短波自組織網(wǎng)絡(luò)HFMACA協(xié)議研究

王洪民，脫永軍，陳勁堯，白 翔

(1.海軍信息化部，北京100841;2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種自組織的對等式網(wǎng)絡(luò)，又稱作多跳網(wǎng)絡(luò)(Multi－h(huán)op Network)或稱自組織網(wǎng)絡(luò)(Self－ organized Network)［1］。自組織網(wǎng)絡(luò)具有分布式、無中心、自組織、節(jié)點可移動等特點［2］，在軍事通信、野外通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景［3］。短波自組織網(wǎng)絡(luò)和其他無線網(wǎng)絡(luò)相比，其采用的短波信道存在著信道帶寬有限，信道速率低、時變、衰落和多徑等特性。因此短波鏈路具有誤碼率較高、不穩(wěn)定、存在單向信道和距離無關(guān)等特性。

因此，如何解決多個用戶高效、合理地共享有限的短波信道資源這一問題，即媒介訪問控制(MAC)協(xié)議的設(shè)計是短波自組織網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。其好壞直接影響到網(wǎng)絡(luò)容量、時延等性能指標(biāo)的優(yōu)劣。

短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)分布式控制。在類似于蜂窩移動通信系統(tǒng)中使用的有中心的信道接入技術(shù)是由中心控制點來協(xié)調(diào)節(jié)點間信道的分配。而在自組織網(wǎng)中，沒有中心控制實體進(jìn)行全局的資源管理與分配，只能采用分布式的控制機制來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點接入的協(xié)調(diào)，增加了協(xié)議設(shè)計的難度。

2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。自組織網(wǎng)中的節(jié)點通常會處于移動狀態(tài)，并且隨機地離開或加入網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致節(jié)點間相互干擾關(guān)系的改變。同時，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)負(fù)荷也在不斷變化，有時很輕，有時很重。自組織網(wǎng)的MAC接入?yún)f(xié)議應(yīng)當(dāng)適應(yīng)這些動態(tài)變化，以獲得優(yōu)良的性能。

3)隱藏終端和暴露終端問題［4］。自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動性和多跳性帶來了隱藏終端和暴露終端的問題。隱藏終端是指在接收者通信范圍之內(nèi)，而在發(fā)送者的通信范圍之外的節(jié)點。暴露終端是指在接收者通信范圍之外，而在發(fā)送者通信范圍之內(nèi)的節(jié)點。由于發(fā)送者看不到隱藏終端，所以其存在可能造成數(shù)據(jù)沖突，而暴露終端的出現(xiàn)則可能會使網(wǎng)絡(luò)資源無法得到充分的利用。

文中在MACAW(Multiple Access Collision A-voidance for Wireless，無線多路訪問碰撞回避)［5］協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對短波網(wǎng)絡(luò)的特點進(jìn)行了改進(jìn)，提出了短波多路訪問碰撞回避協(xié)議HFMACA，并對其進(jìn)行了仿真分析，在短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的研究和設(shè)計上進(jìn)行了初步的探索。

1 MACAW協(xié)議簡介

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)協(xié)議是對MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改進(jìn)，除了保留MACA中的RTS(Request to Send，請求發(fā)送)－CTS(Clear to Send，允許發(fā)送)握手機制外，還增加了其他的控制信令，包括 ACK(Acknowledgment，數(shù)據(jù)響應(yīng))、DS(Data Sending，數(shù)據(jù)發(fā)送)、RRTS(Request for Request to Send，發(fā)送RTS的請求)，以進(jìn)一步解決隱藏終端和暴露終端帶來的各種問題。

