)幀、DATA(數(shù)據(jù))幀、ACK(確認(rèn))幀，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入到MAC層時，將數(shù)據(jù)送入幀版本控制單元，幀版本控制單元根據(jù)幀的格式，判斷出幀的類型。
所述控制幀，其對通信的空間復(fù)用度產(chǎn)生主要影響的因素，調(diào)整了控制幀的傳輸功率，也就調(diào)整了它的影響范圍。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明方法在不改變協(xié)議基本通信機(jī)制的前提下，加入最優(yōu)發(fā)射功率表，各個節(jié)點(diǎn)不與周圍其他節(jié)點(diǎn)交換控制/信息幀，通過自身的最優(yōu)功率計(jì)算調(diào)整控制幀的發(fā)射功率，移植的靈活性好，通過功率調(diào)整能有效地減少干擾范圍，提高通信的空間復(fù)用度，增加網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量。在實(shí)現(xiàn)中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布的疏密程度，至少能實(shí)現(xiàn)約36％的性能提升。



圖1為本發(fā)明方法流程圖； 圖2為本發(fā)明干擾與通信距離關(guān)系分析圖； 圖3為原協(xié)議實(shí)施例部分區(qū)域仿真結(jié)果圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例部分區(qū)域仿真結(jié)果圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括如下步驟自組網(wǎng)中每個節(jié)點(diǎn)檢測周圍其它的節(jié)點(diǎn)，初始化時，通過接收功率Pr，最大傳輸功率Pt以及自由空間傳播模型獲得節(jié)點(diǎn)與周圍其他節(jié)點(diǎn)的通信距離Dt，建立一個與周圍節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率表，此表由目的地址，到目的地址的通信距離Dt，發(fā)射功率組成，初始化時將發(fā)射功率設(shè)置為最大的發(fā)射功率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)每次接收到周圍其他節(jié)點(diǎn)的控制幀時，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與其他節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，用Pt_best更新此節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率表；當(dāng)此節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的時候，首先進(jìn)行幀判斷，如果是RTS/CTS控制幀，則節(jié)點(diǎn)從自身的發(fā)射功率表中，查找出這個最優(yōu)發(fā)射功率，進(jìn)行控制幀的發(fā)送。然后進(jìn)入幀偵聽和接收階段，進(jìn)入下次通信距離獲得階段。
如圖2所示，根據(jù)自由空間傳播模型，傳輸最大距離半徑Rt是和發(fā)射功率Pt成比例的，接收端接收到的功率Pr和通信的距離Dt以及發(fā)送端的發(fā)射功率Pt相關(guān)。通過具體分析，得到干擾的范圍約為通信距離的1.78倍，即Ri＝1.78Dt，其中Ri表示能夠?qū)Ξ?dāng)前節(jié)點(diǎn)通信產(chǎn)生致命干擾的范圍，干擾范圍隨著通信節(jié)點(diǎn)距離Dt的變化而變化。圖中所示，A，B兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通信距離為Dt，虛線圓圈表示能夠正確通信的最大范圍，實(shí)線圓圈區(qū)域表示干擾范圍。此時Ri＜Rt，虛線圓圈區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠正確接收RTS/CTS，保持靜默，但這些節(jié)點(diǎn)處于干擾范圍之外，其通信不會影響到AB間的正確通信，這些節(jié)點(diǎn)在AB進(jìn)行通信的過程中保持靜默的話，就浪費(fèi)了這些節(jié)點(diǎn)通信的可能性。這樣就會導(dǎo)致信號空間復(fù)用度的降低，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。在密集型的網(wǎng)絡(luò)中，這樣缺陷成為網(wǎng)絡(luò)性能提高的制約因素。
如圖3所示，采用原協(xié)議時，部分仿真場景中正在通信節(jié)點(diǎn)和保持靜默的范圍。由于原協(xié)議中以最大功率發(fā)射RTS/CTS，從圖中可以看到保持靜默的范圍是最大的。黑點(diǎn)表示正在通信的兩個節(jié)點(diǎn)，虛線圓圈表示周圍需要保持靜默的范圍，處于這些范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)保持靜默。從圖3中可以看到，仿真場景中有6對節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行通信。
如圖4所示，本發(fā)明部分仿真場景中正在通信的節(jié)點(diǎn)和保持靜默的范圍。圖3和圖4的對比發(fā)現(xiàn)，同樣的仿真場景下，根據(jù)各個通信對間的通信距離Dt的不同，經(jīng)過最優(yōu)發(fā)射功率計(jì)算，得到最優(yōu)發(fā)射功率。采用了最優(yōu)發(fā)射功率發(fā)射RTS/CTS，有效地減少了受RTS/CTS影響保持靜默的區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)對明顯地提高，此時的仿真場景有8對節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行通信。
如圖5所示，為本發(fā)明實(shí)施例網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量仿真結(jié)果圖，橫坐標(biāo)代表仿真時間，縱坐標(biāo)表示整體網(wǎng)絡(luò)吞吐量，分別采用5.5Mbps和11Mbps速率的CBR數(shù)據(jù)流進(jìn)行原協(xié)議和本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)吞吐量統(tǒng)計(jì)。Ori-5.5、Ori-11表示原協(xié)議整體網(wǎng)絡(luò)吞吐量曲線，Mod-5.5、Mod-11表示本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)吞吐量。圖中可以看出，Ori-5.5和Mod-5.5網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別為3.79Mbps和5.19Mbps，意味著本發(fā)明較之原協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高了約37％的性能。0ri-11和Mod-11網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別為7.67Mbps和10.42Mbps，本發(fā)明對比原協(xié)議性能提高了約36％。
