用于基于IEEE802.11的具有定向天线的节点的无线网络的干扰感知发送功率控制方法及装置与流程

本公开涉及一种能够考虑到无线网络周围的干扰而动态地选择无线网络中的节点最优发送功率的发送功率控制方法和装置。

背景技术：

廉价的无线装置的激增以及互联网的快速发展已经导致了全球广泛部署在企业建筑、大学、市区城市、及居民区中的基于ieee802.11的无线网络的爆炸式增长。其为使用移动电话和笔记本电脑的用户以及诸如腕带、数码相机、家用电器、或工业装备的其他装置提供由接入点(ap)组成的无线互联网设施，也称为站(sta)。

然而，由于无线网络因节点的积聚变得更大并且更密集，产生了由于无线介质的固有广播特性和在任何给定时间有限的非授权频谱的可利用性而引起的容量问题。这降低了无线网络的性能。由于无线网络可以在没有许可的情况下进行部署，而且很多ap需要覆盖大片地理区域，因此缺乏规划会导致网络饱和并且更加快速地达到其容量。安装额外的ap不会使网络的容量增加到超出一定的极限值。在某些情况下，额外的ap可能导致总的网络吞吐量劣化并且由于更多的干扰被带到网络中而增加延迟。

干扰是由节点到邻近节点的射频(rf)发送引起的干扰。干扰对不打算接收信号的节点产生多种影响，诸如，a)打算发送分组的节点无法发送分组暴露节点(en)的问题；b)应当接收针对其的分组的节点无法接收分组隐藏节点(hn)的问题；以及c)节点需要不必要地花费其能量对不是针对其的输入信号进行解码。高发送功率使得被干扰的节点的数量增加。

在此情况下，通常的方法是降低节点的发送功率。最小的发送功率是一种普遍的发送功率控制方法，在这种方法中，参与节点的发送功率降低到使得所发送的分组能被其目的地节点解码即可。该策略也许是不利的，原因在于在一些情况下未考虑其周围的干扰而降低的发送功率增加了由于更低的信噪比(snr)而引起的冲突概率。因此，我们必须不仅要考虑链路在其snr方面的功率要求(即，在接收器处所需的最小功率)使得信号远高于本底噪声以解码分组，而且还要考虑其相对于与周围的链路之间的潜在干扰的信号干扰比(sir)。

公开这些事实以示出通过本公开解决的技术问题。

技术实现要素：

本公开涉及一种能够考虑到无线网络周围的干扰而动态地为其中的节点选择最优发送功率的发送功率控制系统。

本公开适于用在软件定义网络(sdn)范例中，并且适于用作网络规划软件，该网络规划软件可在一些情况下有助于实现80％的吞吐量的最大增益并且可以轻松应用于商业体系。展示配置用于ieee802.11装置的发送功率的实例。

发送功率控制(tpc)算法的集中式或分布式的操作模式决定了其实施的复杂性。存在很多已用分布式处理方法对tpc进行建模的作品[1-4]。分布式tpc可能需要在网络中频繁地发送附加控制或hello分组，需要修改现有帧格式以背载附加信息、分离信道、重新设计网络接口卡以及不断测量无线介质以便于tpc算法的操作。这可能没有吸引力，因为没有回顾已经部署的传统ieee802.11装置，此外其由于额外的控制分组而减小网络的容量并且要求改变ieee802.11媒体访问控制(mac)协议的现有操作。我们使用不需要硬件改变的集中式处理方法对公开的tpc建模并且利用现有的/传统的ieee802.11装置保持兼容性。本公开的方法适于：a)用在软件定义网络(sdn范例)中，前提是软件定义网络置于接收/发送控制消息的云服务器中；b)用作网络规划软件，在该网络规划软件中方法建议网络或节点或接口应当使用的最优功率以便使网络最优地运行。

s.c.liew已提出干扰感知tpc解决方案[3]。该解耦自适应功率控制(dapc)算法在调节功率时可确定不会创建超出网络中现存的那些干扰关系的新干扰关系，也不会创建新hn。dapc通过减少en同时完全避免hn来实现高频谱重复使用。使用该方法，dapc可以将非功率控制ieee802.11的网络容量提高2倍以上。尽管节点使用全向天线(oa)的无线网络的dapc算法还不错，但该方法并不适于节点使用定向天线(da)的无线网络。详细地，dapc：1)没有考虑节点的发送方向θ。2)当对干扰范围的概念建模时，考虑物理载波感测范围(pcs范围)。pcs范围是指进行数据分组发送的物理载波感测范围[2]。对于物理层的正确操作，所公开的干扰感知发送功率控制(因此ia-tpc)已考虑了通过无线信道发送的任何分组的载波感测范围限定的载波感测范围(cs范围)。这是因为所有分组(不限于数据分组)都在接收接口处启用载波感测功能。此外，为了完善，我们考虑了在ia-tpc方法的特性3中的ack分组贡献的约束。

在[5]中，提出了呼叫允许控制(cac)机制，其基于由使用da的节点组成的基于ieee802.11的无线网状网络(wmn)的干扰信息作出判定，以解决为业务流提供最小服务质量(qos)的问题，且不需要对传统的ieee802.11网络进行硬件改变。cac具有两个主要的特性：(a)其根据网络中的可用带宽管理来自用户的请求；(b)其通过使用[3]的特性1和特性2控制所有参与节点的发送功率以便无论何时允许新用户进入网络都能够控制wmn中的干扰。[5]中的tpc算法的目的是创建更可行的业务流连通性同时保持wmn的最小qos，允许wmn运营商通过使用该cac来增加其收入。该方法主要限制在于无线网络中创建其他hn的问题，并且未对对关于干扰的吞吐量的提高进行研究。提出了具有针对ia-tpc中的ack的新约束的特性，以确保hn问题不会由于允许ieee802.11协议固有的载波感测机制覆盖干扰节点而被加剧。尽管本公开的ia-tpc方法和系统具3自由度(其中该方法能够通过网络、节点和接口控制功率)，但[5]中的tpc算法仅能够通过接口控制功率。