MACAW協(xié)議的主要設(shè)計原理如下。

1)鏈路層采用5次握手的確認(rèn)機制:MACAW采用RTS－CTS－DS－DATA－ACK五次握手機制。如果發(fā)送方超時沒有收到接收方回應(yīng)的CTS消息，則重發(fā)RTS消息;如果接收方接收到數(shù)據(jù)，則向發(fā)送方反饋ACK消息，否則反饋CTS消息。發(fā)送方重發(fā)RTS消息時，如果超時沒有收到數(shù)據(jù)，則退避計數(shù)器的值增加;如果收到ACK，則退避計數(shù)器的值減小;如果收到CTS，退避計數(shù)器的值不變。采用這種方法進(jìn)一步提高了信道的利用率。

2)采用DS幀以減少可能由隱藏終端帶來的沖突:在成功交互RTS和CTS后，由發(fā)送方發(fā)出DS幀，通知隱藏終端本節(jié)點與目的節(jié)點握手成功，減少數(shù)據(jù)幀的沖突。

3)采用RRTS幀提高競爭的公平性:當(dāng)暴露終端不斷的收到RTS，而這些RTS消息又不是針對自己的時，將一直保持退避狀態(tài)，無法獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，造成資源使用的不公平現(xiàn)象。為解決此問題，已經(jīng)獲得發(fā)送機會的節(jié)點在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，發(fā)起RRTS消息，通知鄰近的暴露終端新的競爭期開始，收到RRTS的節(jié)點可立即發(fā)送RTS，從而提高了競爭效率，此時協(xié)議采用 RRTS－RTS－CTS－DSDATA－ACK六次握手的交互方式。

4)使用乘法增加線性減少的退避算法:在發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，報文中攜帶本站的退避計數(shù)器值，收到報文的站根據(jù)此值在本地設(shè)置相同的退避計數(shù)器值。當(dāng)傳輸完成后，所有的退避計數(shù)器恢復(fù)到最小值。同時使用乘法增加線性減少退避算法(MILD，Multiplicative Increase and Linear Decrease)，計數(shù)器值以1.5的比例增加，以1的步長減少。此外，可以為不同的目的站維護(hù)多個退避計數(shù)器值。通過這些措施，在一定程度上解決了公平性問題。

從以上分析可以看出，MACAW協(xié)議的優(yōu)點是設(shè)計了較為完備的信令交互機制，最大可能的避免了數(shù)據(jù)沖突，同時在競爭的公平性方面也有較全面的考慮。但該機制應(yīng)用在短波通信中時，則存在控制信息交互次數(shù)太多的缺點，一方面由于無線設(shè)備的發(fā)送和接收都需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這將顯著地降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，另一方面，由于短波具有誤碼率較高以及時變的特點，一次通信的流程越復(fù)雜，其失敗的概率也就越高，因此，有必要針對短板特點對MACAW協(xié)議進(jìn)行簡化。

2 HFMACA協(xié)議研究

2.1 HFMACA協(xié)議基本思想

HFMACA協(xié)議同樣使用控制幀握手來基本解決隱藏終端和暴露終端的問題，并在發(fā)生沖突時使用MILD退避算法進(jìn)行退避。該協(xié)議在MACAW協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對短波網(wǎng)絡(luò)的特點進(jìn)行了改進(jìn)，在保留了MACAW協(xié)議信道訪問控制的機制的基礎(chǔ)上，簡化了節(jié)點間的握手和交互過程，進(jìn)一步提高了協(xié)議的效率。

2.2 HFMACA協(xié)議運行機制

HFMACA協(xié)議使用了以下四種幀，分別是:請求發(fā)送(RTS，Request to Send)、允許發(fā)送(CTS，Clear to Send)、數(shù)據(jù)發(fā)送(DS，Data Sending)和上層的數(shù)據(jù)(Data)。除了Data外，所有的控制幀都有一個退避值字段，收到控制幀的非目的節(jié)點均要拷貝下這個值并退避相應(yīng)時間。數(shù)據(jù)通過RTS－CTSDS－DATA四次握手過程完成傳遞，消息交換示意圖如圖1所示。

