無線自組網(wǎng)定向時分MAC協(xié)議仿真實現(xiàn)與性能分析

朱曉浪 蔡圣所 朱鋼

摘要：該文結(jié)合靜態(tài)TDMA（Time Division Multiple Access）提出了一種定向時分MAC協(xié)議，該協(xié)議將節(jié)點分為中心節(jié)點和普通節(jié)點，普通節(jié)點之間的通信需要中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。所有節(jié)點周期性切換天線方向。當(dāng)中心節(jié)點和普通節(jié)點天線對準(zhǔn)后，先進行RTS和CTS交互，然后傳輸數(shù)據(jù)。最后詳細給出了該協(xié)議在GloMoSim中的實現(xiàn)方法，并對協(xié)議性能進行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：MAC協(xié)議；TDMA；定向時分；GloMoSim

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）01-0044-04

無線自組網(wǎng)（ad hoc networks）是一種新型的無線通信網(wǎng)絡(luò)。由于它具有可靠性高和抗毀性強等優(yōu)點，近年來越來越受到研究者的關(guān)注。媒質(zhì)接入控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議決定著無線信道的接入方式，對ad hoc網(wǎng)絡(luò)的整體性能起著重要影響。因此，MAC協(xié)議一直是ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧研究的重點。

目前ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議根據(jù)天線技術(shù)可以分為基于全向天線和基于定向天線兩類?；谌蛱炀€的MAC協(xié)議有DCF[1]（Distribution Coordination Function）、MACA[2]（Multiple Access with Collision Avoidance）、TDMA[3]等。雖然大部分基于全向天線的MAC協(xié)議得到廣泛應(yīng)用，但近年來，定向天線因其天線增益高，傳輸距離遠等優(yōu)勢贏得了研究人員的廣泛關(guān)注，基于定向天線MAC協(xié)議的設(shè)計與優(yōu)化也成了無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的熱點問題。DMAC[4]（Directional MAC）是最早提出的定向MAC協(xié)議。該協(xié)議基于IEEE802.11，以定向發(fā)送RTS，全向發(fā)送CTS的方式預(yù)約信道，同時DMAC協(xié)議設(shè)置定向網(wǎng)絡(luò)分配矢量（DNAV）減小沖突。相比IEEE802.11，DMAC協(xié)議有較高的吞吐量性能。Takai M[5]等人提出的DVCS（Directional Virtual Carrier Sensing）是一種采用定向RTS/CTS交互的MAC協(xié)議。節(jié)點收到RTS后，通過計算接收功率，調(diào)整天線方向，使天線指向接收功率最大的方向發(fā)送CTS，之后進行定向數(shù)據(jù)傳輸。Roychoudhury R[6]等人提出了一種多跳RTS協(xié)議MMAC（Multi-Hop RTS MAC），該協(xié)議利用定向天線高增益的優(yōu)勢通過多跳RTS建立節(jié)點間的連接，然后定向發(fā)送CTS和DATA/ACK。

本文在靜態(tài)TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種定向時分MAC協(xié)議。收發(fā)節(jié)點周期性切換波束方向，當(dāng)收發(fā)節(jié)點波束相互對準(zhǔn)且在各自分配到的時隙內(nèi)時即可進行數(shù)據(jù)傳輸。該文首先在第2節(jié)中詳細介紹了定向時分MAC協(xié)議規(guī)約。第3節(jié)介紹了該協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境GloMoSim中的實現(xiàn)。第4節(jié)給出了仿真結(jié)果以及定向時分MAC協(xié)議的性能分析。最后對本文進行了總結(jié)。

1 定向時分MAC協(xié)議描述

1.1 靜態(tài)TDMA協(xié)議

靜態(tài)TDMA協(xié)議是最基本的時分多址MAC協(xié)議，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)節(jié)點數(shù)量，將時間軸劃分為一系列時幀，再將時幀劃分為一系列時隙并固定分配給每對收發(fā)節(jié)點。由于每個時隙只有一對收發(fā)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，因此靜態(tài)TDMA協(xié)議具有無沖突的特點。

1.2 定向時分MAC協(xié)議

本文在靜態(tài)TDMA基礎(chǔ)上提出了定向時分MAC協(xié)議，該協(xié)議將節(jié)點分為兩類：中心節(jié)點和普通節(jié)點。普通節(jié)點圍繞中心節(jié)點布置。只有在中心節(jié)點和普通節(jié)點之間才有數(shù)據(jù)傳輸，普通節(jié)點之間的通信都需通過中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。以7個節(jié)點為例（1個中心節(jié)點和6個普通節(jié)點），網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示，節(jié)點7為中心節(jié)點，周期性逆時針切換天線方向，每次變化600，其余6個普通節(jié)點也周期性逆時針切換天線方向。