示出了用于节点使用da的基于ieee802.11的无线网络的发送功率控制的系统和方法。系统通过明智地减少网络的干扰来提高节点使用da的基于ieee802.11的无线网络的吞吐量性能。所公开的方法(ia-tpc)由于也可以用在节点使用oa的网络中而向后兼容。在ia-tpc中，考虑调节其发送功率的节点需要从特定距离内的邻近节点收集信息并且经由多次迭代运算调节其功率。所公开的方法使用会聚试验(见图6)，尽管y轴不表示发送功率，但同样适用，例如，当网络中的节点的发送功率不能进一步降低时，迭代可以停止。当控制发送功率时，该方法考虑这些特性：1)发送器节点和接收器节点可以保持其链路的连通性；2)即使其他活动链路的发送功率没有降低，在发送功率降低过程期间，其本身不会由其他活动链路创建新的链路干扰边缘；并且3)不会创建新的隐藏节点，并且降低的发送功率的cs范围仍足以覆盖干扰节点。该方法适于：a)用在软件定义网络(sdn范例)中，前提是软件定义网络置于接收/发送控制消息的云服务器中；b)用作网络规划软件，在该网络规划软件中方法建议网络或节点或接口应当使用的最优功率为了使网络最优地运行。

公开了一种用于无线网络节点的干扰感知发送功率控制方法，无线网络节点包含在具有成对的活动链路的网络中，每个活动链路具有一个或多个定向天线，该方法包括以下步骤：

对于单个节点，对单个节点的每个活动链路，活动链路因而具有发送器节点和接收器节点，

计算降低的发送功率，降低的发送功率将引起相应降低的接收功率，使得：

(a)发送器节点和接收器节点可以在发送器节点与接收器节点之间的天线方向上保持具有降低的发送功率的活动链路的连通性；

(b)即使保持其他活动链路的发送功率，降低的发送功率也不会在其他活动链路的发送器接口与接收器节点之间的天线方向上由任何其他活动链路创建额外的链路干扰边缘；并且

(c)降低的发送功率不会创建额外的隐藏节点，使得降低的发送功率的cs范围仍足以禁止任何其他干扰网络节点在所述任何其他干扰网络节点与接收器节点之间的天线方向上进行发送。

本公开还可以应用于同一节点的多个接口。

公开了一种用于无线网络节点的干扰感知发送功率控制方法，无线网络节点包含在具有成对的活动链路的网络中，每个活动链路具有一个或多个定向天线，该方法包括以下步骤：

对于单个节点，对所述单个节点的每个活动链路，所述活动链路因而具有发送器接口和接收器接口，

计算降低的发送功率，降低的发送功率将引起相应降低的接收功率，使得：

(a)发送器接口和接收器接口可以在发送器接口与接收器接口之间的天线方向上保持具有降低的发送功率的活动链路的连通性；

(b)即使保持其他活动链路的发送功率，降低的发送功率也不会在其他活动链路的发送器接口与接收器接口之间的天线方向上由任何其他活动链路创建额外的链路干扰边缘；并且

(c)降低的发送功率不会创建额外的隐藏节点，使得降低的发送功率的cs范围仍足以禁止任何其他干扰网络节点在所述任何其他干扰网络节点接口与接收器接口之间的天线方向上进行发送。

在实施方式中，(a)包括计算降低的发送功率，使得在活动链路的发送器与接收器之间的发送方向上的接收器处的降低的接收功率将高于保持活动链路的连通性所需要的最小接收功率阈值。

在实施方式中，(b)包括计算降低的发送功率，使得接收器处的降低的接收功率将高于避免除了活动链路的发送器接口与接收器接口之外的任何其他网络节点在其他网络节点与接收器接口之间的发送方向上的干扰所需的最小接收功率阈值。

在实施方式中，其他网络节点限定于在其他网络节点与接收器接口之间的发送方向上在接收器处从其他网络节点接收的功率高于解码分组所需的接收信号强度阈值的网络节点。

在实施方式中，(c)包括计算降低的发送功率，使得对于活动链路具有链路干扰边缘的任何其他网络节点，当使用载波感测范围(cs范围)时，在其他网络节点处降低的接收功率将高于禁止其他网络节点接口进行发送所需的最小接收功率阈值。

在实施方式中，载波感测范围(cs范围)由载波感测阈值csth限定，使得如果在无线信道中所接收的能量高于csth，则认为信道是繁忙的并且禁止发送(参见参考文献，用于信息技术的ieee标准的第10.3.2.1节一系统之间的电信和信息交换：局域网和城域网一规范要求。部分11：无线lan媒体访问控制(mac)和物理层(phy)规范2016，ieee802.11^tm-2016)。

在本公开的一方面中，载波感测范围(cs范围)应用于通过无线信道发送的任何分组，因此不限于数据分组。

载波感测范围(cs范围)是从发送器一直到其他节点基于来自所述发送器的接收能量将信道评估为繁忙的距离。这可以被理解成一理论距离，超出该理论距离两个发送器选择彼此忽略。这涉及载波感测阈值csth，其是信道中所接收的能量的信号检测阈值，如果超出该阈值，评估信道的节点将假定信道繁忙并且延迟发送。

