802.11中Transmission range，Carrier sensing range和IF

最近比较糊涂，找到下面的一些文章，都是转自 

记得刚开始接触802.11协议以及实际的网络产品的时候，最让我糊涂的就是两个"range"：一是transmission range（或者reception range），另一个是carrier sensing range（有的又叫interference range)。ns2里面就是这两个的设置，一般TX range比较短，250米左右。CS range是TX range的两倍多一点，550米左右。

有这么一段时间，一堆paper都在讨论怎么调整这两个range，来提升性能。特别是做graph model的一群人，很多不区分这两个range，上来就说如果两个节点能听到对方的传输，它们之间就有一个连接。那看了就让人头疼了，到底两个节点距离250米有一个连接，还是550米就可以有一个连接呢？

原来的分析有错误，谢谢匿名网友的指出。请大家参考我对paper 51的分析。

多谢那个谁给我的推荐。不过你匿名了，只好用那个谁来称呼你了，嘿嘿。你说的对，carrier sensing range和interference range是两个不同的东西。这再次证明了这些range是多么让人头疼，本来以为两个range就完事了，没想到又多出一个来。现在我们有三个range了，great！

怎么去理解它们呢？我觉得最可以避免混淆的理解方式就是1和2是真实可调的range，而3更多的是一个概念层面上的东西。下面一一分解。

1. Transmission range （TX）

意思是说光看一个发送方，一个接收方，没有任何别的干扰，最大多远我就不能正确接收一个包了。这个范围完全由传输能量，信道的衰减特性，以及我的接收阈值(SNR Threshold)决定。也就是说，接收到的SNR大于这个阈值就算正确接收了，反之就不是。其中传输能量和接收阈值在网卡中是可调的两个参数。

2. Carrier sensing range （CS）

到底检测到多大的能量算是信道忙？这个是跟检测阈值相关的(CS threshold)。这个阈值通常比接收阈值要低，也是网卡中可调的。

总结：TX range虽然是以发送方为圆心，但实际是跟接收相关。也就是说在这个range之内的节点，在没有别的干扰的情况下，可以正确接收。而CS range实际是和发送相关的。也就是说谁想发送谁根据CS threshold来检测信道是否忙。所以这个所谓的CS range其实不是很讲得通。比如我说A的CS range是500米，这是什么意思呢？是说500米之内任何一个节点的发送都会使A认为信道忙？但是我怎么知道每个节点用多大的能量发送呢？如果一定要这样理解就说明这里隐含了一个假定，就是每个节点的发送能量都是一样，也是我已知的。所以我根据这个发送能量，信道衰减特性和CS threshold可以算出每个节点的作用范围。然后根据刚才的假定把这个范围放在A的身上。所以某个节点的CS range这个提法本身是不合理的。更严格的说法是根据这个节点的CS threshold，以及每个别的节点的传输能量，我可以找出这个节点的CS group。这个group里的每个节点在发送的时候都可以让这个节点觉得信道忙。这样我就可以消除每个节点发送能量一样这个假定了。

3. Interference range （IF）

前面两个range都不考虑干扰，都是单纯两个节点之间的关系。而IF range不是一个可以单纯存在与两个节点之间的关系，而必须包含至少三个节点。根据这篇文章的分析，IF range是和TX range相关的。比如IF range = 1.78*TX range。怎么理解这个IF range呢？举个例子，A要发送给B，根据上面的分析，A和B的距离只要不超过TX range，B就可以正确接收了。这时候又来了个C，位置关系是A->B - C。C想发送给别的什么节点，不用管。从B的角度来看，它会收到A的能量（记作P_A。当然是衰减过的，不过还是比SNR threshold大），同时也收到了C的能量（记作P_C。和A一样，这个能量也跟C的TX power有关，和信道衰减有关），这时候B收到的SNR就会比单纯接收A的要小一点了（计算方法是P_A/P_C）。一旦这个SNR小于了SNR threshold，B就不能正确接收A的包了，这就叫C对B产生了干扰。或者你可以说，B在C的IF range里面。所以你看，这个range和P_A有关。严格地说应该跟A和B的距离有关，那么你取upper bound的话，就可以说跟TX range有关了。