與靜態(tài)TDMA類似，定向時分MAC協(xié)議也將一個時幀劃分為若干個時隙，時隙數(shù)與普通節(jié)點數(shù)相同，如圖2所示，每個時隙固定分配給普通節(jié)點。首先中心節(jié)點周期性切換天線方向并發(fā)送RTS探測幀；當(dāng)有節(jié)點在自己分配到的時隙內(nèi)收到該探測幀時應(yīng)答CTS；中心節(jié)點收到應(yīng)答幀之后，網(wǎng)絡(luò)層隊列中若有到達該節(jié)點的數(shù)據(jù)包則開始發(fā)送，否則等待對方發(fā)送數(shù)據(jù)包；發(fā)送應(yīng)答幀的節(jié)點在一定時間內(nèi)沒有收到中心節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則自己發(fā)送。假設(shè)各個節(jié)點時間都是同步的，時隙劃分如圖3所示，圖（a）表示一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。圖（b）和圖（c）表示中心節(jié)點和普通節(jié)點之間信道預(yù)約成功的過程。天線最小切換速度必須大于一次RTS幀和CTS幀交互的時間。由于普通節(jié)點之間通信需要靠中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，一般中心節(jié)點的切換速度要大于普通節(jié)點，使得中心節(jié)點能夠較多地與普通節(jié)點進行交互。

引入定向天線后的TDMA協(xié)議采用一種類似輪詢的方式進行信道預(yù)約，中心節(jié)點不需要知道普通節(jié)點的位置信息，也不存在鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)問題，相比其他的定向MAC協(xié)議，具有簡單易行的優(yōu)點。

2 定向時分MAC協(xié)議實現(xiàn)

2.1 仿真環(huán)境

本文仿真采用由加州大學(xué)洛杉磯分校UCLA（University of California in Los Angeles）開發(fā)的無線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境GloMoSim[7]，它是一種基于Parsec[8]（Parallel Simulation Environment for Complex System）語言的離散事件仿真環(huán)境。GloMoSim完全采用OSI體系的分層結(jié)構(gòu)。從應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層到物理層，GloMoSim不僅提供了一些適用于無線自組網(wǎng)的協(xié)議代碼，而且具有良好的可擴展性，能夠讓用戶添加自己設(shè)計的協(xié)議。同時，GloMoSim支持節(jié)點的移動模型。

2.2 仿真實現(xiàn)方法

為了對定向時分MAC協(xié)議的性能進行測試，我們在GloMoSim的MAC層中添加了自己編寫的定向時分MAC協(xié)議代碼，在物理層中添加了模擬天線切換的代碼。

根據(jù)協(xié)議規(guī)約，將時隙狀態(tài)分為三種TDMA_SLOT_STATUS_TR、TDMA_SLOT_STATUS_RT和TDMA_SLOT_STATUS_IDLE。由于中心節(jié)點需要不斷發(fā)送RTS，時隙狀態(tài)設(shè)置會一直是TDMA_SLOT_STATUS_TR，TR表示中心節(jié)點與普通節(jié)點交互成功后先發(fā)數(shù)據(jù)包，后接收普通節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，RT則相反。普通節(jié)點只有當(dāng)時隙狀態(tài)是TDMA_SLOT_STATUS_RT時才能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。仿真開始時，中心節(jié)點除了定時每個時隙外，還要定時發(fā)送RTS。每次RTS發(fā)完后，都要等待CTS的應(yīng)答，若沒有收到CTS，則在下一個天線切換方向時刻重新發(fā)送RTS。當(dāng)收到CTS時，中心節(jié)點取出網(wǎng)絡(luò)層隊列中的數(shù)據(jù)包，判斷是否發(fā)往對方（CTS里包含發(fā)送節(jié)點的地址），若是則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則開啟定時器等待對方發(fā)送。定時器的使用能夠有效防止因等待時間過長導(dǎo)致的時隙浪費。發(fā)送完CTS的普通節(jié)點先定時等待中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)幀或定時器超時后才開始本方的數(shù)據(jù)幀發(fā)送。整個過程必須在一個時隙內(nèi)完成。