在本公开的一方面中，载波感测(cs)是指接收器检测输入wi-fi信号分组的能力，而与该分组是否为数据分组无关。

实施方式包括迭代地应用所述步骤，直到获得最优值，在该最优值，不再能够进一步降低网络或节点或接口的发送功率。

实施方式包括应用所述步骤，其中，所计算的降低的发送功率使得所有无线网络节点的所有接口具有相同的发送功率。

实施方式包括应用所述步骤，其中，所计算的降低的发送功率使得每个无线网络节点的所有接口具有相同的发送功率。

实施方式包括应用所述步骤，其中，所计算的降低的发送功率使得所有无线网络节点的所有接口具有独立的发送功率。

还公开了一种用于无线网络节点的分布式干扰感知发送功率控制方法，还包括以下步骤：网络节点周期性地广播功率信息交换分组，以与邻近网络节点交换功率信息。

所公开的方法的实施方式可以用于配置软件定义的网络，用于规划无线网络，或用于分布式干扰感知发送功率控制。

在实施方式中，无线网络是ieee802.11无线网络或可替换地与本公开兼容的无线网络。

还公开了一种装置，包括数据处理器和数据存储器，所述存储器包括用于实现具有定向天线的无线网络节点的干扰感知发送功率控制方法的程序指令，该程序指令包含可执行以执行任一所公开的方法的指令。

在实施方式中，定向天线是切换波束天线、可操纵波束天线、自适应天线阵或经由多个接口连接的若干无源定向天线

还公开了一种非易失性存储介质，包括用于实现具有定向天线的无线网络节点的干扰感知发送功率控制方法的程序指令，该程序指令包含可执行以执行任一所公开的方法的指令。

附图说明

以下附图提供了用于示出说明书的优选实施方式，并且不应被视为限制本发明的范围。

图1是示出被部署为用于评估目的的基本情况的无线视频监测网络的示图。

图2是示出用于无线视频监测网络的可扩展性评估的方案的示图。

图3是示出公开的ia-tpc方法的总吞吐量结果的图表，其中(a)表示全向天线；(b)表示定向天线。

图4是示出公开的ia-tpc方法的延迟结果的图表，其中(a)是全向天线；其中(a)表示全向天线；(b)表示定向天线。

图5是示出由25个ap和100个sta组成的用于讨论判定网络中的节点的最优发送功率所需的迭代次数的样本拓扑的示图。

图6是示出判定由25个ap和100个sta组成的样本拓扑的网络中的节点的最优发送功率所需的迭代次数的图表。

图7是示出当网络使用具有oa和da的节点时图5中的使用pnetw、pnode、和pinte方案(resolution)中的公开ia-tpc的拓扑的tx范围的干扰表示的示图。

图8是示出最小发送功率方法的缺点的情况的实例的示图。

图9是示出节点a发送至节点b使用的发送功率标示的示图。

图10是使用linux中的iwconfig句法配置ieee802.11装置的发送功率的实例。

具体实施方式

本公开涉及一种能够考虑到无线网络周围的干扰而为其中的节点动态地选择最优发送功率的发送功率控制系统。

以下涉及隐藏节点自由设计(hnfd)。ia-tpc的先决条件(如在dapc中的一样)是hnfd。ieee802.11中对于基本模式的hnfd的要求可以被总结为[6]。

1)范围要求

cs范围≥(3+δ)rmax(1)

如果k＝10，并且α＝4

cs范围≥3.78rmax(2)

2)并且接收器重启(rs)模式接通

其中k被定义为信号对干扰的要求(例如，10db)，α被定义为路径损耗指数，而rmax被定义为节点可通信的最大距离。在任何普通网络拓扑中，满足这两个要求就足以防止hn。另外，我们假设不存在用于信号传播的明显的物理障碍物。这两个条件是以下公开的ia-tpc方法的解释的假设。然而，现实生活情况下，这对于在无线网络中使用本公开的装置不是严格的要求，本方法在接近这些条件的现实生活情况下也应当工作地相当好。

以下涉及干扰感知发送功率控制-每个周期的功率调节。如方法1的实施方式所示，展示和讨论了所公开的ia-tpc方法。在活动链路之间成对完成ia-tpc中的发送功率控制。活动链路被定义为在彼此处于发送范围内的两个节点之间的主动交换分组的无线电链路。当在一对链路中进行功率降低时，在每个周期中，我们保守地假设邻近活动链路的发送功率是恒定的，并且必须保证不能违反以下3个特性。

特性1)发送器和接收器节点可以保持其链路连通性；

特性2)即使保持其他活动链路的发送功率，在发送功率降低过程期间也不会从其他活动链路向其自身创建新的链路干扰边缘；并且

特性3)不会创建新的hn，并且降低的发送功率的cs范围仍足以覆盖干扰节点。

如果所有的活动链路满足特性2，那么将不会在网络中创建新的链路干扰边缘，因为每个活动链路均假设其发送功率调节中的最坏情况的sir。如果链路1要降低其发送功率使得来自链路2的发送功率将在链路1中的任一节点处引起分组冲突，那么从活动链路2到链路1将会创建新的链路干扰边缘。

提出了具有针对ia-tpc中的ack的新约束的特性3，以通过允许ieee802.11协议固有的载波感测机制能够覆盖干扰节点来确保hn问题不会被加剧。在此应指出，特性1和特性2与所引用的现有技术的简单组合不会导致特性3.

方法1-每次迭代中的ia-tpc

下面进一步详细阐述标记为链路i的任意活动链路在ia-tpc中的每个周期的发送功率调节的特性。

应当注意，接收器节点也发送无线电，并且发送器节点也接收无线电(例如，确认分组)。根据定义的术语，发送器节点是数据分组发送器节点，并且接收器节点是数据分组接收器节点。事实上，活动链路的两侧之间的对称性是本公开的特征，其具有容易实施的优点。

以下内容与特性1有关-使用足以保持连接的最小发送功率。发送器ti使用接口向接收器ri的接口发送，并且反之亦然。分别由等式3和等式4给出由于ti和ri的特性1的最小发送功率(有关所使用标示的更多信息也可见下面的功率传递关系)。特性1确保减小功率满足保持链路的连通性所需要的最小接收功率阈值。rxth是解码分组所需的接收信号强度阈值。发送器ti和接收器ri在其期望节点的方向上的最小发送功率断然取决于解码分组所需的接收信号强度阈值rxth。