为什么说IF不是真实存在，就是因为不能单纯拿一个节点说它的IF range是多少，而必须要看它要去影响谁。一个节点，对于同样远的两个接收方，很可能一个能干扰，一个不能干扰。因为它们各自对应的发送方离它们的距离可能不一样，给它们施加的能量也不一样。所以IF range在真实的网络中是很难事先算好放在每个节点身上的。这更多是个概念。在应用的过程中很多是包含了所有的节点都一样这个假设，但是作者们往往自己还没搞清楚这一点。

*对上面的一点补充，涉及具体的ns2，以下来自http://victorgau.blogspot.com/2009/01/transmission-range-carrier-sensing.html

Transmission Range 指的是資料傳輸可以正確被接收的範圍，譬如 NS2 中預設 Tx Range 是 250m。

Carrier Sensing Range 指的是訊號可以被偵測到的範圍，譬如 NS2 中預設是 550m。

當你在 node A 的 Tx Range 裡面，而 node A 也正在傳輸資料給你，這個時候 node B 不知道你在接收資料，所以他也在傳送資料，不巧的是你剛好在 node B 的 Carrier Sense Range 中，所以 node B 的訊號影響了你，這個時候你可能會沒有辦法正確的收到從 node A 來的訊息，如果因為兩個訊號互相干擾的關係，而沒有收到訊號，這就叫做 collision。但是如果從 node A 跟 node B 來的訊號如果強度差異很大，雖然你受到干擾，但是你可能還是可以正確的收到訊號，這個叫做 Capture Effect。

在 NS2 中可以使用 CSThresh_, RXThresh_, 跟 CPTresh_ 來設定 802.11 模組中訊號的 threshold。

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其实802.11本身很简单，sender在发包之前检测一下信道，如果超过DIFS的时间还是idle的，就随机地backoff来避免碰撞（因为可能 有好几个senders都有包要发送，他们会同时检测到idle）。backoff结束以后就把数据发出去（这个数据包括物理头，MAC头以及上层的一些 包头什么的）。接受方收到以后，等SIFS就发一个确认（ACK）包回去。发送方发完以后，等SIFS+ACK的时间，如果什么都没收到，就准备重发。重 发和第一次发送的主要区别就是随机backoff取值的区间要加倍，这是因为802.11假定丢包是因为碰撞，所以重发的时候增大取值区间来降低碰撞概 率。

802.11为什么要这样最根本的原因是无线网卡不能同时发和收，任何时间都只能做其中的一种，所以发完了以后需要接收方发送一个确认。因为碰撞只有在包 发完以后才可能检测到，碰撞的代价比较大，所以要先backoff来避免碰撞。在可以同时收发的以太网中，协议就不这样设计了，包发出去的时候，发送方可 以同时监测信道看看自己的包有没有碰撞掉，如果有它就会中断当前的发送。也就是说，碰撞的代价比较小。所以以太网协议中接收方不需要发确认，而且 backoff是放在碰撞之后的，就是说一开始大家有包就发，发现碰撞了再一起做backoff，然后重传。

以上基本就是最常用的802.11 DCF了。当然它本身还有PCF，不过基本没人用。802.11主要的问题有两个，一是本身overhead太大，像这个backoff, DIFS, PHY头, ACK占用了大量的传输时间，而真正传输有效数据的时间相对来说反而很小。第二就是用来避免碰撞的backoff机制本身不是最优的，用户少的时候， backoff有点浪费，用户太多了，backoff又不足以解决问题，两边不讨好。除了这两个最根本的问题，还有一些基本假设的问题值得商榷。比如重传 的时候，backoff区间要加倍，这个是假定丢包是碰撞引起的。但是如果丢包是因为信道质量不好，这个区间加倍的方法就是浪费了。这个跟TCP over wireless挺像的，也是不能区分两种丢包，结果在传输错误丢包的情况下，错误地降低窗口的大小，造成浪费。一般研究TCP over wireless的人都只看TCP丢包，很少考虑802.11 MAC层的细节。实际上，这两种情况会共同作用，导致TCP over wireless的吞吐量更小了。