Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議研究與仿真

趙　龍，李弘揚(yáng)，葉　寧，唐　劍，劉　暉

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136; 2.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710043; 4.空軍764軍事代表室，天津 300210)

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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議研究與仿真

趙龍1，李弘揚(yáng)2，葉寧2，唐劍3，劉暉4

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136; 2.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710043; 4.空軍764軍事代表室，天津 300210)

摘要：針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，信道具有多跳共享性的特點(diǎn)，提出動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合媒體接入控制(media access control，MAC)協(xié)議，協(xié)議包括時(shí)隙分配和時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)2個(gè)階段。在時(shí)隙分配階段，采用靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)調(diào)整相結(jié)合的方式，在為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固有時(shí)隙的基礎(chǔ)上，將不共享信道的節(jié)點(diǎn)時(shí)隙動(dòng)態(tài)地分配給通信節(jié)點(diǎn)；在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段，通過(guò)在子幀中設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)，在不參與通信節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙中，數(shù)據(jù)傳輸子幀被分成實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段，競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，提高優(yōu)先業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的接入概率。采用NS2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，所提混合MAC協(xié)議提高了系統(tǒng)的分組投遞率，降低了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的平均時(shí)延，協(xié)議能夠充分利用信道空間復(fù)用性，減少競(jìng)爭(zhēng)，提高接入效率，適合Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；時(shí)隙分配；優(yōu)先級(jí)；媒體接入控制(MAC)協(xié)議

0引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳共享信道使得其媒體接入控制(media access control，MAC)協(xié)議成為研究難點(diǎn)[1]?；旌螹AC協(xié)議憑借其帶寬資源利用率高、能夠滿(mǎn)足不同任務(wù)時(shí)延需求的優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。但是，現(xiàn)有的MAC協(xié)議都沒(méi)有考慮Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)信道多跳共享的特點(diǎn)，沒(méi)有針對(duì)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行的區(qū)分服務(wù)。

針對(duì)不同的信道接入方式，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下3類(lèi)[2]：基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議；基于調(diào)度機(jī)制的MAC協(xié)議和混合類(lèi)MAC協(xié)議?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議采用競(jìng)爭(zhēng)方式接入無(wú)線(xiàn)信道，競(jìng)爭(zhēng)信道失敗，則根據(jù)選擇的退避算法決定下次競(jìng)爭(zhēng)信道的時(shí)間和概率[3]，如退避算法[4]和競(jìng)爭(zhēng)信道[5]的方式等；基于調(diào)度機(jī)制的MAC協(xié)議根據(jù)選擇的調(diào)度機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)隙調(diào)度方案，在一幀內(nèi)給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配一些時(shí)隙，同時(shí)保證這個(gè)節(jié)點(diǎn)至少在其中一個(gè)分配時(shí)隙傳輸信息時(shí)不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾[6]。為了解決競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)與調(diào)度類(lèi)MAC協(xié)議的局限性，提出了混合接入策略，它們具有競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)和調(diào)度類(lèi)協(xié)議的特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)媒體接入控制協(xié)議(a dynamical self-adjusting media access control protocol，ADAPT)協(xié)議[6]在固定時(shí)分多址(time division multiple access，TDMA)的基礎(chǔ)上增加了載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。改進(jìn)的自適應(yīng)廣播(evolution of adaptive broadcast，E-ABROAD)協(xié)議[7]在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，節(jié)點(diǎn)首先競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的控制分組只在自己的時(shí)隙中發(fā)送，不會(huì)產(chǎn)生沖突。但這類(lèi)協(xié)議還存在一些問(wèn)題：節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)失敗的概率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載而增大；協(xié)議沒(méi)有對(duì)不同的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)差別服務(wù)，對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中有實(shí)時(shí)性要求業(yè)務(wù)的傳輸需求不能夠很好地滿(mǎn)足，影響了協(xié)議的廣泛使用。

