基于時(shí)分多址網(wǎng)絡(luò)中的雙信道預(yù)約MAC協(xié)議

張文強(qiáng)， 張多英

(暨南大學(xué) 電子工程系， 廣東 廣州 510632)

0 引言

近年來(lái)，多信道媒質(zhì)接入控制協(xié)議(MAC)由于可以獲得比單信道MAC協(xié)議更大的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能而備受關(guān)注[1-7].不過(guò)，多信道MAC協(xié)議帶來(lái)了多信道隱藏終端問(wèn)題[1-5](即，發(fā)送節(jié)點(diǎn)由于在業(yè)務(wù)信道(TCH)上收發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)，不能偵聽(tīng)公共控制信道(CCH)上的預(yù)約信息，不知道哪些TCH已經(jīng)被占用或不知道它的接收節(jié)點(diǎn)正在其他TCH上收發(fā)，如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)在CCH上向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)約邀請(qǐng)，則預(yù)約邀請(qǐng)不會(huì)成功，或即使預(yù)約成功也會(huì)在相關(guān)TCH上出現(xiàn)分組碰撞的問(wèn)題)，并仍然存在暴露終端問(wèn)題[6](即，與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相距一跳、與接收節(jié)點(diǎn)相距兩跳的節(jié)點(diǎn)在分組發(fā)送時(shí)會(huì)造成發(fā)方不能正確收到收方回復(fù)的CTS或ACK分組).多信道隱藏終端會(huì)大大增加分組的碰撞概率，從而嚴(yán)重降低了網(wǎng)絡(luò)多址性能；而為了避免暴露終端的影響，通常會(huì)禁止暴露終端使用很可能可以使用的信道，從而造成了信道資源的浪費(fèi).

鑒于全球定位系統(tǒng)(GPS)等的應(yīng)用，使得在多跳移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)同步成為可能，催生了時(shí)分多址(TDMA)類MAC協(xié)議在其中的廣泛應(yīng)用[8].本文為多跳MANET提出了基于TDMA、僅使用一部半雙工收發(fā)機(jī)、不需要建立信道狀態(tài)表的雙信道預(yù)約(DCR)MAC協(xié)議.該協(xié)議利用時(shí)隙匹配優(yōu)化，巧妙地解決了多信道隱藏終端、控制信道瓶頸問(wèn)題，并且利用預(yù)約時(shí)隙和競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙退避機(jī)制大大提高了信道的接入效率，同時(shí)也消除了隱藏終端所引起的數(shù)據(jù)分組發(fā)送碰撞問(wèn)題.仿真結(jié)果表明，DCR協(xié)議在多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量比IEEE 802.11分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)協(xié)議[9]提高了30～48%，在單跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提高了73%.

1 網(wǎng)絡(luò)模型

MANET中N個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布在一定的區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn)管理控制，基于GPS等實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步.各節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)預(yù)約信道(RCH)傳輸控制分組(即RTS、CTS分組)，使用一個(gè)業(yè)務(wù)信道(TCH)傳輸數(shù)據(jù)分組(DATA)和ACK分組.各節(jié)點(diǎn)僅有一部半雙工無(wú)線收發(fā)機(jī)，如果處于空閑狀態(tài)，即沒(méi)有在RCH和TCH上的相關(guān)分組發(fā)送，則轉(zhuǎn)到RCH上偵收相鄰節(jié)點(diǎn)的分組發(fā)送.網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的傳輸距離與載波偵聽(tīng)距離相等.

2 DCR協(xié)議

2.1 信道時(shí)隙劃分及相互關(guān)系

如圖1所示，DCR協(xié)議中，在RCH和TCH上的時(shí)間被分成大小相等的一個(gè)個(gè)時(shí)隙，分別稱為預(yù)約時(shí)隙(RS)和數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)隙(TS).在RCH上的RS中，各節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS或CTS分組進(jìn)行信道預(yù)約，然后在TCH上的TS中發(fā)送DATA并進(jìn)行ACK確認(rèn).