该特性与dapc算法的区别在于发送方向θ的考虑。

以下涉及特性2-避免在发送功率控制期间创建新的链路干扰边缘。在实施方式中，当发送器降低其发送功率时，信噪比在接收器处变弱并且会出现新的链路干扰边缘。根据特性2，计算功率发送电平使得确保不会创建新的链路干扰边缘。当调节其发送功率时，节点必须考虑来自其周围的链路的干扰。令和分别为不会干扰ti和ri的邻近节点的子集，但是如果ti和ri的功率急剧减小，则会干扰。我们假设当计算ti和ri的新功率时，和中的节点的功率不会变化。我们有

通常，和不需要覆盖网络中的所有节点。仅考虑满足以下条件的节点n：

该特性与dapc算法相比，不同之处在于对发送方向的考虑。

以下内容与特性3有关-确保减小发送功率的cs范围足够覆盖干扰节点。单独使用特性1引发的发送功率过度减少也会导致出现附加的hn。由于这些附加的hn引起的其他分组冲突，这可能会导致吞吐量不佳。在实施方式中，该特性确保载波感测在每个发送功率调节周期之后避免hn。令表示其链路具有到链路i的链路干扰边缘的邻近发送器的集合。这意味着ti的cs范围必须能够达到m。因此，当其通过载波感测发送时，ti必须能够警告中的节点不要进行发送。当确定ri的功率时，相同的原则适用。为了保持不含hn的特性，则必须满足等式9和10。

该特性与dapc算法相比，不同之处在于考虑到了发送方向θ、由csth定义的cs范围而不是pc范围以及在该方法中包含等式10。

在实施方式中，该方法迭代地工作并且当网络中的节点的所有接口的建议发送功率变得稳定时方法停止。以下内容与任意链路i中的节点的新发送功率选择有关。选择来自等式3、5和9的最大值作为其新的发送功率并且由于其满足与ia-tpc提出的三个特性相关联的条件使用链路i的等式4、6和10的最大值。

可以用3种方案(相对于先前方法的差异)实现网络中节点的新发送功率的选择。

-每网络的ia-tpc(ia-pnetw)-在该解决方案中，允许节点中的接口使用提出的ia-tpc方法来降低它们的发送功率，但是网络中所有的接口将使用相同的发送功率(方法1中的第14行)。具有使用oa和da的节点的无线网络使用该方案。

-每节点的ia-tpc(ia-pnode)-在该解决方案中，允许接口使用提出的ia-tpc方法降低射功率。允许每个节点具有其自身的发送功率但是节点的所有接口必须使用相同的功率(方法1中的第12行)。具有使用oa和da的节点的无线网络使用该方案。

-每接口的ia-tpc(ia-pinte)-在该解决方案中，允许每个接口使用提出的ia-tpc方法(方法1中的第10行)来减小并使用其自身的发送功率。只有具有使用da的节点的无线网络才能使用该解决方案。

ia-tpc的特性2和特性3中的及中的节点定义通过其其他链路会与链路i创建干扰或可能创建干扰的交互范围；当调节其发送器用于发送data分组以及其接收器用于发送ack分组的功率时，链路i不需要考虑不属于及的交互范围之外的远处节点。请注意并不是交互范围内所有的链路都会干扰链路i，但保证交互范围之外的所有的链路都不会干扰链路i。

这涉及解耦自适应功率控制。在[3]中，s.c.liew已使用如下示出的特性1-3的等式11-15对dapc算法进行建模。

由于我们对具有使用da的节点的网络进行建模，等式11-15不适于这种网络。如在等式3-10中所示，我们已经通过并入发送方向θ扩展了这些等式。

s.c.liew的dapc算法被设计为基于节点的解，其中每个节点均能够在网络中选择和使用它自己的发送功率。具有使用da的节点的无线网络具有更高的灵活度，其中节点目前可以具有一个以上的接口，并且每个接口均可使用其自身的功率进行操作。我们提出的ia-tpc不仅考虑基于节点的解而且还考虑基于接口和网络的解。

dapc是无线网络中的节点为了该目的使用功率交换算法的分布式算法。在该算法中，节点周期性地广播特殊的功率交换分组以与邻近节点交换功率信息。由于我们关注在网络规划阶段中或在存在中心云控制器的sdn中使用的tpc算法，我们不需要功率交换相关协议。在需要ia-tpc的分布模式的情况下，可以容易使用由s.c.liew完成的功率交换算法进行转换。

以下涉及用于定向天线的ia-tpc的特性评估。在本节中，通过使用ns-2进行仿真来评估使用da的节点的ia-tpc的特性[7]。评估具有使用da或oa天线的节点的无线网络的影响。我们发现ia-tpc能够改进使用da或oa两者的无线网络的特性。

以下涉及仿真设置。将如图1所示的无线视频监测网络看作我们研究的基本情况。当a)站(sta)/接入点(ap)比增加并且网络区域固定时；并且当b)网络区域增大并且sta/ap固定时，评估所提出的ia-tpc的可扩展性。

我们定义了一个n×n网格拓扑，其节点间隔250m并用作如图2所示的ap。ap的数量从3到4、5和6不等，目的是增加网络的大小。网络的侧如等式16中定义，

侧＝(n-1)×250+2×150m(16)

其中，n是在网格的一侧的ap的数量。附加节点随机放置以表示sta，其中每个sta将连通性到具有最强信号的ap，该ap在我们的模型中是最近的ap。将流量从sta向大量复制图1的视频监测网络情况的ap发送。作为单跳无线网络，不考虑路由。所有节点都是静态的。网络中随机sta的数量根据1、2、3和4的sta∶ap比变化，目的是为了增加网络中的干扰量。对于每个情况，模拟了针对sta布局的20个随机拓扑结构。由于我们旨在研究高干扰，网络在单个信道中操作以引起网络中的高干扰。表1中示出了在模拟中使用的其他参数。将流量负载选择为使得接口队列(ifq)一直有要发送的分组。由于具有da的节点使用4个接口，为了正确地比较使用oa的网络的聚合吞吐量，每个节点都配有4个oa接口。实际上，由于节点的接口之间的载波感测，在任一时刻只有一个接口将是活动的。

