禹四明，王志刚：基于 CDMA 的 Ad hoc 网络 MAC 协议吞吐量研究 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 2009,30 (22) 5103 网络与通信技术 基于 CDMA 的 Ad hoc 网络 MAC 协议吞吐量研究 (1. 长沙学院，湖南 长沙 410003；2. 湖南师范大学，湖南 长沙 410081) 禹四明 1， 王志刚 2 摘 要：网络 吞吐量性能是衡 量一个通信网 络性能的一个重 要指标，基于 CDMA 技术的 Ad hoc 网络扩频 码的分配方案 对系 统吞 吐量性能有着重 要的影响，研究 了如何充分利用 CDMA 多址接入能 力提高 Ad hoc 信道利用率等 网络性能。通过建 立网 络状 态的马尔可夫模 型，提出一种分 析吞吐量性能的 方法，该方法适 用于同时存在背 景噪声和多址 干扰的情况。最后，通过 数值 仿真分析了扩频 增益和信噪比 对吞吐量性能的 影响，并对网络 参数进行了优化 配置。该研究 成果对基于 CDMA 技 术的 Ad hoc 网络设 计和优化提供了 理论依据。 关键 词：码分多址; 多 址接入协议; 吞 吐量性能; 马尔 可夫模型; 数 值仿真 中图 法分类号：TP393 文章编号：1000-7024 (2009) 22-5103-03 文献标 识码：A Research on throughput performance of Ad hoc network MAC protocol based on CDMA YU Si-ming1, WANG Zhi-gang2 (1. Changsha University, Changsha 410003, China; 2. Hunan Normal University, Changsha 410081, China) Abstract：The network throughput performance is an important index of measuring a communication network performance. The dis- tribution scheme of spread spectrum code of Ad hoc networks based on CDMA (code division multiple access) techniques has important influence on throughput performance. How to make full use of CDMA multi-access capacity to improve Ad hoc channel utilization ratio and other network performance is a strongly challenge study. Through building network state Marko link model, a method of analyzing throughput performance, which is suitable to coexist background noise and multi-access interference. Finally, by means of numerical simulation, the impact of spread spectrum gain and signal-to-noise ratio on throughput performance and optimal network parameters con- figuration is analyzed. The results provide theoretical basis for design and optimal of Ad hoc network based on CDMA technique. Key words：CDMA; multi-access protocol; throughput performance; Markov model; numerical simulator 0 引 言 移动 Ad hoc 网络由若干带有无线收发信机的节点构成 的一个无中心、多跳的和自组织的对等式通信网络。这种网 渐成为研究热点。 CDMA 是一种多址接入技术，多个用户可以通过互相关 性很小的扩频序列相互区分，进而共享无线资源，可以在相同 的频段同时进行通信，彻底打破了在窄带通信网络中定义的 络具有无需基础设施支持、可快速扩展、抗毁性极强等特点， 传输范围的概念，其安全性能和信道利用率远高于传统的窄 是一种极有前途的无线通信组网技术。MAC 协议的设计是 Ad hoc 网络的一个重要问题。一个合适的 MAC 协议不仅可 以确保在发生分组碰撞时移动台之间能够成功地交换信息， 带 Ad hoc 网络。学术界对基于 CDMA 技术的 Ad hoc 网络有 了越来越浓厚的兴趣[1-2]，将 CDMA 技术引入 Ad hoc 网络成为 可行的高效无线网络技术。 而且还可以提高系统吞吐量、减小分组传输时延。 传统的窄带 Ad hoc 网络为了解决“隐藏终端”和“暴露终 端问题”，通常采用载波监听技术，限制发射节点数量，在同一 覆盖区域任何时候最多只能有一个节点处于发射状态，否则 将发生数据碰撞，导致所有数据都不能被成功检测。这种通 信方式严重影响了网络的吞吐量及信道的利用率。随着 Ad hoc 技术的不断发展，具有更高无线资源利用率的接入协议逐 将 CDMA 技术引入 Ad hoc 网络首先要解决扩频码的分 配方案，扩频码分配的目的在于安排网络中各节点如何使用 扩频码。文献[2] 对扩频码分配进行了系统的研究，基本的码 分配机制有 4 种： (1) 公共码 (common code，CC)：所有节点分配相同的公共 码。地址信息放在了分组头以识别源节点和目的节点。所有 节点使用相同的公共码来控制每一个到达分组。这一机制从 收稿日期：2008-11-17；修订日期：2009-01-07。 作者简介：禹四明 (1979－)，女，湖南湘阴人，硕士研究生，助教，研究方向为计算机网络； 王志刚 (1963－)，男，湖南沅江人，教授，研究 生导师，研究方向为网络安全、Ad hoc 网络技术等。E-mail：apple7388@sina.com 

