一種新的競爭與分配相結(jié)合的MAC協(xié)議

潘 鵬，郭達(dá)偉，劉 航，王 鵬

一種新的競爭與分配相結(jié)合的MAC協(xié)議

潘 鵬，郭達(dá)偉，劉 航，王 鵬

針對IEEE 802.11在高競爭下吞吐量低，以及TDMA協(xié)議在低負(fù)載下吞吐量低的問題，提出了一種新的TDMA MAC協(xié)議：Q-TDMA。結(jié)合TDMA協(xié)議可以保證節(jié)點在每個周期內(nèi)有一個發(fā)送機會，而同步CSMA/CA機制可以解決隱藏終端和暴露終端的問題，Q-TDMA協(xié)議要求節(jié)點根據(jù)本身的隊列長度來競爭復(fù)用時隙。仿真實驗結(jié)果表明，Q-TDMA提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了端到端的延遲。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；時分多址；媒介接入控制；Q-TDMA協(xié)議

1 引言

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴于任何固定基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的自組織、分布式的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。它可以由無線移動終端在一定的范圍內(nèi)自由搭建。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點直接通過無線共享媒介，進行交換數(shù)據(jù)包。媒體接入控制（MAC）主要作用是提供有效的調(diào)度機制來分配有限的無線共享信道資源。MAC層控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入無線信道，是所有數(shù)據(jù)報文和控制信息在無線信道上發(fā)送和接收的直接支配者。因此，MAC層高效地使用無線信道的有限帶寬是至關(guān)重要的。

根據(jù)信道接入的策略，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可以分為競爭類和分配類。競爭類協(xié)議主要包括：Aloha、 CSMA、MACA、FAMA和802.11[1-5]。它們一般采用沖突避免機制和隨機重傳，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時比較有效。但隨著負(fù)載增加沖突增多，吞吐量可能降低至零，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，不能保證有界的端到端延遲。其優(yōu)點是移動透明性，即協(xié)議不會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘉砀淖児ぷ鞣绞健７峙漕悈f(xié)議主要包括：傳統(tǒng)的TDMA、E-TDMA[6]和ADAPT[7]等。傳統(tǒng)TDMA具有移動透明性優(yōu)點，但是它不能復(fù)用時隙，吞吐量低；E-TDMA適用于大負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，缺點是不具有移動透明性，不能適應(yīng)于拓?fù)渥兓斓木W(wǎng)絡(luò)；ADAPT是一個競爭分配相結(jié)合的MAC協(xié)議，有效地增加了吞吐量，但同時引入了隱藏終端和暴露終端的問題。

為了解決這些協(xié)議中存在的上述缺點，本文提出了Q-TDMA協(xié)議。

2 Q-TDMA協(xié)議描述

Q-TDMA協(xié)議是一種TDMA與同步CSMA/CA機制相結(jié)合的協(xié)議。每個節(jié)點固定擁有一個屬于自己的時隙，引入同步競爭機制對未使用的時隙進行管理，在自己時隙上節(jié)點有優(yōu)先發(fā)送RTS的權(quán)力；當(dāng)其他節(jié)點發(fā)現(xiàn)時隙的擁有者沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，它則根據(jù)本節(jié)點隊列的長度，對該時隙進行分優(yōu)先級競爭復(fù)用時隙。

網(wǎng)絡(luò)中存在N個節(jié)點，每個節(jié)點固定分配一個時隙，每個時隙包括監(jiān)聽、競爭和數(shù)據(jù)3個階段；其中監(jiān)聽階段又分為兩個子微時隙。競爭階段包括競爭1和競爭2兩個階段。每個競爭階段分為n個微時隙，每個微時隙再分為兩個子微時隙。競爭階段和監(jiān)聽階段的微時隙、子微時隙相等。具體幀和時隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 幀和時隙結(jié)構(gòu)

本文將從時隙的監(jiān)聽、競爭、數(shù)據(jù)階段來介紹Q-TDMA協(xié)議。假設(shè)目前正處在時隙i，各個節(jié)點在這個時隙內(nèi)的具體動作如下。