圖1 HFMACA消息交互示意Fig.1 Message exchange schematic diagram of HFMACA

在圖1中，節(jié)點C在A的通信范圍之外，節(jié)點D在B的通信范圍之外。當(dāng)A給B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方式為RTS－CTS－DS－DATA。RTS和CTS為固定長度，用于預(yù)約信道。A在收到CTS后先發(fā)送DS通知鄰近站點(D和E)退避，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，基本解決暴露終端和隱藏終端的干擾。除了接收節(jié)點以外，收到幀的節(jié)點拷貝幀中的退避值并設(shè)置定時器進(jìn)行退避。例如:

1)在A的范圍內(nèi)，B范圍外的節(jié)點D，在收到A發(fā)出的RTS時，拷貝RTS中退避值并設(shè)置定時器保持靜默狀態(tài)，以便讓A順利發(fā)送RTS和收到CTS;若收到的是DS，那么拷貝DS中的退避值并設(shè)置定時器保持靜默狀態(tài)，以便讓A順利發(fā)送DATA。

2)在A的范圍外，B范圍內(nèi)的節(jié)點C，在收到B發(fā)出的CTS后知道信道被預(yù)定，拷貝CTS中的值并設(shè)置定時器保持靜默狀態(tài)，以便讓B順利收到DATA。同時在A和B范圍內(nèi)的節(jié)點E在收到RTS或CTS或DS時都要設(shè)置定時器并保持靜默狀態(tài)足夠長的時間，以便讓AB間的通信順利進(jìn)行。

HFMACA協(xié)議中的退避算法采用的是MILD算法，即乘法遞增線性遞減算法。由于HFMACA協(xié)議采用信道預(yù)約的方法，所以只有發(fā)送RTS時需要競爭信道。首先根據(jù)節(jié)點數(shù)和業(yè)務(wù)量選擇一個原始退避時間間隔x，當(dāng)檢測到?jīng)_突時，將退避間隔時間調(diào)整為原退避時間間隔的 1.5倍，Tinc(x)=min［1.5x，BOmax］，其中的 BOmax為最大退避時間間隔;每成功完成一次發(fā)送，就將退避間隔時間調(diào)整為原退避時間間隔減 1，Tdec(x)=min［x－1，BOmax］。

在該協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級分為4級，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)需要優(yōu)先發(fā)出，采用以下方法:對每一個優(yōu)先級，設(shè)定一個退避時間間隔增量Δt，優(yōu)先級越高的退避時間間隔越短。最高優(yōu)先級1退避時間間隔可設(shè)置為0，即 Δt1=0;其它 Δt1＜Δt2＜Δt3＜Δt4。實際的退避時間取值為x+Δt;若發(fā)生沖突，退避時間為Tinc(x)+Δt;若成功完成一次發(fā)送，退避時間調(diào)整為 Tdec(x)+Δt。

綜上，HFMACA協(xié)議與MACAW協(xié)議相比，主要做出了如下的改進(jìn):

1)MACAW協(xié)議中的ACK一方面用于表示一次數(shù)據(jù)傳輸過程的結(jié)束，另一方面用于對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行確認(rèn)。在HFMACA中，由于在DS幀中增加了退避時間字段，用于保證DATA的傳輸不受干擾，當(dāng)退避時間結(jié)束后，即可進(jìn)行新一輪競爭，而不需要等待ACK消息。需要說明的是，HFMACA協(xié)議不提供數(shù)據(jù)的可靠性保證，數(shù)據(jù)的確認(rèn)及是否重傳等由上層應(yīng)用負(fù)責(zé)。

2)去掉了RRTS幀，減小了協(xié)議的復(fù)雜性。雖然由此有可能帶來資源使用不公平的問題，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，該問題不算明顯，因此HFMACA協(xié)議適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

