PCMA协议中的封闭问题研究范文

《电子科技》2014年第五期

1DBTMA协议

DBTMA协议是一种基于双信道加忙音信道的信道接入协议，其除了使用控制信道上的RTS/CTS分组外，还使用了两个窄带忙音来标识信道状态。DBTMA协议的工作方式描述如下:当一个节点有数据要发送时，首先监听信道上是否存在传输忙音(BTt)。若没有，发送节点就会发送一个包含接收节点标识的RTS分组，并在发送RTS期间一直监听传输忙音。若发送节点监听到传输忙音，则即使收到了来自接收节点的CTS却也要延迟发送。当接收节点接收RTS分组时，要监听传输忙音来判断是否有节点正在发送数据，如果检测到当前没有传输，则接收节点将响应CTS分组，并发送接收忙音(BTr)，否则将保持沉默。当发送节点接收到CTS后，其开始在数据信道上传送数据并发送传输忙音。当发送和接收数据完毕后，则停止工作。在DBTMA协议中，采用了双忙音机制可确保没有数据分组的冲突，并彻底解决了隐藏终端和暴露终端的问题。同时，双忙音机制还在一定程度上减少了封闭现象，这是因为在DBTMA协议中，一个节点是否被禁止传输的依据为其是否检测到了忙音信号，而并非RTS/CTS控制信息。

2PCMA协议分析

PCMA协议同样将信道分为忙音信道和数据信道，但其根据收到的控制分组信号强度来限制隐藏终端和暴露终端的发射功率，将开关型的固定功率发射模型推广为功率可变的发射模型。其工作方式如下:发射端首先向接收端发射RPTS帧来请求发射功率，接收端应答一个APTS帧，里面包含使接收端能成功接收分组的最小发射功率Pt_des。然后发射端发射数据帧，接收端在成功接收数据后应答一个ACK帧。同时每个活跃的接收机周期性地在忙音信道上广播其能忍受的最大噪声。这样，潜在的发射机通过监听忙音来决定自己的最大发射功率，即约束功率Pt_bound。隐藏终端收到控制信息时，并非不能向外发送分组，而需根据控制信息的强度来限制自己的发射功率。在PCMA协议中，如果一个节点有数据要发送，发射端会在一个门限时间内监听忙音信道，通过测量忙音信道上的最大接收功率来确定其约束功率Pt_bound。即当这一节点以约束功率Pt_bound进行传输时，产生的干扰不会超过正在进行通信的节点的噪声容忍门限。接收节点也会周期性地向其他节点广播其能忍受的最大附加噪声，以确保自身的数据传输。PCMA协议中存在的封闭情况比DBTMA协议更少，这是基于以下两点原因:(1)节点发送控制分组和数据分组时，并不会用最大功率发送，而是在约束功率的范围内，选择一个能成功发送分组到目的节点的最小发送功率。尤其是在负载较高的网络，Pt_bound可能被限制在一个较低的水准上。节点的发送功率缩小，使得节点发送分组的覆盖范围变小，即其覆盖范围内的节点总数减少。即在一对节点能够成功通信的前提下，受到其影响的节点数目变少，而可能被封闭的节点数目也随之减少。(2)侦听到接收忙音BTr的节点并不会像在DBTMA协议中那样简单地禁止接入信道。当其传输功率Pt_des低于约束功率Pt_bound时，其是可以接入信道的。暴露发送终端通过测量，若认为不会影响接收方的接收质量，而在DBTMA协议中的封闭节点按照该协议的规定是可与发送节点同时发送数据的，其不再被封闭。PCMA协议以现已建立的数据传输的噪声容忍限度作为约束，通过RPTS/APTS分组的交互，控制了源节点与目的节点控制分组和数据分组发送的功率，有效抑制了冲突范围，减少了封闭现象，提高了网络的空间复用率，从而显著提高了系统的总容量，同时也降低了网络的总功耗。