圖1 DCR協(xié)議的時(shí)序圖

在RCH上的每個(gè)RS時(shí)隙包括多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙(CMS)、RTS和CTS分組的發(fā)送時(shí)間以及2個(gè)短幀間間隔(SIFS)，其中，SIFS一般包括信號(hào)往返傳播時(shí)間、接收機(jī)處理時(shí)間、收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間和必要的保護(hù)時(shí)間.在TCH上的TS時(shí)隙包括DATA和ACK分組的發(fā)送時(shí)間以及2個(gè)SIFS.由于假設(shè)RS和TS的時(shí)隙大小相同，即它們之間滿足下式：

Tslot=NMSTMS+2SIFS+TRTS+TCTS

=TDATA+TACK+2SIFS

(1)

即

(2)

其中，NMS表示RCH上競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙的個(gè)數(shù)；TMS表示每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度；TRTS、TCTS、TDATA、TACK分別表示RTS、CTS、DATA和ACK分組在相應(yīng)信道上的傳輸時(shí)間；LRTS、LCTS、LDATA、LACK分別表示RTS、CTS、DATA和ACK分組的長(zhǎng)度；RRCH、RTCH分別為RCH、TCH上的數(shù)據(jù)速率.

2.2 協(xié)議描述

如圖1所示，DCR協(xié)議中的整個(gè)數(shù)據(jù)分組發(fā)送過(guò)程包括預(yù)約時(shí)隙選擇、競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙選擇和RTS/CTS握手、以及數(shù)據(jù)分組發(fā)送及確認(rèn)等3個(gè)階段.圖2為該協(xié)議的分組收發(fā)流程圖.

圖2 DCR協(xié)議的分組收發(fā)流程圖

2.2.1 預(yù)約時(shí)隙選擇

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己有無(wú)數(shù)據(jù)分組發(fā)送情況來(lái)決定是否在當(dāng)前時(shí)隙發(fā)起預(yù)約.對(duì)新產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組的初次發(fā)送，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇該分組產(chǎn)生后的第1個(gè)

預(yù)約時(shí)隙或成功發(fā)送完上一個(gè)數(shù)據(jù)分組后的第1個(gè)預(yù)約時(shí)隙立刻開(kāi)始數(shù)據(jù)分組發(fā)送過(guò)程.發(fā)方首先偵聽(tīng)RCH 1個(gè)預(yù)約時(shí)隙，若在此期間它的收方?jīng)]有收發(fā)RTS或CTS分組的話，它就在此預(yù)約時(shí)隙結(jié)束后的下一個(gè)預(yù)約時(shí)隙中準(zhǔn)備發(fā)送RTS分組；否則，它就退避到下一個(gè)預(yù)約時(shí)隙準(zhǔn)備發(fā)送RTS分組.

2.2.2 競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙選擇和RTS/CTS握手

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在RCH上的一個(gè)預(yù)約時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送給某個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，則在發(fā)送RTS之前，要從當(dāng)前預(yù)約時(shí)隙的NMS個(gè)競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙中隨機(jī)選擇一個(gè)作為RTS分組發(fā)送開(kāi)始的時(shí)間，并在發(fā)送RTS分組之前偵聽(tīng)之前的競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙.如果在其所選的競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙到來(lái)之前的競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙中都沒(méi)有偵聽(tīng)到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制分組，那么該發(fā)送節(jié)點(diǎn)就在所選的競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙上開(kāi)始發(fā)送RTS分組進(jìn)行信道預(yù)約，并在RCH上等待接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)CTS分組；否則退避到下一個(gè)預(yù)約時(shí)隙再重新進(jìn)行預(yù)約.

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送完RTS分組后，等待接收CTS分組，若收到CTS分組，則此次預(yù)約成功；否則預(yù)約失敗.對(duì)于預(yù)約失敗，如果當(dāng)前數(shù)據(jù)分組發(fā)送未達(dá)到最大重傳次數(shù)，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)在此次數(shù)據(jù)分組發(fā)送嘗試失敗后的KMAX個(gè)預(yù)約時(shí)隙中等概選擇一個(gè)嘗試重發(fā)該數(shù)據(jù)分組的過(guò)程；如果達(dá)到最大重傳次數(shù)，則進(jìn)行丟包處理.

如果接收節(jié)點(diǎn)正確接收到發(fā)給自己的RTS分組，那么它就立刻回復(fù)CTS分組，并在TCH上準(zhǔn)備接收DATA分組；若目的節(jié)點(diǎn)不是自己或不能正確接收RTS分組，則不做任何處理.

2.2.3 數(shù)據(jù)分組發(fā)送及確認(rèn)

如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確收到CTS分組，說(shuō)明預(yù)約成功，就轉(zhuǎn)到TCH上在緊接的數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)隙上無(wú)沖突地發(fā)送數(shù)據(jù)分組.接收節(jié)點(diǎn)正確收到后，回復(fù)ACK分組進(jìn)行成功接收確認(rèn)，從而完成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)分組發(fā)送過(guò)程.

