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    一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作MAC協(xié)議

    2014-12-26 15:28:52李藍(lán)崔苗
    移動(dòng)通信 2014年22期

    李藍(lán)+崔苗

    【摘 ? ?要】物理層協(xié)作通信技術(shù)的應(yīng)用給媒體接入控制(MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)協(xié)作通信特點(diǎn),提出一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)協(xié)作MAC(ADCO-MAC)協(xié)議?;谧疃搪窂剿惴?,在源、目的節(jié)點(diǎn)之間選擇最佳的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件,可自適應(yīng)選擇是否進(jìn)行協(xié)作傳輸。利用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)ADCO-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真。通過(guò)仿真結(jié)果表明,ADCO-MAC協(xié)議在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率方面性能有顯著提升。

    【關(guān)鍵詞】Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) ? ?協(xié)作通信 ? ?MAC協(xié)議

    中圖分類號(hào):TN929.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1006-1010(2014)-22-0040-06

    A Novel Cooperative MAC Protocol for Ad Hoc Networks

    LI Lan1, CUI Miao1,2

    (1. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China;

    2. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

    [Abstract]?The application of cooperative communication technology on physical layer introduces great challenges to MAC protocol design. Based on the characteristics of cooperative communication, an adaptive cooperative MAC (ADCO-MAC) protocol for ad hoc networks is proposed. Based on shortest path algorithm, ADCO-MAC protocol selects the best cooperative node between source node and destination node. While ADCO-MAC protocol adaptively chooses whether cooperative transmission or not according to network conditions. The network simulation of ADCO-MAC protocol is carried out using OPNET. Simulation results show that the performance of ADCO-MAC protocol improves significantly in terms of throughput, end to end delay and reception success rate.

    [Key words]ad hoc network ? ?cooperative communication ? ?MAC protocol

    1 ? 引言

    在多用戶通信環(huán)境中,使用單副天線的各臨近移動(dòng)用戶(節(jié)點(diǎn))可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)作發(fā)送,從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境,獲得空間分集增益,極大地提高系統(tǒng)傳輸性能。這種通信方式因?yàn)樾枰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間密切的配合協(xié)作,所以稱為協(xié)作通信(Cooperative Communication)或協(xié)作分集(Cooperative Diversity)。協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,利用節(jié)點(diǎn)天線間信道獨(dú)立性進(jìn)行分集收發(fā),能夠減少節(jié)點(diǎn)對(duì)信道變化的敏感程度,改善系統(tǒng)容量或者抗干擾能力。而且即使在節(jié)點(diǎn)間信道存在噪聲的情況下,通過(guò)虛擬的空間分集,協(xié)作通信技術(shù)也能為系統(tǒng)性能的提高帶來(lái)好處[1-3]。

    協(xié)作通信技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和良好性能還需合理的設(shè)計(jì)高層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn),如MAC層協(xié)議。在分布式網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的退避機(jī)制(如IEEE 802.11的CSMA/CA協(xié)議)被設(shè)計(jì)成在同一時(shí)刻一跳范圍內(nèi)只能接受一對(duì)用戶通信,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突時(shí),提高其競(jìng)爭(zhēng)窗口;另一方面,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功后,競(jìng)爭(zhēng)窗口減小。如果在協(xié)作通信系統(tǒng)中采用這種退避機(jī)制,不僅不能體現(xiàn)公平性,而且極大地降低了吞吐量。因此,在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中如何將協(xié)作分集能力同MAC協(xié)議設(shè)計(jì)相結(jié)合,能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[4-6]。

    本文提出了一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議。該協(xié)議具有以下特點(diǎn):根據(jù)實(shí)際信道特點(diǎn),自適應(yīng)選擇傳輸方式;通過(guò)最短路徑樹算法選擇潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼傳遞;高速率節(jié)點(diǎn)協(xié)助低速率節(jié)點(diǎn)完成傳輸;多副本信息聯(lián)合處理提升網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)能力。