表1：在ns-2.33仿真中使用的参数设置

以下涉及ia-tpc方法评估。使用4种设置评估hnfd作为先决条件的ia-tpc方法：

a.设置0：oa/da，dp-nchan，cs范围：rx范围比2.20，无rs模式，这是默认的ieee802.11设置。其考虑ns-2的默认设置。将载波感测阈值设置为1.559×10^-11w，使载波感测和接收感测阈值的比为2.20。所有节点在没有接收器重启模式的情况下操作。oa和da使用该设置。

b.设置1：oa/da，ia-pnetw，cs范围：rx范围比3.78，rs模式，该设置考虑使用提议的ia-tpc的设置0，其中，节点的发送功率被调整使得网络中的所有节点使用相同的功率。将载波感测阈值设置为1.789×10^-12w，使载波感测和接收感测阈值比为3.78。所有节点在接收器重启模式没有打开的情况下操作以启用作为ia-tpc的先决条件的hnfd。oa和da使用该设置。

c.设置2：oa/da，ia-pnode，cs范围：rx范围比3.78，rs模式，该设置考虑使用提议的ia-tpc的设置1，但现在调整节点的发送功率以使得网络中的所有节点能够使用其自身独特的发送功率。oa和da使用这种设置。

d.设置3：oa/da，ia-pinet，cs范围：rx范围比3.78，rs模式，该设置考虑使用提议的ia-tpc的设置2，但是现在允许每个接口选择其自身的发送功率。仅da使用该设置。

在rs模式中，当当前接收分组的节点和具有较强接收功率的另一分组到达时，接收器节点可以切换以接收较强分组，只要其功率与当前分组相比高于k即可。在一些ieee802.11产品中，可以启用rs模式。图3和图4中示出了无线网络的吞吐量和延迟的结果。图中左侧的图表示具有使用oa的节点的无线网络，右侧的图表示具有使用da的节点的无线网络。实线、长虚线、短虚线和虚线分别用于表示设置0-3。

以下内容涉及ia-tpc-结果和讨论。在这一部分中，呈现和讨论了ia-tpc方法的结果。如上所述，我们评估无线网络上的ia-tpc。当该方法调整其每网络(ia-pnetw)、每节点(ia-pnode)和每接口(ia-pinte)的功率时，评估ia-tpc的增益，并与用于基准的默认ieee802.11无线网络相比。在本讨论中使用的仿真结果是图3和4中呈现的那些。

以下涉及通过网络(ia-pnetw)进行的发送功率控制。为了评估ia-pnetw的增益，将设置0的吞吐量结果与设置1进行比较。设置0表示在没有任何发送功率控制(dp-nchan)的情况下操作的无线网络的默认模式。在设置1中，ia-pnetw被实现并且该方法由具有使用oa的节点的无线网络以及具有使用da的节点的无线网络。ia-pnetw的目的是调整节点的发送功率，使得网络中的所有节点使用相同的功率。

以下涉及吞吐量(ia-pnetw)。当sta∶ap比增加并且ap的数量为9时，对于设置1中的oa，吞吐量的值大约恒定在10mbit/s左右。当ap的数量增加时，吞吐量也增加。然而，对于相同数量的ap，不论sta∶ap比如何，吞吐量都保持恒定。在所有数量的ap以及sta∶ap比的配置中，当与设置0相比时，ia-pnetw在吞吐量方面具有损失。在da的情况下，我们可以观察到吞吐量随着sta∶ap比的增加而增加。当设置1的ap的数量为9时，对于4的sta∶ap比，吞吐量为68mbit/s。吞吐量比设置0获得的吞吐量高55％。当ap数量增加时，吞吐量也增加。在36个ap和4的sta∶ap比的情况下，所获得的吞吐量为221mbit/s。与oa中的情况相反，在da中，对于所有数量的ap以及sta∶ap比配置，当与设置0相比时，ia-pnetw在吞吐量方面具有增益。最高增益为60％并且该最高增益是在ap的数量为36并且sta∶ap比为4时获得。这表明ia-pnetw对于具有使用da的节点的无线网络是有吸引力的，并且其实现更高的网络吞吐量。

以下涉及延迟(ia-pnetw)。在oa的情况下，我们可以观察到当ap的数量增加时，平均延迟随着sta∶ap比的增加而增加。在大多数的sta∶ap比和ap配置中，与设置0相比，设置1具有更高的延迟。当ap的数量为36并且sta∶ap比为4时，延迟对于设置0为2730ms并且对于设置1为3150ms。在该配置中，设置1的平均延迟比设置0的延迟高15％。

在da的情况下，我们可以观察到平均延迟随着sta∶ap比的增加而增加。当对于设置1ap的数量为9时，对于sta∶ap比为4的情况，延迟为305ms。该值比设置0获得的延迟小37％。当ap的数量递增时，延迟值也增加。在ap的数量为36以及sta∶ap比为4的情况下，所获得的延迟对于设置1为大约375ms。与oa中的情况相反，在da中，对于所有数量的ap以及sta∶ap比配置，当与设置0相比时，ia-pnetw在延迟方面具有增益。当对于设置1ap的数量为36并且sta∶ap比为4时，所获得的最高增益为50％。

这表明当与具有使用oa的节点的无线网络的默认设置相比时，ia-pnetw并不总是导致更好的延迟，但是当在具有使用da的节点的无线网络中使用时，ia-pnetw是有优势的。

以下涉及通过节点(ia-pnode)的发送功率控制。为了评估ia-pnode的增益，将来自设置0的吞吐量结果与设置2进行比较。在设置2中，实现ia-pnode，并且该方法由具有使用oa的节点的无线网络以及具有使用da的节点的无线网络使用。ia-pnode的目的是调整节点的发送功率，使得网络中的所有的节点都能够使用其自身唯一的发送功率。