3改进型DBT－PCMA协议分析

将DBTMA协议中的双忙音技术应用于现有的PCMA协议，可得到一种改进型的DBT－PCMA协议，其是基于以下传输假设的:(1)使用和PCMA协议相同的信道传输模型假设。(2)为避免多个忙音信号的重叠，DBT－PCMA协议采用了周期性的忙音脉冲。只有1%～2%的带宽用来发射忙音就可达到最佳性能。这样，本文假设由忙音信号引起的开销可忽略不计。(3)假设无需由接收端返回APTS分组，发送节点就已知发送数据分组的传输功率值Pt_des。为确定Pt_des，发送节点必须掌握接收端和自身的距离信息。为帮助发端确定到达接收端的距离，已经提出了众多位置可知的MAC协议，例如通过全球定位系统GPS来确定，也可通过先验路由进行估计。DBT－PCMA协议的基本模型:(1)当节点处于空闲状态时，其连续的侦听接收忙音信道，以此来更新其传输约束功率。(2)当节点有数据要发送时，其首先侦听发送忙音信道。若在发送忙音信道上有BTt存在，则意味着其他节点正在传输RPTS分组，发送节点就进入退避状态以避免冲突。否则，该节点就检测并计算自身的约束功率Pt_bound是否大于等于已知的Pt_des。若是，发送节点便以相同的功率Pt_bound在不同信道上分别传输发送忙音信号和RPTS分组。否则，该节点将进入退避状态。(3)当接收节点收到RPTS分组时，其根据计算出的接收端忙音信号的传输功率，传输接收忙音信号作为对发送节点的回复，替代了PCMA协议中的APTS分组。(4)发送节点在传输RPTS分组之后持续侦听接收忙音信道，当判定接收节点已收到RPTS分组时，发送节点停止发送传输忙音信号BTt，并以功率Pt_des发送数据分组。若经过一个时间段的侦听，发送节点侦听到的接收忙音信号功率不满足上述条件，该节点则进入退避状态，而当退避计数器减小到零时重新开始建立连接。(5)在数据分组的接收期间，接收节点基于测量的噪声，不断更新其接收忙音信号功率。该节点成功接收到数据分组后，停止发送接收忙音信号。在DBT－PCMA协议中，将DBTMA协议内的双忙音技术应用于现有的PCMA协议中，对于减少封闭问题具有以下优点:(1)在PCMA协议中，控制分组RPTS/APTS分组并未有任何保护机制，可能会与其他的控制分组或数据分组发生冲突，导致连接建立失败。而在DBT－PCMA协议中，发端在发送RPTS分组的同时，在忙音信道上也发送了忙音脉冲，告知其他节点当前的发送状态，以避免冲突。且忙音信号的发送功率对其他节点也产生了传输功率限制，有效降低了冲突发生的可能性。(2)另外，PCMA协议中存在APTS分组的封闭问题。虽与IEEE802.11MAC协议及DBTMA协议相比，该协议更好地处理了封闭问题，可当两个接收端距离较近时，其中一个节点将会因功率约束而被另一个节点回复的APTS分组封闭。而DBT－PCMA协议使用了DBTMA协议中的双忙音技术，接收端用接收忙音脉冲作为对RPTS分组的回复，替代了PCMA协议中的APTS控制分组，不仅避免了APTS分组的冲突，且可较好地解决网络负载较重时的APTS封闭问题。

4结束语

通过以上分析可知，本文提出的一种改进型DBT－PCMA协议采用了DBTMA协议中的双忙音技术来解决PCMA协议中RPTS的冲突问题和APTS的封闭问题。接收端用接收忙音作为对RPTS的回复，替代了PCMA协议中的APTS控制分组，可以较好地解决网络负载较重时的APTS封闭问题，从而大幅提高了系统的吞吐量。但因封闭现象对于网络的空间复用率、系统的总容量以及网络的总体功耗等方面均具有重要影响。因此，如何解决封闭问题，并提高系统的吞吐量是日后需改进协议的一个新的研究方向。

作者：王悦单位：西安文理学院物理与机械电子工程学院