由此證明本發(fā)明基于動態(tài)功率調(diào)整的RTS/CTS方法能夠在較為密集的網(wǎng)絡(luò)中有效地減少靜默范圍，保證通信正確傳輸?shù)耐瑫r，大幅提高了整體網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。在仿真實(shí)現(xiàn)時，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量提高36％(網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的密集程度不同，性能提高會不同，主要與通信節(jié)點(diǎn)的距離關(guān)聯(lián)緊密)。
權(quán)利要求
1、一種基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，其特征在于，包括如下步驟
首先，無線自組網(wǎng)中的通信節(jié)點(diǎn)檢測周圍節(jié)點(diǎn)，并獲得與周圍節(jié)點(diǎn)通信的傳輸距離，建立一個與周圍節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率表，在初始化時，將發(fā)射功率表中的發(fā)射功率設(shè)置為最大發(fā)射功率；
然后，通信節(jié)點(diǎn)接收周圍節(jié)點(diǎn)的控制幀時，根據(jù)正確接收數(shù)據(jù)時信噪比所需滿足的條件，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與周圍節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，用最優(yōu)發(fā)射功率更新此節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率表中的發(fā)射功率；
再次，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀時，首先進(jìn)行幀判斷，如果是RTS/CTS控制幀，則節(jié)點(diǎn)從自身的發(fā)射功率表中，查找出最優(yōu)發(fā)射功率，進(jìn)行控制幀的發(fā)送；如果是數(shù)據(jù)幀，則按照最大的發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)送。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，其特征是，所述的獲得與周圍節(jié)點(diǎn)通信的傳輸距離，具體為通信節(jié)點(diǎn)收到幀后，獲得接收功率Pr，根據(jù)福利斯自由空間傳播模型，接收功率其中Pt、Pr分別代表發(fā)送端的發(fā)射功率以及接收端的接收功率，Gt、Gr分別代表發(fā)射端和接收端的天線增益，ht、hr分別代表發(fā)送端和接收端的天線高度，Dt代表發(fā)送端和接收端的距離，并通過公式得到通信的傳輸距離Dt。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，其特征是，所述發(fā)射功率表，包括目的地址、到目的地址的距離、發(fā)射功率，其中到目的地址的距離即是通信的傳輸距離Dt。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，其特征是，所述根據(jù)正確接收數(shù)據(jù)時信噪比所需滿足的條件，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與其他節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，具體為由福利斯自由空間傳播模型，得到其中，Pi為實(shí)際通信中接收端的其他節(jié)點(diǎn)的通信干擾功率，Pt表示發(fā)送端的發(fā)射功率，Gt、Gr分別代表發(fā)射端和接收端的天線增益，ht、hr分別代表發(fā)送端和接收端的天線高度，Di為干擾范圍半徑；
當(dāng)能夠正確的接受數(shù)據(jù)，SNR為信噪比；時，數(shù)據(jù)不能正常接收，得到表示正在通信的兩個節(jié)點(diǎn)能夠?qū)χ車渌?jié)點(diǎn)通信造成致命影響的范圍最大為進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)最優(yōu)化發(fā)射功率Pt_best，公式如下其中Pt_max表示最大發(fā)射功率，Rmax表示節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率Pt_max發(fā)射時能夠正確傳輸?shù)淖畲蠓秶霃健?br> 5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，其特征是，所述幀判斷，具體為在MAC層中包括如下幀格式RTS幀、CTS幀、DATA幀、ACK幀，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入到MAC層時，將數(shù)據(jù)送入幀版本控制單元，幀版本控制單元根據(jù)幀的格式，判斷出幀的類型。
全文摘要
一種無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)領(lǐng)域的基于動態(tài)功率調(diào)整的傳輸控制幀方法，首先，無線自組網(wǎng)中的通信節(jié)點(diǎn)檢測周圍的其他節(jié)點(diǎn)，并獲得與周圍節(jié)點(diǎn)通信的傳輸距離，建立一個與周圍節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率表；然后，通信節(jié)點(diǎn)接收周圍其他節(jié)點(diǎn)的控制幀時，通過最優(yōu)功率計(jì)算公式得到與其他節(jié)點(diǎn)通信的最優(yōu)發(fā)射功率，用最優(yōu)發(fā)射功率更新此節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率表中的發(fā)射功率；再次，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀時，首先進(jìn)行幀判斷，如果是RTS/CTS控制幀，則節(jié)點(diǎn)從自身的發(fā)射功率表中，查找出最優(yōu)發(fā)射功率，進(jìn)行控制幀的發(fā)送；如果是數(shù)據(jù)幀，則按照最大的發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)送。本發(fā)明提高整體網(wǎng)絡(luò)通信的空間復(fù)用度，使網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量得到很大的提升。
文檔編號H04L12/28GK101242208SQ20081003456
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者陳偉喜, 戎蒙恬, 濤 劉, 誠 吉, 超 劉 申請人:上海交通大學(xué)