基于ＦＡＭＡ協(xié)議的雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)

劉炳奇　王海峰

[摘要]研究FAMA協(xié)議在雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，闡述FAMA協(xié)議的算法機(jī)制和實(shí)現(xiàn)過程。結(jié)果表明采用發(fā)送包序列方式可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，可以在雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

[關(guān)鍵詞]FAMA協(xié)議 分層分布式無線網(wǎng)絡(luò) 算法

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310051－01

一、ＦＡＭＡ協(xié)議概述

FAMA協(xié)議于1995年由美國科學(xué)家提出，用于無線分組網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)AMA協(xié)議提出的目的是為了更好地解決多址接入沖突避免協(xié)議（MACA）中仍然存在的終端隱藏問題，F(xiàn)AMA代表了一類MAC層協(xié)議，這種方案分為兩個(gè)階段，首先獲取信道（通過發(fā)出大量的確認(rèn)數(shù)據(jù)包），然后就是實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣就可以比較有效的避免沖突，因?yàn)槊看味寄鼙ＷC該信道被分配后能成功傳送數(shù)據(jù)而沒有沖突。FAMA是通過延長(zhǎng)RTS和CTS控制報(bào)文的長(zhǎng)度來消除控制報(bào)文的沖突，比較好地解決了隱終端問題。FAMA還允許一次RTS-CTS交互成功，結(jié)點(diǎn)可發(fā)送多個(gè)報(bào)文，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。FAMA是基于單信道的分布式無線網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議中較成功的一種。美軍在無線互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（WINGS）中使用的信道接入?yún)f(xié)議就是FAMA協(xié)議，國內(nèi)已用于寬帶數(shù)字電臺(tái)中，但還未對(duì)該協(xié)議的性能作定性定量分析。FAMA協(xié)議的接入過程分兩個(gè)階段：首先獲取信道的控制權(quán)（FLOOR）（通過發(fā)出大量的控制包），然后就是實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)包。所謂“FLOOR”捕獲，是指有數(shù)據(jù)發(fā)送的站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先要獲得接收方周圍的信道控制權(quán)，這樣可以確保傳送數(shù)據(jù)包時(shí)不會(huì)被碰撞。為了確保FLOOR捕獲成功，CTS信號(hào)持續(xù)時(shí)間必須比RTS信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這樣才能保證來自接收端的CTS信號(hào)足夠長(zhǎng)，讓跟發(fā)送端互為隱藏的終端收到這個(gè)禁止發(fā)送的信號(hào)。雖然諸如MACA，IEEE802.11 DFWMAC，MACAW等協(xié)議均采用了RTS/CTS握手協(xié)議來解決CSMA中的隱藏終端問題，但是我們可以很容易就用例子來顯示它們并不能很好解決隱藏終端問題，而會(huì)在發(fā)送DATA期間，產(chǎn)生碰撞。

二、FAMA-NCS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程

FAMA-NCS協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)過程是：已初始化的用戶站必須等待段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間為在信道上發(fā)送最長(zhǎng)信息包所花的時(shí)間以及在整個(gè)信道上的來回時(shí)間之和，它使任意一個(gè)正在接收數(shù)據(jù)包的相鄰站順利完成接收。這個(gè)初始化時(shí)間也使該用戶站能了解進(jìn)行中的無線信道信息傳輸情況，如果在初始化時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到載波，用戶站便轉(zhuǎn)向無源（PASSIVE）狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)端（REMOTE）狀態(tài)。如果初始化正確（如，沒有信息包發(fā)送，又偵聽到空閑信道），用戶站才能處于無源（PASSIVE）狀態(tài)。在所有其它狀態(tài)下，用戶站必須用一段時(shí)間偵聽信道，足以讓相鄰站有時(shí)間完成數(shù)據(jù)接收。處于PASSIVE狀態(tài)，并偵聽到載波的用戶站轉(zhuǎn)向REMOTE狀態(tài)。另一方面，在PASSIVE狀態(tài)下，收到信息包準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)，用戶站必須發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送的信號(hào)（RTS）然后轉(zhuǎn)向RTS狀態(tài)，發(fā)送信息的用戶站須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓對(duì)方發(fā)回CTS信號(hào)。如果在允許時(shí)間沒有收到CTS，發(fā)送轉(zhuǎn)向BACKOFF狀態(tài)。如果發(fā)送者在發(fā)出RTS后聽到信道上有噪音，假定與相鄰的RTS相碰撞，那么須等足夠長(zhǎng)時(shí)間，讓相鄰站接收最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包。

對(duì)于各站點(diǎn)偵聽到信道忙時(shí)，根據(jù)不同情況采取不同退避時(shí)間，具體做法如下：

（1）當(dāng)偵聽到非本站的RTS信號(hào)后，站點(diǎn)必須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓目的站點(diǎn)發(fā)送給源站點(diǎn)CTS信號(hào)。