監(jiān)聽階段：在時隙i中，節(jié)點i如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則在第一個子微時隙發(fā)送RTS。收到RTS的目的節(jié)點在第二個子微時隙回復(fù)CTS，節(jié)點i收到CTS回復(fù)，則節(jié)點i在數(shù)據(jù)階段發(fā)送數(shù)據(jù)。如果非目的節(jié)點收到RTS，則這些節(jié)點標(biāo)記在時隙i內(nèi)不接收數(shù)據(jù)。如果非發(fā)送節(jié)點收到CTS，則這些節(jié)點標(biāo)記在時隙i內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以保證在發(fā)送端不存在其他的接收節(jié)點，在接收端不存在其他的發(fā)送節(jié)點。

如果節(jié)點i沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則它不競爭信道。其中RTS、CTS幀格式如圖2、圖3所示。

圖2 RTS幀

圖3 CTS幀

競爭階段：在時隙i的監(jiān)聽階段，節(jié)點j如果沒有監(jiān)聽到CTS，且有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則可以根據(jù)本節(jié)點隊列的長度，來判斷選擇在競爭1或競爭2階段中來進行競爭信道。節(jié)點在所選擇的競爭階段隨機選擇一個微時隙來競爭信道，具體流程如下（給定隊列長度的閾值為L）：

在時隙i內(nèi)，如果節(jié)點j的隊列長度為M，且大于給定的閾值L，則它在競爭1階段中隨機選擇一個微時隙，來競爭信道。假設(shè)節(jié)點j選擇在微時隙q(1≤q≤n)中進行競爭信道。如果節(jié)點j在前q-1個時隙內(nèi)沒有收到過其他節(jié)點發(fā)送的CTS，則節(jié)點j在微時隙q的第一個子微時隙中發(fā)送RTS，如果目的節(jié)點收到RTS，且在前q-1時隙內(nèi)沒有收到其他節(jié)點發(fā)送的RTS，則目的節(jié)點在第二個子微時隙回復(fù)CTS。如果節(jié)點j收到CTS回復(fù)，則說明節(jié)點j成功地占用了信道，它將會在數(shù)據(jù)階段發(fā)送數(shù)據(jù)。收到RTS的非目的節(jié)點標(biāo)記在時隙i中不接收數(shù)據(jù)。

如果節(jié)點j的隊列長度M小于等于給定的閾值L，則它在競爭2階段隨機選擇微時隙競爭信道，同上所述。

數(shù)據(jù)階段：競爭到信道的節(jié)點，在此階段發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 協(xié)議性能分析

3.1 吞吐量

為了簡化分析，本文假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫庆o態(tài)的，流量負(fù)載均勻分布。網(wǎng)絡(luò)中存在N個節(jié)點，一個周期內(nèi)包含N個時隙。

對于一個給定的節(jié)點i，需要分析討論兩種情況的吞吐量：一種是時隙分配給節(jié)點i，另一種是時隙未分配給節(jié)點i。用φ表示節(jié)點i有數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母怕?，π表示?jié)點i的鄰居平均個數(shù)（不包括有數(shù)據(jù)向節(jié)點i的兩跳鄰居傳輸?shù)墓?jié)點）。由于每個時隙分配給節(jié)點i的概率為1/N，所以節(jié)點i在自己的時隙上傳輸數(shù)據(jù)包的概率為：

另一種情況是節(jié)點i嘗試在未分配給自己的時隙上發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點競爭未分配給自己的時隙的概率可以表示為：

其中，t是節(jié)點在一個時隙內(nèi)傳輸?shù)母怕?。?jié)點i競爭成功的概率為：

通過聯(lián)合兩種情況的傳輸數(shù)據(jù)包概率，得到一個節(jié)點的近似吞吐量：

通過計算，得出，當(dāng)t=1/(π(1-φ/N)π)時，Q-TDMA的節(jié)點的吞吐量上界為：

3.2 同步RTS/CTS消除隱藏終端和暴露終端

IEEE 802.11 DCF通過引入異步RTS/CTS握手機制來減少隱藏終端問題，但是它并沒有完全消除隱藏終端問題，同時又帶來了暴露終端問題。

在圖4中，Si是發(fā)送節(jié)點，Ri是接收節(jié)點。在802.11方式下，可能會出現(xiàn)如下情況：當(dāng)節(jié)點S2正在給節(jié)點R2發(fā)送RTS，同時節(jié)點R1在給節(jié)點S1回復(fù)CTS時，節(jié)點R1無法檢測來自節(jié)點S2的RTS，節(jié)點S2無法檢測來自節(jié)點R1的CTS，這樣就會出現(xiàn)節(jié)點S1向節(jié)點R1發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點S2向節(jié)點R2發(fā)送數(shù)據(jù)或CTS，數(shù)據(jù)在節(jié)點R1處發(fā)生碰撞。這就是隱藏終端問題。