3 性能評(píng)估

本文在VC++ 6.0環(huán)境下，用C語(yǔ)言編程對(duì)改進(jìn)后的MAC協(xié)議進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所提出的在雙信道方式先預(yù)約和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?在相同環(huán)境參數(shù)等條件下，將DCR協(xié)議的仿真結(jié)果和IEEE 802.11 DCF協(xié)議的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析比較兩個(gè)協(xié)議的性能，對(duì)DCR協(xié)議的有效性做綜合評(píng)估.所采用的多址性能指標(biāo)為吞吐量(S)和平均分組時(shí)延(Delay).吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)中單位時(shí)間內(nèi)在信道上成功傳輸?shù)男畔⒘?；平均分組時(shí)延定義為各分組從產(chǎn)生到正確接收所需要的平均時(shí)間.

網(wǎng)絡(luò)中N個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi).每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組產(chǎn)生速率服從Poisson過(guò)程.為了保證公平比較，我們假定兩個(gè)協(xié)議的總數(shù)據(jù)速率相同，即IEEE 802.11單信道DCF協(xié)議的數(shù)據(jù)速率設(shè)為22 Mbps，而DCR協(xié)議中RRCH設(shè)為0.5 Mbps，RTCH設(shè)為21.5 Mbps.具體參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù)

3.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)N對(duì)協(xié)議性能的影響

圖3和圖4分別給出了節(jié)點(diǎn)數(shù)N為50、75、100、150、200時(shí)DCR和IEEE 802.11 DCF協(xié)議隨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量G變化的性能比較結(jié)果.

從圖3可以看出，不同節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下DCR協(xié)議的吞吐量明顯高于IEEE 802.11 DCF協(xié)議，并且其吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而增大，當(dāng)N達(dá)到150后基本保持不變.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是N增大時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)增多，同時(shí),相同總業(yè)務(wù)量G情況下各節(jié)點(diǎn)的分組產(chǎn)生速率降低.當(dāng)N=200時(shí)，DCR協(xié)議的最大吞吐量比IEEE 802.11 DCF協(xié)議提高了34%，達(dá)到了79.7 Mbps.

如圖4所示，DCR和IEEE 802.11 DCF協(xié)議的平均分組時(shí)延隨著G的增大而增大，并且相同G情況下隨著N的增大而減小.從總體來(lái)看，相同N情況下，DCR協(xié)議的平均分組時(shí)延比IEEE 802.11 DCF協(xié)議小.這是因?yàn)镚較小時(shí)，數(shù)據(jù)分組都能被成功發(fā)送，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，數(shù)據(jù)分組到達(dá)率越小，數(shù)據(jù)分組在隊(duì)列中積壓的時(shí)間越短，平均分組時(shí)延就越?。欢鳪較大時(shí)，每個(gè)分組都需要等待更長(zhǎng)的時(shí)間才能得到發(fā)送，造成平均分組時(shí)延加大.同時(shí)，DCR協(xié)議采用雙重退避機(jī)制，并且提高了網(wǎng)絡(luò)并行發(fā)送機(jī)會(huì)，可以比IEEE 802.11 DCF協(xié)議具有更低的接入碰撞概率，從而實(shí)現(xiàn)了更快地接入.

圖3 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下的吞吐量

圖4 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下的平均分組時(shí)延

3.2 通信半徑r對(duì)協(xié)議性能的影響

圖5和圖6分別為DCR和IEEE 802.11 DCF協(xié)議在不同通信半徑r下的仿真比較結(jié)果.可以看出，隨著r的增大，兩個(gè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量都下降、平均分組時(shí)延都增大，且在同等r的情況下，DCR協(xié)議的這兩個(gè)性能都比IEEE 802.11 DCF協(xié)議好.因?yàn)殡S著r的增大，節(jié)點(diǎn)間的平均跳數(shù)減小，鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，信道的空分復(fù)用效果越差，網(wǎng)絡(luò)的局部業(yè)務(wù)量相對(duì)較大，從而造成RTS/CTS分組的碰撞加劇，最終引起網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降、平均分組時(shí)延增大.