以下涉及吞吐量(ia-pnode)。当sta∶ap比增加并且ap的数量为9时，对于设置2中的oa来说，吞吐量大约恒定在13mbit/s左右。当与设置1相比时，这增加了30％，并且更重要地，这比在设置0(其是默认设置)中观察到的吞吐量高大约13％。当ap的数量增加时，吞吐量也增加；然而，对于相同数量的ap，无论sta∶ap比如何，吞吐量都保持恒定。在所有数量的ap和sta∶ap比配置中，当与设置1和设置0相比时，ia-pnode具有增益。

在da的情况下，我们可以观察到吞吐量随着sta∶ap比的增加而增加。当ap的数量为9时，对于sta∶ap比为4的情况，吞吐量为大约为69mbit/s。该值比由针对设置0所获得的吞吐量高大约57％。当ap的数量增加时，吞吐量也增加。在36个ap和4的sta∶ap比的情况下，所获得的吞吐量为237mbit/s。通常，当与设置0和设置1相比时，ia-pnode具有增益。与设置0相比，当ap的数量为36并且sta∶ap比为4时，所获得的最高增益为72％。这表明ia-pnode对于具有使用oa和da两者的节点的无线网络是有吸引力的，并且能够实现更高的网络吞吐量。与ia-pnetw相比，ia-pnode对于所有数量的ap和sta∶ap比都具有更高的oa和da吞吐量。因此，为了具有无线网络的最高吞吐量，ia-pnode是比ia-pnetw更好的方法。

以下涉及延迟(ia-pnode)。当sta∶ap比增加并且ap的数量为9时，对于设置2中的oa，平均延迟增加。当sta∶ap比为4并且ap的数量为9时，延迟为1660ms。当与用于相同配置的设置1相比时，该值低16％。当ap的数量增加时，延迟增加。在所有数量的ap和sta∶ap比配置中，当与设置1和设置0相比时，ia-pnode具有增益。

在da的情况下，对于设置2，我们可以观察到平均延迟随着sta∶ap比的增加而增加。当ap的数量为9时，对于sta∶ap比为4的情况，延迟大约为290ms。该值比由设置0所获得的延迟低大约40％。当ap的数量增加时，设置2的延迟增加。在36个ap和4的sta∶ap比的情况下，所获得的延迟为344ms。通常，当与设置0和设置1相比时，ia-pnode具有增益。当与设置0相比时，当ap的数量为36并且sta∶ap比为4时获得的最高增益为54％。这表明ia-pnode对于具有使用oa和da两者以实现较低网络延迟的节点的无线网络是有吸引力的。与ia-pnetw相比，对于所有数量的ap和sta∶ap比，ia-pnode对oa和da均具有较低的平均延迟。因此，ia-pnode是比ia-pnetw更好的方法。

以下涉及通过接口的发送功率控制(ia-pinte)。为了评估ia-pinte的增益，将来自设置0的吞吐量结果与设置3进行比较。在设置3中，实施ia-pinte并且此方法仅由具有使用da的节点的无线网络使用。ia-pinte的目的是调整节点的发送功率，使得每个接口都被允许选择其自身的发送功率。

以下涉及吞吐量(ia-pinte)。在da的情况下，我们可以观察到吞吐量的值随着sta∶ap比的增加而增加。当ap的数量为9时，对于sta∶ap比为4的情况，吞吐量大约为72mbit/s。该值比由利用设置0获得的吞吐量高62％。当ap的数量增加时，吞吐量也增加。在36个ap和4的sta∶ap比的情况下，吞吐量为252mbit/s。总的来说，当与设置0和设置2相比时，ia-pinte在吞吐量方面具有增益。当与设置0相比时，在ap的数量为36并且sta∶ap比为4时，所获得的最高增益为81％。

这表明ia-pinte对于具有使用da以实现更高网络吞吐量的节点的无线网络是有吸引力的。与ia-pnode和ia-pnetw相比，对于所有数量的ap和sta∶ap比，ia-pinte呈现了da的最高吞吐量。因此，ia-pinte是具有使用da的节点的无线网络具有高吞吐量的最优方法。

以下涉及延迟(ia-pinte)。在da的情况下，我们可以观察到对于设置3延迟随着sta∶ap比的增加而增加。当ap的数量为9时，对于sta∶ap比为4的情况，延迟为281ms。该值比针对设置0获得的延迟低42％。当ap值的数量增加时，延迟也增加。在36个ap和4的sta∶ap比的情况下，所获得的延迟为326ms。总体上，当与设置0和设置2相比时，ia-pinte在延迟方面具有增益。当与设置0相比时，当ap为36并且sta∶ap比为4时，所获得的最高增益为56％。

这表明ia-pinte对于具有使用da以实现较低网络延迟的节点的无线网络是有优势的。与ia-pnode和ia-pnetw相比，对于所有数量的ap和sta∶ap比，ia-pinte对于da具有最低的平均延迟。因此，ia-pinte是关于具有使用da的节点的无线网络的平均延迟的最优方法。

下文涉及用于改进的解耦自适应功率控制的迭代分析。ia-tpc的发送功率调整是使用上述方法和特性通过任意活动链路的多次迭代完成的。当网络中节点的发送功率无法进一步降低时，停止迭代周期。为了分析和讨论所公开的ia-tpc方法所需的迭代次数，考虑由25个ap和100个sta组成的样本拓扑，如图5所示。方形节点表示ap，圆形节点表示sta。蓝色实线表示sta向与其相关联的若干ap的数据发送方向。

在图6中示出用于图5中的拓扑结构的ia-tpc方法所需的迭代次数。当方法考虑到oa和da逐网络(ia-pnetw)、逐节点(ia-pnode)以及逐接口(ia-pinte)调整其功率时，将分析ia-tpc。迭代次数与改进的攻击情形有关[8]。高的改进迭代情形值导致潜在差的总网络吞吐量和高延迟。当样本拓扑使用oa时，最初，改进后的攻击情形(attackingcase)为34000。该起点是指在rs模式接通的情况下拓扑使用3.78的cs范围：rx范围比的hnfd。