目前多數(shù)混合類(lèi)MAC協(xié)議通過(guò)監(jiān)聽(tīng)主用戶(hù)是否使用信道來(lái)發(fā)現(xiàn)主用戶(hù)的信道空閑，其他用戶(hù)競(jìng)爭(zhēng)該信道的使用權(quán)。文獻(xiàn)[8]提出的基于融合CSMA和TDMA公平共享隊(duì)列的混合MAC協(xié)議提高了資源利用率，降低了時(shí)延。文獻(xiàn)[9]根據(jù)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)概率和節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)和傳輸協(xié)議。文獻(xiàn)[10]提出的多信道MAC協(xié)議，能夠?yàn)椴l(fā)通信提供高的吞吐量。文獻(xiàn)[11]提出的基于聚類(lèi)的混合MAC協(xié)議保證Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中信道的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[12]提出的支持TDMA和CSMA的MAC協(xié)議，保證安全信息在控制信道中安全可靠傳輸。文獻(xiàn)[13]使用單中繼信道和雙中繼信道在瑞利衰落信道中保證信息快速可靠傳輸。文獻(xiàn)[14]利用鏈接訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)銷(xiāo)、多信道隱藏終端、頻譜移動(dòng)性提出節(jié)能的混合MAC協(xié)議。

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道多跳共享，具有空間復(fù)用性，其無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。兩跳以外的節(jié)點(diǎn)，例如灰色和黑色節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，通信互不干擾，無(wú)論主用戶(hù)是否使用，從空間復(fù)用的角度看，相距兩跳以上的節(jié)點(diǎn)，都會(huì)在監(jiān)聽(tīng)階段發(fā)現(xiàn)該信道空閑，繼而競(jìng)爭(zhēng)使用權(quán)，帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷(xiāo)。為避免此類(lèi)不必要的競(jìng)爭(zhēng)，本文算法在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配階段，對(duì)此類(lèi)信道進(jìn)行二次分配，提高協(xié)議效率。

圖1　無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1　Wireless Ad Hoc network topology

空間復(fù)用節(jié)點(diǎn)的查找通過(guò)交換兩跳信息得到，動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配采用心跳與觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合的方式，心跳周期進(jìn)行，周期值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性確定。當(dāng)黑色節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到灰色節(jié)點(diǎn)通信范圍時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)分配時(shí)隙的調(diào)整。

在競(jìng)爭(zhēng)階段，活躍節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)非活躍節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙，通過(guò)在子幀中設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求調(diào)整參與空閑時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)，提高優(yōu)先業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的接入概率，保證不同時(shí)延要求業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：在時(shí)隙分配階段，對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的共享信道中當(dāng)前不參與通信節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙進(jìn)行二次分配，在不產(chǎn)生干擾的情況下提高信道利用率；在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段，提出針對(duì)不同實(shí)時(shí)性要求業(yè)務(wù)的時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)幀結(jié)構(gòu)，調(diào)整參與共享信道中當(dāng)前不參與通信節(jié)點(diǎn)主時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)，既能保證實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求，又能保證信道競(jìng)爭(zhēng)的公平性。

1動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議

1.1總體設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的有線(xiàn)網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)不同，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的對(duì)等性以及廣播信道是多跳共享性的。節(jié)點(diǎn)是否競(jìng)爭(zhēng)信道成功只與兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)有關(guān)，與兩跳范圍外節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)。為了提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用能力，提出一種動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議，其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　協(xié)議總體設(shè)計(jì)Fig.2　Overall design of the protocol

在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其固有的發(fā)送時(shí)隙。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有消息要發(fā)送時(shí)，在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段告知其共享信道范圍之內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)。通過(guò)時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以知道共享信道范圍內(nèi)的活躍節(jié)點(diǎn)。將不共享信道的節(jié)點(diǎn)時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配給活躍節(jié)點(diǎn)使用，以此提高時(shí)隙資源的利用率。