由于DCR協(xié)議采用RCH和TCH的時(shí)隙優(yōu)化匹配以及預(yù)約時(shí)隙退避和競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙退避相結(jié)合的機(jī)制，在重業(yè)務(wù)量情況下更能有效分散網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量，并解決了更多的隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，因此它的多址性能要比IEEE 802.11 DCF協(xié)議好.當(dāng)r=20、25、40、150時(shí)， DCR協(xié)議的最大吞吐量分別比相同r下的IEEE 802.11 DCF協(xié)議提高了30%、40%、48%和73%，分別達(dá)到118.6 Mbps、86.7 Mbps、41.3 Mbps、18.9 Mbps.其中，r=150意味著網(wǎng)絡(luò)為單跳結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).

圖5 不同通信半徑情況下的吞吐量

圖6 不同通信半徑情況下的平均分組時(shí)延

3.3 RCH數(shù)據(jù)速率對(duì)DCR協(xié)議性能的影響

圖7和圖8分別為DCR協(xié)議在不同RCH數(shù)據(jù)速率RRCH下的仿真結(jié)果.其中，不同RCCH下，總信道數(shù)據(jù)速率Rb=22 Mbps保持不變.

由圖中可以看出，隨著RRCH從0.25 Mbps到4 Mbps的變化過(guò)程中，DCR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化趨勢(shì)是先增大、后減小.當(dāng)RRCH=1.5 Mbps時(shí)，協(xié)議的多址性能均達(dá)到最大值，其中最大吞吐量為93 Mbps.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量達(dá)到飽和之前，平均分組時(shí)延隨著RRCH的增大，先減小后增大.這是因?yàn)樵赗b保持不變的前提下，RRCH的變化會(huì)使預(yù)約時(shí)隙的大小、數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度、業(yè)務(wù)信道的傳輸速率、每個(gè)預(yù)約時(shí)隙中預(yù)約分組所占的比例等發(fā)生變化.當(dāng)RRCH較小時(shí)，隨著RRCH的增大，TCH的數(shù)據(jù)速率下降相對(duì)較小，而此時(shí)預(yù)約分組發(fā)送時(shí)間降低，使得競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙所占的比例相對(duì)提高，因而可以更有效地避免隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，所以網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)上升而平均分組時(shí)延也會(huì)相應(yīng)地下降.而當(dāng)RRCH較大時(shí)，隨著RRCH的增大，TCH的數(shù)據(jù)傳輸速率下降了很多，用于預(yù)約信道的開(kāi)銷過(guò)大、有效傳輸數(shù)據(jù)分組的信道資源相對(duì)不足，因此，多址性能就會(huì)相應(yīng)地下降.

圖7 RRCH變化對(duì)吞吐量的影響

圖8 RRCH變化對(duì)平均分組時(shí)延的影響

4 結(jié)論

本文提出的DCR協(xié)議采用RCH的預(yù)約時(shí)隙與TCH的數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)隙等長(zhǎng)的做法，各節(jié)點(diǎn)利用一部半雙工收發(fā)機(jī)在RCH上采用預(yù)約時(shí)隙和競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙隨機(jī)退避機(jī)制進(jìn)行RTS/CTS信道預(yù)約，在TCH上進(jìn)行無(wú)沖突的數(shù)據(jù)分組發(fā)送和確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)了最佳業(yè)務(wù)平衡的并行信道預(yù)約和數(shù)據(jù)分組發(fā)送，避免了信道資源浪費(fèi).同時(shí)，協(xié)議允許暴露終端發(fā)方和隱藏終端收方與發(fā)方同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)分組，提高了并行數(shù)據(jù)分組發(fā)送機(jī)會(huì)，最大限度地降低了預(yù)約分組的碰撞區(qū)間，從而大大地提高了信道的接入成功率和利用效率，獲得了更好的多址性能.

該協(xié)議不需要建立信道狀態(tài)表，不需要改變RTS、CTS分組格式，不需要設(shè)置、更新網(wǎng)絡(luò)分配定時(shí)器以便進(jìn)行收發(fā)退避，不需要額外的信道和硬件設(shè)備，大大降低了開(kāi)銷、成本和復(fù)雜度，提供了良好的兼容性，并可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)整RCH和TCH的數(shù)據(jù)速率分配達(dá)到最佳的多址性能.仿真結(jié)果表明，在總數(shù)據(jù)速率相同條件下DCR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量和平均分組時(shí)延方面都大大優(yōu)于IEEE 802.11 DCF協(xié)議.

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