5104 2009,30 (22) 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 本质上说是单信道，只需要单一的一个码。 和网络系统参数本身决定，而与 时刻前的网络状态无关。对 (2) 基于接收的码 (receiver-based code，RBC)：每一节点分 配一个专用的基于接收的码。发送机必须先查询码分配表以 于M 个节点的网络，可以构造 +1 个状态的马尔可夫链模型， 即状态转移矩阵 = 为( +1)* ( +1)维矩阵。 找到接收机所用的码，然后用此码将数据分组发送出去。接 收机必须一直用自己的专用码控制所有到达的分组数据。由 于可能有多个发送机向同一接收机发送数据，故冲突可能发 表示当前时隙网络状态为 ，下一个时隙经过单步转移 到状态 的概率。状态空间为 = {0，1，2，…， }，则状态转 移概率 生。N 个节点的网络共需 N 个码。 (3) 基于发送的码 (transmitter-based code，TBC)：每一节点 分配一个专 用 的基 于 发 送 的 码。 发 送 机 根 据自 己 的 专 用 码 发送数据。为了对接收信 号解扩并提取数 据，接收机必须 同 时控制这个基 于发送的码。因此，接收机必 须预先知道哪 个 节点将要传送 数据，然后调到相 应的码。如 果多个发送机 同 时向同一接收 机发送，其中之 一可以被恢复 出来，而其它 的 被当作宽带噪 声，不存在分组冲 突。N 个节 点的网络同样 共 需 N 个码。 (4) 成对分配的码 (pairwise-based code，PBC)：每一对节点 分配一个专用的码。发送机经过查询码分配表，找到对应的 接收机使用的扩频码。除非接收机有多个匹配滤波器来同时 = Pr｛ +1 = = ｝ (2) 式中：——当前时 隙对应的 时刻，+1—— 下一时隙 对应的时 刻，将一个时隙时间间隔归一化为 1。 为了求解状态转移矩阵 ，首先定义网络的接收矩阵 = ]， 表示在一个时隙内共有 个节点发送数据分组 (每个节 [ 点发送一个分组)，正确接收到 个的概率。 在全连接的自组网中，要满足有 个数据分组正确接收， 那么必须保证发送给空闲节点的分组数大于等于 。所以因 为只有发送给空闲节点的分组才有可能正确接收，发送 个数 据分组意味着有 个节点处于发送状态，也即有 个节点处 于空闲状态，则某个发送节点随机选择到一个目的节点，并且 目的节点为空闲节点的概率为 / 1 ，而发送 个分组， 的空闲节点，属于将 个球随机放 控制它的码集，否则它也必须像基于发送的码那样，要预先知 个数据分组随机发送给 道哪个节点将要传送数据，然后调到相应的码。N 节点的网 络共需 N(N-1)多个码。 在 TBC 方式下，由于每个发送终端使用惟一的扩频码， 不会发生碰撞，只要接收端空闲则其对数据分组的正确接收 概率只受扩频码非理想正交性引起的多址干扰 (MAI) 和噪声 的影响。文献 [3] 对 TBC 分配方式吞吐里性能进行了详细分 析，但该没有考虑背景噪声的影响，只考虑了多址干扰下的性 能，本文将其推广提出一种适合于存在背景噪声情况下的吞 吐里性能分析方法，数值结果证明了本文提出的方法具有更 广的适应性。 1 系统模型与假设 假设采用时序 Aloha 随机接入方式，节点的数据分组到 达率相互独立，并服从泊松分布，即满足独立同分布。发送节 点可以选择网络中除自身以外的任何节点作为其目标节点， 并且选择其它接收节点作为目标节点的概率相等。 假设网络中每个节点具有相同的行为和特性，那么一个 单独的节点可以描述整个网络特性。一个节点在当前时隙分 组传输失败则将分组存入缓冲区，在下一个时隙以概率 pr 重 传分组。参考经典的分析时隙 Aloha 方法[3-4]，在一个时隙开始 时如果一个节点有数据分组需要重传，那么称该节点为活动 入 个盒子中古典型概率问题，并且属于不放回抽样，解此 问题得[3] min , = = = max ,1 上式中 ! 2!… ! 1! = =1 = 1 = =1 , , (3) , = , = 1 (4) 式中： ——在一个时隙内共发送 个分组的条件下，每个分 组能够成功接收的概率。 为了计算分组成功接收概率，本文假定在一个数据分组 中干 扰 信号 电 平 保持 恒 定， 节 点接 收 端噪 声 是 由多 址 干扰 (MAI)和背景噪声共同作用的结果。 假设背景噪声功率谱密度为 0/2，期望信号功率为 并且 干扰用户的功率为 1， 2，…， 1，并假定所有终端功率相等， 脉冲成形采用矩形脉冲，则可以得到 DS/BPSK 检测器输入端 信干噪比为[5] = 2 3 1 0 0+3 F (5) 节点，否则称为非活动节点。 非活动节点在时序起始时刻前到达的分组以概率 1 发送， 分组到达服从参数为 的泊松分布，即时隙起始时刻之前至少 式中： ——扩频增益， 0 /2——接收端等效高斯白噪声功率 谱密度， 1——干扰节点数量，0 = Eb/N0，0 表示没有干扰情 况下检测器端信干噪比。 有一个数据到达的概率为 从而可得符号错误概率为 = 1 / (1) = 2 (6) 2 算法描述 式中： = 1 2 2/2 。 以活动节点个数 表示网络状态，在同一个时隙内网络状 态保持不变，两个相邻时隙网络状态改变具有马尔可夫性，即 分组长度为 ，纠错编码纠错能力为 ，则对任意 0， ， bits 数据发生 bits 错误的概率属于发生 次错误事件的 重 如果当前时隙网络状态为 ，下一时隙网络状态为 ，则 仅由 伯努利实验问题，其概率为二项式分布，从而有 