圖4 隱藏終端和暴露終端問題

這里引入同步RTS/CTS方式[8]進行握手交換，從而來解決隱藏終端問題。假設(shè)節(jié)點S1、S2選擇同一等級的競爭階段，競爭向節(jié)點R1、R2發(fā)送數(shù)據(jù)，其中節(jié)點S1、S2選擇在T1、T2微時隙內(nèi)競爭。

當(dāng)T1＜T2時，在T1微時隙的第一個子微時隙內(nèi)，節(jié)點S1發(fā)送RTS給節(jié)點R1，收到RTS的節(jié)點R1在第二個子微時隙內(nèi)回復(fù)CTS，節(jié)點S1收到節(jié)點R1回復(fù)的CTS，在數(shù)據(jù)階段，節(jié)點S1向節(jié)點R1發(fā)送數(shù)據(jù)。由于節(jié)點S2收到節(jié)點R1回復(fù)給節(jié)點S1的CTS，所以在這個時隙內(nèi)節(jié)點S2標(biāo)記不發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)T1=T2時，在T1微時隙內(nèi)的第一個子微時隙內(nèi)，節(jié)點S1、S2發(fā)送RTS，節(jié)點R1感知到RTS的碰撞，將不回復(fù)CTS；節(jié)點R2收到節(jié)點S2的RTS，在第二個子微時隙內(nèi)回復(fù)CTS，節(jié)點S2收到節(jié)點R2回復(fù)的CTS，則在數(shù)據(jù)階段節(jié)點S2向節(jié)點R2發(fā)送數(shù)據(jù)。

類似地，當(dāng)T1＞T2時，節(jié)點S2在數(shù)據(jù)階段向節(jié)點R2發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果節(jié)點S1、S2在不同競爭階段下，競爭向節(jié)點R1、R2發(fā)送數(shù)據(jù)，則更為簡單，同上所述。

另一個問題是802.11方式存在暴露終端問題。如圖4所示，如果節(jié)點S1向節(jié)點R1發(fā)送RTS，則節(jié)點S3收到節(jié)點S1的RTS并會保持沉默，同一時間內(nèi)不會發(fā)送數(shù)據(jù)。但在實際情況下，節(jié)點S3向節(jié)點R3發(fā)送數(shù)據(jù)，并不影響節(jié)點S1向節(jié)點R1發(fā)送數(shù)據(jù)。Q-TDMA協(xié)議可以保證節(jié)點S3在收到RTS后，仍能發(fā)送RTS或數(shù)據(jù)給節(jié)點R3。這樣就解決了暴露終端問題。

3.3 延遲分析

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中傳遞一個分組，其每跳傳遞的延遲[8]包括如下：

載波偵聽時延（Tcs）為發(fā)送節(jié)點進行載波偵聽時花費的時間，載波偵聽時延大小由競爭窗口大小決定。

退避時延（Tb）為節(jié)點偵聽到另外一個或者發(fā)生碰撞而導(dǎo)致載波偵聽時所產(chǎn)生的時延。

傳輸時延（Ttx）由信道帶寬以及所采用的分組長度和編碼方案決定。

傳播時延（Tprop）由發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離決定。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通信距離通常很短，因此通常忽略傳播延遲。

處理時延（Tproc）為節(jié)點在將所收分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個轉(zhuǎn)發(fā)跳之前對該分組所作處理而花費的時間。

排隊時延（Tqueue）依賴于流量載荷。在重載荷情形下，排隊延遲變成一個支配因素。

上述時延是采用IEEE 802.11協(xié)議的多跳網(wǎng)絡(luò)的固有時延。

TDMA協(xié)議時延主要包括排隊延遲Tqueue，傳輸時延（時隙的大小Tslot），第n個轉(zhuǎn)發(fā)跳的時隙等待時延（Twait，n），處理時延Tproc。