    2 ? 相關(guān)工作

    基于IEEE 802.11協(xié)議,P.Liu等人首先提出了一種CoopMAC協(xié)議[6],每個(gè)節(jié)點(diǎn)將維護(hù)一張協(xié)同表,其中包括源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的速率、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的速率、表項(xiàng)更新時(shí)間等,當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí),首先查找該協(xié)同表來(lái)判斷是否有可以利用的協(xié)作節(jié)點(diǎn),從而決定是否采用協(xié)作傳輸。當(dāng)需要協(xié)作時(shí),源節(jié)點(diǎn)S首先發(fā)送請(qǐng)求協(xié)作發(fā)送幀(CoopRTS);Helper節(jié)點(diǎn)H在正確收到CoopRTS后,判斷是否能夠支持源節(jié)點(diǎn)所期望的傳輸速率,如果可以即發(fā)送協(xié)作節(jié)點(diǎn)確認(rèn)發(fā)送幀(HTS);最后目的節(jié)點(diǎn)D回復(fù)確認(rèn)發(fā)送幀(CTS),從而靜默了周圍其他的鄰節(jié)點(diǎn),成功預(yù)約到信道的使用權(quán),并由它高速地轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不需要協(xié)作傳輸以及不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí),則使用傳統(tǒng)的802.11協(xié)議。endprint

    文獻(xiàn)[6]提出了“按需”的協(xié)作MAC協(xié)議,協(xié)議中節(jié)點(diǎn)并不維護(hù)任何協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信息,當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí),通過(guò)源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送RTS(Request to Send,請(qǐng)求發(fā)送)信息,目的節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)CTS(Clear to Send,清除發(fā)送)信息,那么潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過(guò)這兩個(gè)握手信息即可獲得源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的信道信息:Hsr和Hrd。協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置退避時(shí)間T來(lái)競(jìng)爭(zhēng)參與協(xié)作,T是Hsr和Hrd反比例函數(shù),當(dāng)退避計(jì)時(shí)器減為零時(shí),協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送同意中繼幀(RTR)。但是,該協(xié)議在預(yù)約協(xié)作節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生碰撞,從而導(dǎo)致整個(gè)握手過(guò)程失敗。

    F.Liu等提出相應(yīng)的增強(qiáng)型CoopMAC協(xié)議[7],該協(xié)議采用MAC-PHY聯(lián)合的跨層架構(gòu),其握手過(guò)程以及信息傳輸過(guò)程和CoopMAC協(xié)議基本一致。目的節(jié)點(diǎn)收到分別來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的復(fù)制包和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的復(fù)制包,將其聯(lián)合處理,從而判斷選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為最終的協(xié)作節(jié)點(diǎn)以及下一跳采用什么傳輸速率。其仿真結(jié)果相較于原始CoopMAC協(xié)議吞吐量提高了10%,但是該協(xié)議對(duì)硬件設(shè)備有更高的要求。

    綜上所述,在最早提出的CoopMAC協(xié)議中僅僅利用了802.11的多速率傳輸特性,而當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)能夠綜合處理分別來(lái)自源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí),才形成了真正意義上的虛擬MIMO系統(tǒng)[8-9]。由于信息來(lái)源于不同的時(shí)間和節(jié)點(diǎn),通信系統(tǒng)可同時(shí)獲得空間分集和時(shí)間分集。通過(guò)分析上述幾種典型的協(xié)作MAC協(xié)議可以看出,針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及不同配置,為提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能,充分利用協(xié)作通信系統(tǒng)的增益,需要針對(duì)具體的網(wǎng)絡(luò)特性設(shè)計(jì)合適的MAC協(xié)議[10]。

    3 ? 協(xié)作MAC協(xié)議思路與實(shí)現(xiàn)

    3.1 ?協(xié)作MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

    ADCO-MAC協(xié)議包括3個(gè)過(guò)程:協(xié)議建立過(guò)程,包括控制包交換和幫助節(jié)點(diǎn)的選擇;接入控制;數(shù)據(jù)傳輸。