禹四明，王志刚：基于 CDMA 的 Ad hoc 网络 MAC 协议吞吐量研究 2009,30 (22) 5105 = = 0 1 在求得接收矩阵 后可以通过下式求得转移概率[3] =｛ = = + + + + = 0 = 0 上式中 ｛ , = , = , , , 0 , 1 , , 1 (7) (8) (9) 以分组数为单位衡量网络吞吐量，定义为在一个时隙内 成功接收到的数据分组数量，当网络状态为 时网络吞吐量为 = = 1 = 0 1 1 + (10) = 1 3 数值结果与分析 图 1 和图 2 分别给出了扩频增益 63 和 127 两种情况下吞 吐量性能与网络负荷的关系，信噪比为参变量，miu0 表示不存 在多址干扰时的信噪比。仿真结果证实，在低信噪比下扩频 增益对性能改善明显，高信噪比下扩频增益对性能改善不太 明显；另一方面在低扩频增益时，信噪比对吞吐量性能有明显 的影响，而在高扩频增益下，信噪比大于 12dB 以后再提高信 噪比对性能几乎没有改善。仿真结果还表明，在各种信噪比 和各种扩频增益下，最大吞吐量均出现在网络负荷等于网络 节点数的一半左右。 4 结束语 本文研究了 CDMA Ad hoc 网络的 MAC 接入协议性能， 对于码分多址 Ad hoc 网络，扩频码的分配有 CC、RBC、TBC 以 及 PBC 等几种方式。在这几种扩频码分配方式中，TBC 方式 由于每个发送分组的节点使用惟一的扩频地址码，不会发生 碰撞，其传输性能是几种方式中最优的。在 TBC 方式下，分 组成功传输概率只受扩频码非正交性导致的多址干扰 (MAI) 和噪声的影响。 自组织网络属于全连接网络，不象集中控制网络(比如蜂 窝网络) 那样只存在基站和移动节点之间的双向传输，对 Ad hoc 自组织网络传输性能的分析是一项十分具有挑战性的研 究。本文研究结果对 CDMA Ad hoc 网络设计和参数优化有较 大的参考价值。 参考文献: [1] Sun Y.Capacity of large wireless CDMA Ad hoc networks with retransmission diversity[C].36th Asilomar Conference on Sig- nals,Systems,and Computers,2002:1508-1512. Lp = 512, SF = 63, M = 16, pr = 0.5, lamda = 0.6 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 储备节点个数 miu0 = 9; miu0 = 12; miu0 = 10; miu0 = 13; miu0 = 11 miu0 = 14 图 1 扩频增益 SF = 63 时仿真结果 Lp = 512, SF = 127, M = 16, pr = 0.5, lamda = 0.6 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 数 个 组 分 量 吐 吞 / ) 隙 时 组 分 / ( / 量 吐 吞 网络负荷 (分组/时隙) miu0 = 9; miu0 = 12; miu0 = 10; miu0 = 13; miu0 = 11 miu0 = 14 图 2 扩频增益 SF = 127 时仿真结果 [3] Bao J Q,Tong L.A performance comparison between ad hoc and centrally controlled CDMA wireless LANS [C]. IEEE Trans Wireless Commun,2002:829-841. [4] Zhao Q,Tong L.Semi-blind collision resolution in random access wireless Ad hoc networks[J].IEEE Trans Signal Process,2000,48 (10):2910-2920. Sun Y.Capacity of large wireless CDMA Ad hoc networks with retransmission diversity[C].36th Asilomar Conference on Sig- nals,Systems,and Computers,2002:1508-1512. [5] [6] Geandre Rêgo M,Ramos R P,Baldini Filho R,et al.CDMA Ad hoc networks in multipath fading channels[C].IEEE Ninth Inter- national Symposium on Spread Spectrum Techniques and Ap- plications,2006:406-409. Jurdak R,Lopes C,Baldi P.A survey,classification and compara- tive analysis of medium access control protocols for Ad Hoc net- works[C].IEEE Communications Surveys and Tutorials,2004. [7] [2] Yi Sun.Transport capacity and spectral efficiency of large wire- less CDMA Ad hoc networks[C].NJ,USA:14th Annual Wireless and Optical Communications Conference,2005. [8] Yi Sun.Transport capacity and spectral efficiency of large wire- less CDMA Ad hoc networks[C].NJ,USA:14th Annual Wireless and Optical Communications Conference,2005.