基于FAMA-NCS的高速分組傳輸網(wǎng)絡(luò)性能

孫榮平，曹振林，何 矞，何 亮

（1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041；2.南昌航空大學(xué)，南昌330063；3.海軍航空兵學(xué)院，河南濟源454650）

信道獲取多址訪問（Floor Acquisition Multiple Access，F(xiàn)AMA）協(xié)議是無線自組網(wǎng)絡(luò)基于競爭機制的MAC協(xié)議的一種，它采用RTS-CTS控制分組交互，并使RTS、CTS和數(shù)據(jù)分組都在同一個信道上傳輸，這就要求發(fā)送分組的節(jié)點在發(fā)送之前首先獲取信道。獲得信道后，信道占有節(jié)點或者其任何接收節(jié)點就能夠在該信道上無碰撞的發(fā)送數(shù)據(jù)分組和應(yīng)答[1-2]。FAMA協(xié)議分為FAMA-NPS 和FAMA-NCS，F(xiàn)AMA-NCS 協(xié)議能夠很好地解決高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)對時延的苛刻要求和隱藏終端的問題。

1 FAMA-NCS協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)

非持續(xù)性載波偵聽信道獲取多址訪問協(xié)議（FAMA-NCS）類似IEEE802.11MAC 協(xié)議，主要包含RTSCTS分組交互機制和非持續(xù)性載波偵聽機制2方面。

1.1 RTS-CTS分組交互機制

在FAMA-NCS 協(xié)議中，RTS（Request to send）和CTS（Clear to send）是指請求發(fā)送和允許發(fā)送的2個固定長度的短分組。當源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送一個RTS 分組，若信道空閑，接收節(jié)點接受到RTS分組并向源節(jié)點發(fā)送CTS分組；當源節(jié)點接收到CTS 分組時，立即占用信道并開始發(fā)送數(shù)據(jù)分組[3]。RTS-CTS 分組交互機制能夠使鄰近節(jié)點避免在接收節(jié)點發(fā)生碰撞，故能很好地解決隱藏終端的問題。

1.2 非持續(xù)性載波偵聽機制

發(fā)送節(jié)點發(fā)送RTS競爭信道時，若此時信道正在被其他節(jié)點占用而導(dǎo)致競爭信道失敗，發(fā)送節(jié)點必須重新安排競爭信道操作，F(xiàn)AMA-NCS采用非持續(xù)性的監(jiān)聽信道，即采用退避策略退避一定的時間后再重新獲取信道[4]。由于在網(wǎng)絡(luò)負載較大或傳輸數(shù)據(jù)較多的情況下，持續(xù)性的獲取信道會造成嚴重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，而非持續(xù)性載波偵聽能夠有效避免持續(xù)競爭信道的問題，確保網(wǎng)絡(luò)擁塞控制在一定范圍內(nèi)。

2 FAMA-NCS協(xié)議的時隙分析

FAMA-NCS 協(xié)議是基于RTS/CTS 分組交互的信道訪問控制協(xié)議，其發(fā)送是從源節(jié)點RTS分組發(fā)送時刻t0開始，期間可能碰到其他的RTS分組導(dǎo)致發(fā)送失敗。在等待時間段τ后，若沒有其他節(jié)點發(fā)送，RTS分組發(fā)送成功，根據(jù)FAMA-NCS 協(xié)議，在RTS 發(fā)送成功后，接收節(jié)點會立即開始回發(fā)CTS 分組，接著源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組[5-6]；其發(fā)送過程如圖1所示。

圖1 FAMA-NCS的發(fā)送過程Fig.1 Sending process of FAMA-NCS

對于成功發(fā)送一次數(shù)據(jù)分組所使用的時間為RTS-CTS 分組傳輸周期和數(shù)據(jù)分組完成傳輸產(chǎn)生的時間之和，即

網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點檢測之前存在τ 秒的信道時延，τ 秒過后，若FAMA-NCS的RTS 分組發(fā)送失敗，其發(fā)送失敗周期包括在時刻t0發(fā)送到信道的RTS 占用時間和其他節(jié)點在Y 秒時間內(nèi)發(fā)送的多個RTS 分組所占用的時間，0≤Y≤τ，則發(fā)送失敗的平均周期為