    圖1描述單協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模式的處理過(guò)程,圖2描述轉(zhuǎn)發(fā)模式的ADCO-MAC協(xié)議時(shí)序。在隨機(jī)退避之后,源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送1個(gè)RTS分組。RTS分組包含接收節(jié)點(diǎn)(目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn))的識(shí)別碼,這樣只有該RTS分組指定的接收節(jié)點(diǎn)才能夠允許目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS分組及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送HCTS(Helper Clear to Send)來(lái)應(yīng)答該RTS分組。中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到RTS分組后,如果可以協(xié)助本次傳輸,則發(fā)送1個(gè)HCTS分組。目的節(jié)點(diǎn)接收到RTS分組后,設(shè)定1個(gè)定時(shí)器等待接收HCTS分組,若收到HCTS,則本次傳輸為協(xié)作傳輸;若沒(méi)有收到HCTS,則為直接傳輸模式。目的節(jié)點(diǎn)接收到原始數(shù)據(jù)分組,將其保存,收到協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組后,回復(fù)1個(gè)ACK給源節(jié)點(diǎn)。其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到RTS或者CTS、HCTS分組,則推遲其發(fā)送,推遲的時(shí)間由RTS、CTS和HCTS握手控制分組中的NAV(Network Allocation Vector,網(wǎng)絡(luò)分配矢量)來(lái)確定。

    (a)控制包的交互過(guò)程

    (b)數(shù)據(jù)包的交互過(guò)程

    圖1 ? ?協(xié)議中的包流程

    圖2 ? ?協(xié)作協(xié)議時(shí)序圖

    源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)首先確認(rèn)在本次傳輸中是否存在中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)助本次傳輸。為了確定是否存在協(xié)作節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)1個(gè)協(xié)作表(CoopTable)。CoopTable表包括節(jié)點(diǎn)MAC地址、中繼節(jié)點(diǎn)最近收到信息時(shí)間、本節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸速率(表征上次通信信道質(zhì)量),通過(guò)周期性的Hello包和握手過(guò)程的控制包動(dòng)態(tài)更新鄰節(jié)點(diǎn)的最新信息。如果節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的,利用CoopTable表可以檢測(cè)到鄰節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式。協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選取算法采用基于最短路徑算法,如圖3所示:

    (a)候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合

    (b)選擇過(guò)程

    圖3 ? ?最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇

    首先以源節(jié)點(diǎn)為根構(gòu)建樹,所有到源節(jié)點(diǎn)的鏈路被添加到候選對(duì)象列表,然后將候選列表中速率的倒數(shù)(1/R)的值最小的鏈路添加到樹中,如此迭代,可以生成一棵最短路徑樹(這棵樹各枝上的代價(jià)是由1/R來(lái)確定),樹上到目的節(jié)點(diǎn)的枝上那個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)就是被選用的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。此外,本協(xié)議還參考末次通信信道質(zhì)量,在同樣距離的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)中,自適應(yīng)選擇末次通信信道質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)。如果候選節(jié)點(diǎn)的末次通信信道質(zhì)量都比較差,則候選的協(xié)作節(jié)點(diǎn)不發(fā)送HCTS包,因此實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)選擇距離和通信信道質(zhì)量較好的協(xié)作節(jié)點(diǎn),并且隱藏節(jié)點(diǎn)的數(shù)量得到一定程度減少。如果無(wú)中繼節(jié)點(diǎn),則按照IEEE 802.11 MAC協(xié)議進(jìn)行傳輸。

    3.2 ?ADCO-MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)步驟

    ADCO-MAC協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

    步驟1:源節(jié)點(diǎn)完成退避后,首先根據(jù)和目的節(jié)點(diǎn)的直接傳輸速率來(lái)判斷是否需要協(xié)作傳輸,如果需要,則進(jìn)入步驟2;否則,進(jìn)入執(zhí)行CSMA/CA操作。源節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。為了保證在多個(gè)候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)能夠收到RTS幀,在RTS幀格式中增加Helper ID域以及本節(jié)點(diǎn)的速率信息域,源節(jié)點(diǎn)通過(guò)查詢CoopTable表,確定是否有候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)。