Q-TDMA協(xié)議時延主要包括排隊延遲Tqueue，固定大小的監(jiān)聽競爭延遲Tfixed，傳輸時延（數(shù)據(jù)時隙的大小TDATAslot），第n個轉(zhuǎn)發(fā)跳的時隙等待延遲（Twait，n），處理時延Tproc。

下面將從不同負(fù)載下分析在M跳網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的時延。首先假設(shè)3種協(xié)議的傳輸時延相等。在流量負(fù)載較?。ㄒ粋€幀周期內(nèi)有一個數(shù)據(jù)包）時，沒有排隊延遲和退避延遲，另外假定傳播延遲和處理延遲可以忽略不計。在這種情形下，Q-TDMA協(xié)議的延遲為：

從公式（6）、（7）、（8），可以得到TDMA協(xié)議與IEEE 802.11協(xié)議的端到端延遲比較取決于M跳的時隙等待時延和M跳的載波偵聽時延；Q-TDMA協(xié)議的端到端延遲比TDMA多了M個固定大小的監(jiān)聽競爭時延。

在流量負(fù)載較大時，IEEE 802.11因為碰撞導(dǎo)致偵聽時延Tcs，n（第n個轉(zhuǎn)發(fā)的偵聽時延）和退避時延Tb增大，使得端到端的延遲很大。Q-TDMA協(xié)議能夠根據(jù)隊列的長度來復(fù)用時隙，從而可以有效地減少隊列延遲，并彌補了固定大小的監(jiān)聽競爭時延。

在低負(fù)載下，Q-TDMA協(xié)議端到端延遲高于TDMA協(xié)議。在高負(fù)載下，Q-TDMA協(xié)議端到端延遲低于TDMA協(xié)議和IEEE 802.11協(xié)議（見仿真實驗圖9）。

4 仿真及分析

將該協(xié)議與IEEE 802.11和傳統(tǒng)的TDMA進行對比。

4.1 評價指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)吞吐量：網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點每秒成功接收位數(shù)。端到端延遲：數(shù)據(jù)包從源節(jié)點發(fā)送出去，到目的節(jié)點收到數(shù)據(jù)包所消耗的時間。

4.2 仿真參數(shù)的設(shè)定

仿真工具采用NS2[9]，仿真的參數(shù)如表1。

表1 仿真參數(shù)表

4.3 仿真結(jié)果分析

本文在不同場景設(shè)置下仿真，并對吞吐量、端到端延遲進行分析。

4.3.1 吞吐量仿真及分析

26個節(jié)點隨機分布在500 m×500 m場景下，仿真時間為80 s。本文根據(jù)不同數(shù)目的發(fā)送節(jié)點（不同負(fù)載和競爭下），來分析比較在不同的生成數(shù)據(jù)包時間間隔下，3種協(xié)議吞吐量的變化。

圖5所示，當(dāng)生成數(shù)據(jù)包時間間隔在[0.13，0.11]之間時，3種協(xié)議隨著生成數(shù)據(jù)包間隔的減少，吞吐量呈線性增加。生成數(shù)據(jù)包時間間隔在[0.11，0.01]之間時，TDMA的吞吐量不變，且非常低，這是因為傳統(tǒng)的TDMA只能在自己時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，不能復(fù)用時隙，信道利用率低。由于網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點很少，競爭強度很低，802.11充分利用信道，所以802.11吞吐量要高于TDMA。由于Q-TDMA存在固定監(jiān)聽和競爭時間，并比802.11的握手交換消耗的時間要長，所以Q-TDMA的吞吐量低于802.11的吞吐量。與TDMA相比，Q-TDMA復(fù)用了時隙，因此Q-TDMA吞吐量高于TDMA。

圖5 發(fā)送節(jié)點為5個時的吞吐量

圖6所示，當(dāng)生成數(shù)據(jù)包時間間隔在[0.15，0.11]之間時，Q-TDMA、802.11和TDMA的吞吐量隨著生成數(shù)據(jù)包時間間隔的減少而增加，并且3種協(xié)議的吞吐量大致相等。這是由于在這個時間間隔范圍內(nèi)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的能力低于節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的能力。生成數(shù)據(jù)包間隔在[0.11，0.01]之間時，Q-TDMA的每個節(jié)點可以保證在一個周期有一個固定的時隙來發(fā)送數(shù)據(jù)，同時也可以復(fù)用時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，因此它的吞吐量要高于802.11和TDMA。