2.3 HFMACA協(xié)議性能分析

(1)網(wǎng)絡(luò)容量

HFMACA協(xié)議采用了基于RTS－CTS的請求應(yīng)答握手機制來競爭信道使用權(quán)，網(wǎng)絡(luò)的容量和業(yè)務(wù)量的多少以及頻繁程度密切相關(guān)。在業(yè)務(wù)量較少，且發(fā)送頻度較低時，網(wǎng)絡(luò)可以支持大量用戶同時在網(wǎng)，同時節(jié)點入網(wǎng)不需要額外的開銷和協(xié)議，開機即入網(wǎng)。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增加或網(wǎng)絡(luò)中各點的業(yè)務(wù)比較平均時，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點發(fā)生碰撞的概率大大增加，雖然可以通過退避機制來在一定程度上解決沖突問題，但是勢必會浪費大量的時間，業(yè)務(wù)傳輸?shù)某晒β室矔蟠笙陆?。因此，在需要保證業(yè)務(wù)的成功率和業(yè)務(wù)頻度的條件下，網(wǎng)絡(luò)的容量不可能太大。

經(jīng)過仿真分析，信道誤碼率在10－3量級，速率2 400 b/s，業(yè)務(wù)長度1 KB時，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目、業(yè)務(wù)密度與業(yè)務(wù)成功率之間的關(guān)系如表1所示。表1中的業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時間指的是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點根據(jù)業(yè)務(wù)間隔時間發(fā)起1 K字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)發(fā)送的時間點將在業(yè)務(wù)間隔時間到時附近±5%波動。

表1 用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)密度與業(yè)務(wù)成功率間關(guān)系Table 1 Relationship between user number，traffic density and traffic success rate

可以看出，用戶數(shù)量增加后，隨著業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時間縮短，業(yè)務(wù)性能下降。如果網(wǎng)絡(luò)需要支持32個節(jié)點，且要求業(yè)務(wù)成功率為80%左右，則網(wǎng)絡(luò)只能支持稀疏業(yè)務(wù)，即業(yè)務(wù)發(fā)送的間隔時間不能低于20 min。

(2)業(yè)務(wù)傳輸時延

在HFMACA網(wǎng)絡(luò)中，如果只考慮發(fā)送成功的業(yè)務(wù)的傳輸時延。這個時延將會是節(jié)點競爭信道的時間+業(yè)務(wù)在信道上傳輸?shù)臅r間。根據(jù)協(xié)議設(shè)計的原則，節(jié)點在第一次競爭失敗時，將會退避一段時間再次競爭，如果3次競爭失敗，則本次業(yè)務(wù)失敗。

因此，對于HFMACA網(wǎng)絡(luò)來說，業(yè)務(wù)傳輸時延將會是一個相對比較固定的數(shù)值，最小是:TRTS+TCTS+TDS+TData，約為3.6 s，而最大是 3 × (TRTS+TCTS+TDS)+T退避1+T退避2+TData，這個時間主要取決于原始退避時間，可能會在一定范圍內(nèi)波動。

當(dāng)信道誤碼率在10－3量級，業(yè)務(wù)長度為1 KB時，32個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)在不同速率，不同業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時間下，業(yè)務(wù)傳輸時延情況如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)傳輸時延Table 2 Traffic delay(unit:second)

可以看出，業(yè)務(wù)發(fā)送頻率大于10 min時，業(yè)務(wù)傳輸時延基本保持平穩(wěn)，進(jìn)一步減少業(yè)務(wù)間隔時間后，時延明顯增大。

3 結(jié)語

MAC層接入?yún)f(xié)議的作用是使多個用戶高效、合理地共享有限的信道資源。短波自組織網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點移動、分布式控制、鏈路誤碼率較高、不穩(wěn)定等特點，其MAC層接入?yún)f(xié)議的設(shè)計面臨許多新的挑戰(zhàn)。文中針對短波網(wǎng)絡(luò)的特點，對MACAW協(xié)議進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，提出了短波無線多路訪問碰撞回避協(xié)議HFMACA，并對其容量、業(yè)務(wù)成功率、業(yè)務(wù)傳輸時延等性能進(jìn)行了仿真分析，對短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的研究和設(shè)計具有一定的參考意義。

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