    步驟2:當(dāng)鄰節(jié)點(diǎn)的速率信息已知時(shí),根據(jù)最短路徑原則選擇Helper節(jié)點(diǎn);否則,源節(jié)點(diǎn)僅利用以往監(jiān)聽到的節(jié)點(diǎn)間的速率信息來(lái)選擇Helper節(jié)點(diǎn)。如果存在協(xié)作節(jié)點(diǎn),則進(jìn)入步驟3;否則,執(zhí)行CSMA/CA操作。

    步驟3:源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS信息。

    步驟4:協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到正確的RTS且自身處于空閑狀態(tài),則立即回復(fù)HCTS;否則,不發(fā)送任何信息。

    步驟5:目的節(jié)點(diǎn)正確收到RTS,設(shè)定時(shí)器Tr等待接收HCTS。若在Tr時(shí)間內(nèi)正確接收到HCTS后取消Tr,則在回復(fù)CTS包中標(biāo)識(shí)采用協(xié)作傳輸模式;若在Tr時(shí)間內(nèi)沒(méi)有正確接收到HCTS,則在回復(fù)CTS包中標(biāo)識(shí)采用直接傳輸模式。目的節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。endprint

    步驟6:源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式,源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則,再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后,偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

    步驟7:協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間,發(fā)送DATA_Help。

    步驟8:如果采用協(xié)作傳輸模式,目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后,回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式,則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

    4 ? 仿真與分析

    采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò),每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址,業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式,發(fā)包間隔為0.3s,包大小為1 024bytes,高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析,仿真參數(shù)具體如表1所示:

    表1 ? ?仿真參數(shù)

    參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

    Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

    *500m Hello包發(fā)送間隔 1s

    SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

    DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

    CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

    CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

    數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

    Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

    大小 1 024

    bytes

    圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果,由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果,由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制,當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí),就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出,2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定,ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%,這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸,從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包,極大地提高了傳輸可靠性。同樣地,CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1,就會(huì)發(fā)生碰撞,這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳,降低了信道的利用率,因此時(shí)延性能較差,如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸,時(shí)延上得到了顯著降低,其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外,同樣原因采用本協(xié)議時(shí),丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率,如圖8所示。

    圖6 ? ?吞吐量仿真

    5 ? 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸,在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善,極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況,多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

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    [9] Ting Zhou, Hamid Sharif, Michael Hempel, et al. A Novel Adaptive Distributed Cooperative Relaying MAC Protocol for Vehicular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(1).

    [10] 盛敏,張琰,李建東. 分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議[J]. 中興通訊技術(shù), 2010,16(1): 28-31.endprint

    步驟6:源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式,源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則,再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后,偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

    步驟7:協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間,發(fā)送DATA_Help。

    步驟8:如果采用協(xié)作傳輸模式,目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后,回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式,則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

    4 ? 仿真與分析

    采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò),每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址,業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式,發(fā)包間隔為0.3s,包大小為1 024bytes,高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析,仿真參數(shù)具體如表1所示:

    表1 ? ?仿真參數(shù)

    參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

    Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

    *500m Hello包發(fā)送間隔 1s

    SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

    DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

    CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

    CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

    數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

    Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

    大小 1 024

    bytes

    圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果,由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果,由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制,當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí),就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出,2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定,ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%,這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸,從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包,極大地提高了傳輸可靠性。同樣地,CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1,就會(huì)發(fā)生碰撞,這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳,降低了信道的利用率,因此時(shí)延性能較差,如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸,時(shí)延上得到了顯著降低,其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外,同樣原因采用本協(xié)議時(shí),丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率,如圖8所示。

    圖6 ? ?吞吐量仿真

    5 ? 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸,在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善,極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況,多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

    參考文獻(xiàn):

    [1] Andrew Sendonaris, Elza Erkip, Behnaam Aazhang. User Cooperation Diversity-Part II: Implementation Aspects and Performance Analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003,11(51): 1927-1938.

    [2] J Nicholas Laneman, David N C Tse, Gregory Wornell. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2004,12(50): 3062-3080.