当使用ia-pnetw时，方法在确定用于该拓扑中的节点的最优功率之前进行了980次迭代。新提出的发送功率将改进的攻击情形降低到大约29800。当使用ia-pnode时，算法现在仅花费50次迭代确定节点的最优功率，并且所提出的发送功率将改进的攻击情形从最初34000减少到大约29400。ia-pnode不仅快20倍，而且当oa用于无线网络时，与建议更好的拓扑吞吐量的ia-pnetw相比，ia-pnode还能够更多地减少改进的攻击情形。

拓扑现在考虑da。最初，hnfd的改进的攻击情形大约为12800。当使用ia-pnetw时，算法在确定用于该拓扑中的节点的最优功率之前花费4247次迭代。新提出的使用ia-pnetw的发送功率将改进的攻击情形减少到大约8500。当使用ia-pnode时，算法花费399次迭代来确定节点的最优功率并且该提出的发送功率导致改进的攻击情形大约为8700。当使用ia-pinte时，算法仅花费56次迭代来确定节点的最优功率并且该提出的发送功率导致改进的攻击情形大约为7700。

我们可以得出，与ia-pnetw相比，ia-pnode花费的迭代次数更少，并且与ia-pnode相比，ia-pinte花费更少的迭代次数。ia-pinte导致最低的改进的攻击情形，提示如果使用提出的功率就可获得高吞吐量。ia-tpc的特定分辨率的功率降低不一定导致更好的改进的攻击情形，正如所看到的那样，与ia-pnode相比，ia-pnetw具有较低的改进的攻击情形。在发送功率控制过去期间获得的增益取决于网络拓扑。尽管与oa相比，da具有更好的改进的攻击情形，但与oa和da的算法的同一分辨率相比其导致更高的迭代次数。da的更高的增益有助于压缩节点的发送功率所需的较长的时间。

图7中示出由于用于图5中的拓扑的ia-pnetw、ia-pnode以及ia-pinte发送功率控制模式的tx范围而存在的干扰。为了简化，图中未示出由于发送功率控制模式的cs范围而存在的干扰。由图7我们可以得出当使用ia-tpc算法时干扰减少。当使用ia-pnetw、ia-pnode或ia-pinte时，干扰明显减少。这被我们提出的改进的攻击情形度量能够很好地获得。

以下涉及最小发送功率的缺点。考虑到图8中节点使用oa的情况。链路1由发送器1(t1)和接收器1(r1)节点组成并且链路2由发送器2(t2)和接收器2(r2)节点组成，使用ieee802.11协议的基本接入模式(无rts/cts分组)进行通信。在基本接入模式中，发送器发送数据分组并接收ack分组，并且接收器发送ack分组并接收数据分组。

表2：ns-2.33中的默认参数设置

通过使用网络仿真器2(ns-2)中的默认参数值，如表2[7]所示，我们发现(参见用于表示的功率传递关系)并且当两个链路同时(data2-data1)发送数据分组时链路2不与链路1进行交互。然而，在data2-ack1期间，由于链路2与链路1在t1进行交互。观察到t2、t1及r1在彼此的载波感测范围内，cs范围＝550m，可以通过使用物理和虚拟载波感测机构来防止潜在冲突。

假设现在我们将4个节点的发送功率调整至接收功率足以解码分组的最低发送功率。在调整之后，

链路1和链路2的tx范围分别变成15m和30m。现在，但是因此，现在数据分组从t2意图到r2的发送可与数据从t1到r1的接收进行交互。此外，在最小发送功率控制之后，cs范围为t1＝2.2×15m＝33m＜|t1-t2|。这意味着当链路1进行发送时，链路1无法预先警告链路2。因此，我们观察到使用最小发送功率可能创建data2-data1冲突。此外，这些冲突无法通过载波感测机构预防，这引起经典的隐藏节点(hn)问题。在这种情况下，非常不希望使用最小发送功率。

以下涉及dapc算法的缺点。dapc算法不适于节点使用da的无线网络，因为其不考虑节点的发送方向θ。

当对干扰范围的概念进行建模时，s.c.liew已考虑了pcs范围。pcs范围是指进行数据分组发送的物理载波感测范围[3]。对于物理层的正确操作，我们已考虑由通过无线信道发送的任何分组的载波感测范围限制的cs范围。这是因为不限于数据分组的所有分组在接收接口处启用载波感测功能。我们已考虑由于ia-tpc算法的特性3中的ack分组引起的约束。

以下涉及功率传递关系(参见图9)。向节点b进行发送的节点a的功率传递关系由等式17定义，

如图9所示，其中p(a，θb，b)是节点b从节点a的方向θb接收的功率，并且是节点a在节点b的方向上发送的功率。r是两个节点之间的距离，α是路径损耗指数，并且c(a，θb，b)是来自节点a的在节点b的方向上的常数。

例如，对于双线地面反射无线电传播模型，α是4并且c(a，θb，b)在等式18中定义，

其中是节点b的方向上节点a的天线增益并且是节点b在节点a的方向上的天线增益。这些增益都是无单位的[9]。ha和hb分别是节点a和节点b的天线。对于其他无线电传播模型，可以导出与等式18中类似的关系。θ(.)适于表示任何类型的da，诸如，切换波束天线、可操纵波束天线、自适应阵列天线或经由多个接口连接的无源da的若干元件。本定义对于可操纵波束天线和自适应阵列天线是直接的；在切换波束天线中，θ(.)平移到在角度θ(.)的方向上辐射的波束id；在多接口da系统中，^θ(.)平移到在角度θ(.)的方向上辐射的接口id。