在基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段，對(duì)于共享信道中當(dāng)前不參與通信節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙，對(duì)時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)具有優(yōu)先占用的權(quán)利，并且不同節(jié)點(diǎn)占用優(yōu)先級(jí)不同?？臻e時(shí)隙按照優(yōu)先分配規(guī)則分配給時(shí)延要求等級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)中占用優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)能夠接受較好的服務(wù)。

1.2動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法

該算法一幀結(jié)構(gòu)包括3個(gè)子幀，分別是一跳傳輸子幀、兩跳傳輸子幀以及數(shù)據(jù)傳輸子幀。一跳和兩跳傳輸子幀交換一跳和兩跳之內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息。在數(shù)據(jù)傳輸子幀，節(jié)點(diǎn)在各自分配的時(shí)隙采用混合MAC協(xié)議的方式進(jìn)行時(shí)隙的競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)的傳輸。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一跳傳輸子幀中都有自己的主時(shí)隙，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先會(huì)在一跳傳輸子幀的對(duì)應(yīng)時(shí)隙發(fā)送claim分組，其他節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)。在兩跳傳輸子幀階段，節(jié)點(diǎn)將在一跳傳輸子幀階段接收到的claim分組打包成 transport分組，并將分組在兩跳傳輸子幀中轉(zhuǎn)發(fā)出去，在兩跳傳輸子幀后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其兩跳范圍內(nèi)的活躍節(jié)點(diǎn)以及其業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)等級(jí)。

一跳傳輸子幀和兩跳傳輸子幀接收到的消息使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)知道了兩跳范圍之內(nèi)能夠共享信道的活躍節(jié)點(diǎn)，共享信道范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙都不能被復(fù)用。非共享信道節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙按照優(yōu)先級(jí)分配給活躍節(jié)點(diǎn)使用，我們稱(chēng)這些時(shí)隙為該節(jié)點(diǎn)的備選時(shí)隙。

時(shí)隙的分配在共享信道內(nèi)有消息要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)之間展開(kāi)，并且采用不同優(yōu)先級(jí)分配策略完成時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)。所有備選時(shí)隙按照順序輪詢(xún)計(jì)算對(duì)于各個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)時(shí)隙都分配給優(yōu)先級(jí)最高的活躍節(jié)點(diǎn)使用。

各活躍節(jié)點(diǎn)對(duì)可用時(shí)隙的優(yōu)先級(jí)根據(jù)活躍節(jié)點(diǎn)距離以該可用時(shí)隙為主時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、活躍節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量、活躍節(jié)點(diǎn)兩跳之內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量(連接度)、活躍節(jié)點(diǎn)已經(jīng)擁有的時(shí)隙數(shù)、活躍節(jié)點(diǎn)與以該可用時(shí)隙為主時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)的接觸機(jī)會(huì)和業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性等因素決定。將各個(gè)判決因素歸一化，設(shè)優(yōu)先級(jí)判定系數(shù)為W，計(jì)算公式為

W=phah+ppap+pcac+psas+pdad

(1)

W值越大的活躍節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高，共享信道范圍之內(nèi)優(yōu)先級(jí)最高的活躍點(diǎn)被分配到此時(shí)隙。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能知道共享信道節(jié)點(diǎn)對(duì)于各個(gè)時(shí)隙的W值，因此，不會(huì)產(chǎn)生2個(gè)互相干擾節(jié)點(diǎn)占用同一時(shí)隙的情況，不會(huì)產(chǎn)生干擾。

時(shí)隙分配過(guò)程中，按照時(shí)隙順序依次循環(huán)計(jì)算每個(gè)時(shí)隙的優(yōu)先級(jí)情況，這樣可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)情況和已經(jīng)占用的時(shí)隙情況動(dòng)態(tài)改變分配優(yōu)先級(jí)，以此保證服務(wù)質(zhì)量和分配公平性。