    [3] K J Ray Liu, Ahmed K Sadek, Weifeng Su, et al. 協(xié)作通信及網(wǎng)絡(luò)[M]. 任品毅,等譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

    [4] Jaeshin Jang, DukHee Yoon, Sang Wu Kim. Performance Evaluation of a Cooperative MAC Protocol at Ad Hoc Networks[A]. Advanced Communication Technology (ICACT), 2010 The 12th International Conference on IEEE[C]. 2010: 920-925.

    [5] TAO Guo, CARRASCOR, WAiLok Woo. Performance of a Cooperative Relay-Basedauto-Rate MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[A]. Proceedings of the 67th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring08)[C]. 2008: 11-15.

    [6] Pei Liu, Zhifeng Tao, Sathya Narayanan, et al. CoopMAC: A Cooperative MAC for Wireless LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007,25(2): 340-354.

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    [8] ANSI-IEEE 802.11 Standard: Wirelesslan Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications 802.11[S]. 1999.

    [9] Ting Zhou, Hamid Sharif, Michael Hempel, et al. A Novel Adaptive Distributed Cooperative Relaying MAC Protocol for Vehicular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(1).

    [10] 盛敏,張琰,李建東. 分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議[J]. 中興通訊技術(shù), 2010,16(1): 28-31.endprint

    步驟6:源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式,源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則,再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后,偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

    步驟7:協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間,發(fā)送DATA_Help。

    步驟8:如果采用協(xié)作傳輸模式,目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后,將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后,回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式,則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

    4 ? 仿真與分析

    采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò),每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址,業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式,發(fā)包間隔為0.3s,包大小為1 024bytes,高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析,仿真參數(shù)具體如表1所示:

    表1 ? ?仿真參數(shù)

    參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

    Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

    *500m Hello包發(fā)送間隔 1s

    SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

    DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

    CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

    CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

    數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

    Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

    大小 1 024

    bytes

    圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果,由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果,由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制,當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí),就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出,2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定,ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%,這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸,從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包,極大地提高了傳輸可靠性。同樣地,CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1,就會(huì)發(fā)生碰撞,這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳,降低了信道的利用率,因此時(shí)延性能較差,如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸,時(shí)延上得到了顯著降低,其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外,同樣原因采用本協(xié)議時(shí),丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率,如圖8所示。

    圖6 ? ?吞吐量仿真

    5 ? 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸,在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善,極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況,多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

    參考文獻(xiàn):

    [1] Andrew Sendonaris, Elza Erkip, Behnaam Aazhang. User Cooperation Diversity-Part II: Implementation Aspects and Performance Analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003,11(51): 1927-1938.

    [2] J Nicholas Laneman, David N C Tse, Gregory Wornell. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2004,12(50): 3062-3080.

    [3] K J Ray Liu, Ahmed K Sadek, Weifeng Su, et al. 協(xié)作通信及網(wǎng)絡(luò)[M]. 任品毅,等譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

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    [5] TAO Guo, CARRASCOR, WAiLok Woo. Performance of a Cooperative Relay-Basedauto-Rate MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[A]. Proceedings of the 67th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring08)[C]. 2008: 11-15.

    [6] Pei Liu, Zhifeng Tao, Sathya Narayanan, et al. CoopMAC: A Cooperative MAC for Wireless LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007,25(2): 340-354.

    [7] Liu Feilu, Korakis T, Tao Zhifeng, et al. A MAC-PHY Cross-Layer Protocol for Ad Hoc Wireless Networks[A]. Wireless Communications and Networking Conference[C]. 2008: 1792-1797.

    [8] ANSI-IEEE 802.11 Standard: Wirelesslan Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications 802.11[S]. 1999.

    [9] Ting Zhou, Hamid Sharif, Michael Hempel, et al. A Novel Adaptive Distributed Cooperative Relaying MAC Protocol for Vehicular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(1).

    [10] 盛敏,張琰,李建東. 分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議[J]. 中興通訊技術(shù), 2010,16(1): 28-31.endprint

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