Y的累積分布函數(shù)為τ-y時間內(nèi)無RTS 分組到達的概率為FY(y)，則

由于傳輸信道參數(shù)λ的不確定性，設(shè)定其符合泊松分布[7]，得出FAMA-NCS中發(fā)送成功的概率為：

綜上分析可知在一個FAMA-NCS的成功周期和失敗周期中，γ+τ為共有時段，故結(jié)合發(fā)送成功概率PS和失敗周期中均值，可得出FAMA-NCS 一個周期的平均長度B為：

成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)利用率U為

根據(jù)上述等式，得出FAMA-NCS的吞吐量A為

3 FAMA-NCS協(xié)議的優(yōu)化

在FAMA-NCS協(xié)議中，為了避免競爭節(jié)點在其他節(jié)點已經(jīng)搶用信道時占用信道，可采用增加CTS分組長度的方法，使CTS分組長度大于RTS（RTS分組長度應(yīng)大于傳播時延和收發(fā)轉(zhuǎn)換所需要的時間之和）分組長度[8-9]。因而CTS分組的長度大于RTS分組的長度，且RTS分組的時間長度大于傳播時延和發(fā)送、接收過程所產(chǎn)生的時間之和。

如圖2所示，節(jié)點B正在發(fā)送CTS分組，而節(jié)點A試圖發(fā)送RTS 分組且獲得信道[10-11]。由于節(jié)點A 和B均使用載波偵聽，因而節(jié)點A必須在節(jié)點B開始發(fā)送其CTS分組后的τ 秒內(nèi)發(fā)送其RTS分組，否則，節(jié)點A將檢測到載波而進行退避。若節(jié)點B 發(fā)送的CTS 分組正好在節(jié)點A 開始發(fā)送其RTS 分組的時候到達節(jié)點A，由于節(jié)點B 發(fā)送CTS 分組大于RTS 分組與發(fā)送至接收轉(zhuǎn)換時間之和，因而節(jié)點A能夠收到CTS信號進行退避。

圖2 節(jié)點A在節(jié)點B發(fā)送CTS分組后發(fā)送RTS分組Fig.2 Node A sends RTS packets after Node B sends CTS packet

如圖3所示：節(jié)點A可以在節(jié)點B 開始發(fā)送CTS分組前的τ 秒內(nèi)發(fā)送RTS分組；節(jié)點B發(fā)送的CTS分組將在節(jié)點A發(fā)送完RTS分組后的2τ 秒到達節(jié)點A，節(jié)點B 發(fā)送的CTS 分組大于RTS 分組與節(jié)點收發(fā)轉(zhuǎn)換時間之和，所以節(jié)點A 能夠接收到CTS 分組的尾部，然后進行退避。

圖3 節(jié)點A在節(jié)點B發(fā)送CTS分組前發(fā)送RTS分組Fig.3 Node A sends RTS packets before Node B sends CTS packet

4 實驗結(jié)果及分析

對于FAMA-NCS協(xié)議的仿真[12]：仿真環(huán)境為隨機分布的20個節(jié)點，最大空中時延0.3 μs，RTS 請求分組長度為200 bit，數(shù)據(jù)分組長度4 096 bit，信道傳輸速率256 kbit/s。

由圖4看出，隨著網(wǎng)絡(luò)利用率的增加，網(wǎng)絡(luò)的平均分組時延也會相應(yīng)地增加，但改進后的時延相對有一定的減少。圖5中看出在隨著子網(wǎng)數(shù)量的增加，由于RTS分組偵聽的碰撞率增多，F(xiàn)AMA-NCS的吞吐量會逐漸下降，改進后的吞吐量會因減少RTS分組的碰撞而使下降得更加緩慢，吞吐量相對有一定的提升。

圖4 網(wǎng)絡(luò)利用率Fig.4 Utilization of the network

圖5 在不同子網(wǎng)條件下的吞吐量Fig.4 Throughput capacity in a different subnet conditions

5 結(jié)束語

本文針對FAMA-NCS 協(xié)議對于高速分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，通過對FAMA-NCS網(wǎng)絡(luò)退避算法的報文長度的調(diào)整，在時延和吞吐量上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。在今后的工作中，還需進行對其沖突率和延時抖動等其他性能進行理論分析與仿真計算。

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