設(shè)置以上時(shí)隙分配算法的優(yōu)勢(shì)：各個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)能最大限度地復(fù)用時(shí)隙而沒(méi)有沖突，時(shí)隙利用率高；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍可以進(jìn)行時(shí)隙的復(fù)用。

1.3時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)算法

為了保障實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求，在新的協(xié)議中，活躍節(jié)點(diǎn)對(duì)共享信道當(dāng)前不參與通信節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，數(shù)據(jù)傳輸子幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)傳輸子幀結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of data transmission sub frame

時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程如下。

1)節(jié)點(diǎn)在自己分配到的時(shí)隙中有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)階段與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送(requesttosend/cleartosend,RTS/CTS)交互，其他節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)階段，交互成功，節(jié)點(diǎn)在傳輸階段發(fā)送數(shù)據(jù)。

2)在偵聽(tīng)階段一直處于偵聽(tīng)的節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，并且在偵聽(tīng)階段沒(méi)有偵聽(tīng)到RTS/CTS交互，傳輸階段重構(gòu)為實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸階段。具有實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段競(jìng)爭(zhēng)信道，競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)傳輸階段進(jìn)行實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的傳輸，競(jìng)爭(zhēng)失敗進(jìn)行退避。

3)如果在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段沒(méi)有控制分組發(fā)送，此時(shí)將實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)傳輸階段重構(gòu)為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸階段。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)均在非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)在非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸階段進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，競(jìng)爭(zhēng)失敗進(jìn)行退避。

在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段以及非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段，每一階段均有B個(gè)時(shí)間段構(gòu)成，在每一個(gè)時(shí)間段，節(jié)點(diǎn)由W個(gè)微時(shí)隙組成，節(jié)點(diǎn)采用基于隊(duì)列長(zhǎng)度的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(queue-lengthbasedcarriersensemultipleaccess,Q-CSMA)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)行信道的競(jìng)爭(zhēng)，基本思想是節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，其退避的時(shí)間越短。如在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段，有實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在選擇微時(shí)隙進(jìn)行信道的占用的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)依據(jù)(2)式進(jìn)行微時(shí)隙的選擇。

Uniform[0,W-1]

(2)

(2)式中：Ti表示節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)選擇的微時(shí)隙號(hào)；b表示節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度；qi(t)表示任務(wù)的實(shí)時(shí)性，qi(t)∈[1,10]，即把業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)情況分成10個(gè)不同等級(jí)，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)越高值越大；Uniform[0,W-1]表示在一個(gè)時(shí)間段的W個(gè)時(shí)隙中節(jié)點(diǎn)占用的時(shí)隙號(hào)。從(2)式可以看出，節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，其占用信道的時(shí)間越早，即占用信道的概率越大。對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段同實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)階段一樣，采用Q-CSMA機(jī)制進(jìn)行信道的競(jìng)爭(zhēng)。

2數(shù)據(jù)仿真及分析

在NS2仿真系統(tǒng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配混合MAC協(xié)議性能進(jìn)行仿真測(cè)試。在仿真的過(guò)程中，分別采用不同的MAC協(xié)議，并對(duì)不同MAC協(xié)議的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

在仿真過(guò)程中，設(shè)置10個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m×1 000m的范圍內(nèi)，仿真參數(shù)設(shè)置如下：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為1 000m×1 000m；節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10；傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型為不變比特速率(constantbitrate,CBR)及文件傳輸協(xié)議(filetransferprotocol,FTP)；數(shù)據(jù)載荷為64Byte；通信半徑為200m；路由協(xié)議選擇無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議(AdHocon-demanddistancevectorrouting,AODV)；無(wú)線(xiàn)通信模型為T(mén)woRayGround；仿真時(shí)間為20s；通信對(duì)數(shù)為5；通信帶寬為2Mbit/s。

仿真過(guò)程中采用節(jié)點(diǎn)分組投遞率、平均延時(shí)和時(shí)隙利用率等性能指標(biāo)來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)性能。