RTS和CTS的交互可能出現(xiàn)在時隙的末尾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸無法完成。為避免這種情況的發(fā)生，每次發(fā)送數(shù)據(jù)前，判斷當(dāng)前時刻到時隙結(jié)束這段時間是否能夠進行一次數(shù)據(jù)傳輸，只有滿足這個條件才能發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就進入下一個時隙。時隙長度的選取要大于一次RTS/CTS交互和兩次數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倳r間，盡量保證RTS和CTS能夠在時隙前面部分交互，從而為后面的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留足夠的時間，防止時隙的過度浪費。在仿真中，我們設(shè)置一個時隙長度為多次RTS/CTS交互的時間加上兩次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。

在物理層，我們采用波束切換的天線模型。添加結(jié)構(gòu)體AntennaOrientation，里面有天線方位角，仰角和波束夾角。仿真開始后，物理層定時切換天線方向，中心節(jié)點的天線切換時間與發(fā)送RTS的時間間隔是一致的，按照圖1所示，每次天線方位角改變600。定義了兩個有關(guān)天線的函數(shù)，一個用于鎖住天線，另一個用于解鎖天線。每次發(fā)送或接收數(shù)據(jù)都要鎖住天線，以免在發(fā)送數(shù)據(jù)時切換天線方向影響數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)接收完成后必須解鎖天線，防止下一次切換時間超時，天線仍停留在原方向。發(fā)送RTS前必須檢查天線狀態(tài)，因為定時發(fā)送RTS的時間要小于傳輸數(shù)據(jù)的時間，這樣就能避免在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時發(fā)送RTS。對于數(shù)據(jù)能否接收需根據(jù)兩個節(jié)點所處位置和天線信息作出判斷。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)配置

針對圖1所示的拓撲作分析。具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：

① 網(wǎng)絡(luò)場景配置

在GloMoSim的nodes.input文件中配置如圖1所示的7個節(jié)點， 6個普通節(jié)點圍繞中心節(jié)點構(gòu)成一個正六邊形，中心節(jié)點與普通節(jié)點之間的距離為200m。

② 仿真協(xié)議配置

物理層主要的配置信息如表1所示。所有節(jié)點的天線初始方位角為0，仰角為0。中心節(jié)點天線方向切換速度固定為600/600ms，普通節(jié)點天線方向切換速度為600/7*600ms。為簡化問題，我們認為天線在波束方向上呈圓錐形，增益為1。節(jié)點對應(yīng)接收門限下的傳輸范圍為250m。定向時分MAC協(xié)議的每一時幀劃分為6個時隙，分配給6個普通節(jié)點，每個時隙長度設(shè)為9600us。在routes.in文件中配置靜態(tài)路由信息。應(yīng)用層使用CBR恒定比特率流，節(jié)點1和2，3和4，5和6相互接收來自對方的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包長度為512個字節(jié)，發(fā)包間隔為0.1s，仿真時長為100s。

3.2 結(jié)果分析

在上述仿真參數(shù)配置下，我們得到如圖4所示的仿真結(jié)果。在時隙長度為9.6ms，中心節(jié)點與普通節(jié)點天線切換速度比為7：1的條件下，中心節(jié)點與每個普通節(jié)點的交互比較平均，所以吞吐量非常接近。圖5給出的是在相同參數(shù)配置下，業(yè)務(wù)流從1增加到6得到的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。可以看出吞吐量近似線性變化，業(yè)務(wù)流越多，時隙利用率也越大。圖6給出的是在轉(zhuǎn)速比為7：1的條件下，改變時隙長度所得到的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。從圖中可以清楚地看到網(wǎng)絡(luò)總吞吐量先上升后下降。正如前面所述，增大時隙長度可以保證中心節(jié)點與普通節(jié)點有更大的機會相互傳輸數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)總吞吐量，但增大時隙的同時浪費的時間也越多，反而會導(dǎo)致吞吐量下降。因此，選取合適的時隙長度有利于提高吞吐量。圖7給出不同時隙長度下，中心節(jié)點與普通節(jié)點天線切換速度比對網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的影響。從圖中可以清楚地看到小的轉(zhuǎn)速比不利于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。中心節(jié)點與普通節(jié)點天線切換的相對速度越小，它們之間交互的間隔就越大。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了一種無線自組網(wǎng)定向時分MAC協(xié)議，并在GloMoSim環(huán)境下實現(xiàn)了該協(xié)議以及作了仿真分析。從仿真結(jié)果我們可以看出，定向時分MAC協(xié)議能夠結(jié)合靜態(tài)TDMA和定向天線的特點，時隙長度和天線轉(zhuǎn)速等參數(shù)的設(shè)置對協(xié)議性能具有很大影響。因此，在后續(xù)工作中，我們將繼續(xù)研究如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化協(xié)議性能。

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