圖6 發(fā)送節(jié)點為20個時的吞吐量

圖7表示網(wǎng)絡(luò)中存在25個發(fā)送節(jié)點時，在這種高競爭、高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)中，3種協(xié)議吞吐量的變化。由于802.11發(fā)送碰撞的概率非常大，它消耗大量的時間在數(shù)據(jù)重傳上，Q-TDMA和TDMA中每個節(jié)點在一個周期內(nèi)有一次固定的發(fā)送機會，所以在整個的發(fā)送間隔[0.14，0.05]中，Q-TDMA和TDMA的吞吐量都高于802.11。又由于Q-TDMA還可以根據(jù)節(jié)點的負(fù)載情況競爭復(fù)用時隙，所以Q-TDMA的吞吐量比TDMA要高。

圖7 發(fā)送節(jié)點為25個時的吞吐量

4.3.2 延遲仿真及分析

18個節(jié)點分布在1 000 m×500 m的場景下，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

從0 s開始，網(wǎng)絡(luò)中啟動第一條數(shù)據(jù)流（0～5）。隨后，每50 s增加一條的數(shù)據(jù)流（7～6，8～7，12～6，13～7，14～8，4～10，15～9，16～10），本文統(tǒng)計不同數(shù)目數(shù)據(jù)流下，節(jié)點0到節(jié)點5數(shù)據(jù)包的平均端到端延遲，仿真時間為450 s。

圖9表示隨著數(shù)據(jù)流數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)中平均端到端延遲的變化。在整個過程中，802.11隨著數(shù)據(jù)流個數(shù)的增加，競爭節(jié)點會相繼增加，平均的端到端延遲逐漸增加。當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)目增加到7條時，TDMA協(xié)議延遲突然增大，這是因為數(shù)據(jù)包在節(jié)點4上出現(xiàn)了隊列排隊延遲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的端到端延遲增加；與TDMA相比，由于Q-TDMA可以復(fù)用時隙，數(shù)據(jù)包在節(jié)點4上沒有產(chǎn)生額外的隊列排隊延遲，所以Q-TDMA的延遲保持不變。

圖9 平均端到端延遲

5 結(jié)論

本文提出了一種競爭與固定分配相結(jié)合的Q-TDMA協(xié)議。它將TDMA與同步CSMA/CA機制相結(jié)合，并根據(jù)本節(jié)點的負(fù)載情況來選擇競爭信道。從NS2仿真實驗可以看出，與IEEE 802.11和傳統(tǒng)的TDMA相比，Q-TDMA協(xié)議有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了端到端的延遲。在今后的研究中，還需要對Q-TDMA做進一步的理論分析和驗證，設(shè)計更加復(fù)雜的仿真和實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

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PAN Peng,GUO Dawei,LIU Hang,WANG Peng

西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710129

School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710129,China

Queue-length based Time Division Multiple Access（Q-TDMA）is a new Media Access Control（MAC）protocol.Its purpose is to resolve poor throughput for IEEE 802.11 with high competition and TDMA with low loads.TDMA protocol can guarantee that each node has a chance to send in a cycle,while synchronous Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance（CSMA/CA）mechanism can solve the hidden terminal and exposed terminal problem.Combining with the advantages of TDMA and synchronous CSMA/CA mechanism,Q-TDMA demands that node needs to contend to access channel based on its'own queue length.According to the simulation results,Q-TDMA improves the network throughput and reduces end to end delay.

Ad hoc network;Time Division Multiple Access（TDMA）;Media Access Control（MAC）;Queue-length based TDMA（Q-TDMA）

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1109-0068

PAN Peng,GUO Dawei,LIU Hang,et al.New combination of contention and allocation MAC protocol.Computer Engineering and Applications,2013,49（7）：76-80.

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金資助項目（No.Z2011052）。

潘鵬（1985—），男，碩士研究生，研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議以及路由協(xié)議；郭達(dá)偉（1968—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信息安全、網(wǎng)絡(luò)化控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方向的研究工作；劉航（1973—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事密碼硬件與嵌入式系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同開發(fā)的研究與應(yīng)用；王鵬（1985—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。E-mail：5829panpeng@163.com

2011-09-05

2011-10-30

1002-8331（2013）07-0076-05

CNKI出版日期：2012-01-16 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120116.0928.063.html