（2）聽到非本站的CTS信號(hào)后，站點(diǎn)必須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓其它站點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包。

（3）當(dāng)偵聽到DATA信號(hào)后，也需要等待一個(gè)時(shí)間，讓目的站點(diǎn)處理數(shù)據(jù)。

（4）當(dāng)偵聽到噪聲（控制包碰撞了）后，等待數(shù)據(jù)要足夠長(zhǎng)，使得其它站點(diǎn)能夠在此時(shí)間內(nèi)接收到最大數(shù)據(jù)包。

為了提高信道的利用率，一個(gè)站點(diǎn)成功獲取FLOOR后，可以動(dòng)態(tài)地發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)送個(gè)數(shù)可以設(shè)置一個(gè)最大限額，這就是所謂的包序列發(fā)送，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的握手機(jī)制就可以支持包序列的發(fā)送。當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，在DATA數(shù)據(jù)幀中，增加一個(gè)“MORE”標(biāo)志位，當(dāng)目的站點(diǎn)接收到DATA幀，要查看“MORE”標(biāo)志位，如果置位了，就立即返回一個(gè)CTS，用以通知周圍站點(diǎn)發(fā)送者還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，請(qǐng)它們繼續(xù)推延發(fā)送。如果沒有置位，就不用返回CTS。

三、基于FAMA協(xié)議的雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)

FAMA協(xié)議非常適用于單信道網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于平面結(jié)構(gòu)的全分布式網(wǎng)絡(luò)，就是單信道網(wǎng)絡(luò)。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，需要采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)。分層分布式網(wǎng)絡(luò)往往是多信道網(wǎng)絡(luò)。我們來看一下FAMA協(xié)議在雙層分布式網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常采用如下信道分配方案：（1）Fl頻率用于控制信道；（2）F2頻率用于群首間的數(shù)據(jù)通信；（3）F3頻率用于群成員間的數(shù)據(jù)通信。美軍在其戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中使用近期數(shù)字電臺(tái)就是采用該方案。因此需要將FAMA協(xié)議進(jìn)行修改才能實(shí)現(xiàn)此方案。

在分層分布式網(wǎng)絡(luò)中修改的FAMA協(xié)議如下：公共F1信道發(fā)送RTS控制包，來建立數(shù)據(jù)包發(fā)送的信道申請(qǐng)。RTS控制包包含申請(qǐng)數(shù)據(jù)發(fā)送采用的數(shù)據(jù)信道。CTS包響應(yīng)RTS包，DATA包和CTS包均在數(shù)據(jù)信道發(fā)送。RTS-CTS握手成功就可以發(fā)送DATA.

對(duì)比802.11的MAC層協(xié)議和修改的FAMA協(xié)議，兩者均使用RTS/CTS協(xié)議、載波偵聽機(jī)制，它們的不同之處是802.11使用了分布式協(xié)調(diào)算法（DCF），而修改的FAMA協(xié)議使用長(zhǎng)一點(diǎn)的CTS控制包來控制信道使用權(quán)的獲得。所以，修改的FAMA方案的存在著CTS的錯(cuò)誤探測(cè)缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)分組傳輸期間，偵聽沖突分組載波的節(jié)點(diǎn)必須保持靜默，即便沖突是RTS報(bào)文造成也是如此。這樣一來，共享信道就因空閑而被浪費(fèi)掉了。CTS的錯(cuò)誤探測(cè)導(dǎo)致了共享信道的不必要的長(zhǎng)時(shí)間空閑，降低了信道的吞吐量。而修改的FAMA協(xié)議使用包序列方式就可以大大提高性能，在重負(fù)載或包到達(dá)比較密集時(shí)，使用包序列的修改的FAMA協(xié)議的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過802.11，所以在重負(fù)載或包達(dá)到比較密集時(shí)，采用發(fā)送包序列方式可大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，可在分層分布式無線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

四、結(jié)論

本文首先對(duì)FAMA協(xié)議進(jìn)行了概述，然后詳細(xì)分析了FAMA-NCS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程。重點(diǎn)討論了基于FAMA協(xié)議的雙層分布式無線網(wǎng)絡(luò)，指出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，需要采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)分層分布式網(wǎng)絡(luò)中FAMA協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，充分利用公共F1信道發(fā)送RTS控制包，來建立數(shù)據(jù)包發(fā)送的信道申請(qǐng)，得到更好的吞吐量，因此可以在分層分布式無線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)；

[1]潭齊，分組無線網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制分析及220B的MAC協(xié)議仿真，西南交通大學(xué)碩士論文，2003.

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