以下涉及ia-tpc的实例，ia-tpc在基于ieee802.11的无线网络中照原样使用，因为现有的ieee802.11产品(诸如接入点和无线usb适配器)易于支持手动发送功率改变，尽管其被出厂设置为默认值。由于没有足够的资质来保证无线网络的特性不会劣化，因此这些产品没有探索动态改变发送功率值的灵活性。如果ia-tpc进入该领域，则其做好填充该空白的准备。下表示出可以如何在linux中的iwconfig语法中使用txpower参数为标记为wlan0的任意无线接口设置发送功率[10]。

名称

iwconfig-配置无线网络接口

简介

iwconfig接口[essidx][nwidn][模式m][频率f]

[信道c][感测s][应用a][nicknn]

[速率r][rtsrt][片段ft][tx功率t]

[ence][密钥k][功率p][重试r]

[模块m][提交]

参数

tx功率

对于支持多种发送功率的卡，设置发送以为dbm单位的功率。如果w是以watt为单位的功率，则以dbm为单位的功率为p＝

30+10.log(w)。如果该值由mw后固定，其将自动转换为dbm。

实例：

iwconfigwlan0tx功率20

输出

(参见图10)

术语“包括”每当在本文件中使用时，旨在指示所陈述的特征、整体、步骤、部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、部件或其组的存在或添加。本领域的普通技术人员将认识到，除非在此另外指明，否则所描述的步骤的具体顺序仅是示例性的并且可以在不背离本公开的情况下改变。因此，除非另有说明，否则所描述的步骤这样无序意味着在可能时这些步骤可以按任何方便的或所希望的顺序来执行。

应当理解，如本文中所描述的本公开的某些实施方式可并入为驻留在固件中和/或计算机可用介质上的代码(例如，软件算法或程序)，所述计算机可用介质具有用于使得能够在具有计算机处理器的计算机系统(例如，本文中所描述的服务器中的任一者)上执行的控制逻辑。这种计算机系统通常包括存储存储器，该存储存储器被配置为提供来自代码的执行的输出，所述代码根据所述执行来配置处理器。代码可被排列成固件或软件，并且可被组织成一组模块，包括本文中描述的各种模块和算法，诸如，面向对象的编程环境中的离散代码模块、函数调用、过程调用或对象。如本文所描述的，如果使用模块来实现，则代码可包括单个模块或多个模块，它们彼此协作地操作以配置在其中其被执行的机器来执行相关联的功能。

不应以任何方式将本公开视为限于描述的实施方式且本领域普通技术人员将预见它们的许多可能性与修改。上述实施方式是可组合的。以下权利要求进一步限定本公开的具体实施方式。

以下参考文献应当整体并入考虑：

[1]n.li，p.guo，andj.zhao，iact-mac：anewinterefrenceavoidanceandparalleltransmissionmacprotocol，journalofappliedscienceandengineering，vol.18(2)(2015)，pp.129-134.doi：10.6180/jase.2015.18.2.04.

[2]y.-c.tsai，ands.-l.su，ansinr-basedroutingandmacdesignforqosinwirelessadhocnetworks，journalofwirelessnetwork.vol.21(4)(2015)，pp.1141-1154.doi：10.1007/s11276-014-0840-9.

[3]i.-h.ho,ands.c.liew,impactofpowercontrolonperformanceofieee802.11wirelessnetworks,ieeetransactionsonmobilecomputing,vol.6(11)(2007),pp.1245-1258.doi:10.1109/tmc.2007.1045.

[4]y.li,m.li,w.shu,andm.-y.wu,fft-dmac:atonebasedmacprotocolwithdirectionalantennas,ieeeglobaltelecommunicationsconference(globecom'07),2017,pp.3661-3665.doi:10.1109/glocom.2007.695.

[5]s.kandasamy,c.marques,t.m.ricardo,r.matos,ands.sargento,calladmissioncontrolforwirelessmeshnetworkbasedonpowerinterferencemodelingusingdirectionalantenna,springer’sjournalofwirelessnetworks,vol.22(7)(2016),pp.2299-2316.doi:10.1007/s11276-015-1096-8.

[6]l.b.jiang,ands.c.liew,hidden-noderemovalanditsapplicationincellularwi-finetworks,ieeetransactionsonvehiculartechnology,vol.56(5)(2007),pp.2641-2654.doi:10.1109/tvt.2007.900393.

[7]thenetworksimulator2(ns-2),http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[8]s.kandasamy,r.morla,andm.ricardo,powerinterferencemodelingforcsma/cabasednetworksusingdirectionalantenna,elsevier'sjournalofcomputercommunications,vol.86(5)(2016),pp.86-98.doi:10.1016/j.comcom.2016.01.012.

[9]c.balanis,antennatheory:analysisanddesign,3rdedition,wiley,2012.

[10]http://manpages.ubuntu.com/manpages/zesty/man8/iwconfig.8.html,ubuntu17.04manual

公开了一种用于具有使用定向天线(da)的节点的基于ieee802.11的无线网络的发送功率控制的系统和方法。该系统通过明智地减少网络的干扰来提高节点使用da的基于ieee802.11的无线网络的吞吐量性能。所公开的干扰感知发送功率控制(ia-tpc)系统和方法由于还可在具有使用全向天线(oa)的节点的无线网络中使用而可有利地后向兼容。在ia-tpc的实施方式中，考虑调整其发送功率的节点需要从在特定距离内的邻近节点收集信息，并且经由多次迭代调整其功率，当控制发送功率时考虑以下特性：1)发送器和接收器节点可以保持其链路连通性；2)即使其他活动链路的发送功率没有降低，在发送功率降低过程期间，本身也不会由自其他活动链路创建链路干扰边缘；以及3)没有创建新的隐藏节点，并且降低的发送功率的载波感测范围(s范围)仍足以覆盖干扰节点。所公开的方法适于：a)在软件定义网络(sdn)范例中，其中算法被置于接收或发送控制消息的云服务器中；b)作为网络规划软件，其中算法建议网络、节点或接口的最优功率，以便无线网络能够发送更大的流量。如果该技术进入此领域，则ia-tpc已准备好在没有太大难度的情况下并入目前基于ieee802.11的无线网络中。