1)時(shí)延(單位：s)：接收端成功接收數(shù)據(jù)分組的時(shí)間和發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時(shí)間之差，時(shí)延通常由發(fā)送時(shí)延、傳輸時(shí)延和處理時(shí)延3部分組成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞或碰撞時(shí)，時(shí)延會(huì)相應(yīng)地增大。平均端到端的時(shí)延表示為

(3)

(3)式中：Packet_number表示網(wǎng)絡(luò)中總的傳輸數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；(endtime-starttime)i表示傳輸?shù)牡趇個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間。

2)分組投遞率(單位：%)：目的節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組數(shù)之比，能夠反映網(wǎng)絡(luò)能夠支持的最大吞吐量。網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理數(shù)據(jù)的能力是衡量有效性、完整性、正確性和可靠性的重要指標(biāo)。分組投遞率表示為

(4)

(4)式中Receive表示所有目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包；Source表示所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

3)時(shí)隙占用率(單位：%)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用率等于該節(jié)點(diǎn)占用的時(shí)隙數(shù)目與幀長(zhǎng)的比值。

網(wǎng)絡(luò)分組投遞率隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的對(duì)比情況如圖4所示。從圖4a中看出，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很小時(shí)，各個(gè)協(xié)議的分組投遞率都比較高，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，各個(gè)協(xié)議的分組投遞率都開(kāi)始下降，但是動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議下降得比較緩慢。

由于動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低和較高時(shí)，均能夠很好地進(jìn)行時(shí)空間復(fù)用。因此，其分組投遞率都比較高，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的下降現(xiàn)象。

圖4b是動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議中的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)隨著發(fā)包率的增加，分組投遞率的變化情況?？梢钥闯觯?種業(yè)務(wù)的分組投遞率隨著發(fā)包率的增加都下降，然而實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的分組投遞率下降的速度明顯小于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議在分配信道的時(shí)候，實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)有優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)到信道的權(quán)利，所以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重的情況下，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率很小。

平均延時(shí)隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的趨勢(shì)如圖5所示。從圖5a可以看出，對(duì)于每種協(xié)議，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，時(shí)延都變大。

動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙分配階段和時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段都可以對(duì)時(shí)隙進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，因此，平均時(shí)延近似ADAPT協(xié)議，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，由于在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配階段，時(shí)隙可以無(wú)沖突地進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，因此，節(jié)點(diǎn)可以選擇多個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包，丟包率小于ADAPT協(xié)議的丟包率，因此，平均延時(shí)小于ADAPT協(xié)議的平均時(shí)延。

圖4　分組投遞率隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化情況對(duì)比Fig.4　Comparison of Packet delivery ratio with the network load changes

圖5　平均延時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的對(duì)比Fig.5　Contrast of average delay as the network load changes

圖5b是動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議中的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)隨著發(fā)包率的增加，平均延時(shí)的變化情況?？梢钥闯觯?種業(yè)務(wù)的平均延時(shí)隨著發(fā)包率的增加都下降，然而實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的平均延時(shí)變長(zhǎng)的速度明顯小于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議在分配信道的時(shí)候，實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)有優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)到信道的權(quán)利。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化特性，提出混合式的MAC協(xié)議。該協(xié)議經(jīng)過(guò)了動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配以及時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)階段對(duì)信道進(jìn)行分配，能夠最大限度復(fù)用信道。同時(shí)，在分配信道的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)能夠考慮業(yè)務(wù)的時(shí)延要求進(jìn)行信道的分配，滿(mǎn)足了時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)的需求。采用NS2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件對(duì)所提出的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的混合MAC協(xié)議進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真結(jié)果表明，以該協(xié)議通信的網(wǎng)絡(luò)分組投遞率高、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低，能有效提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

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DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.04.003

收稿日期：2016-02-29

修訂日期：2016-06-15通訊作者：李弘揚(yáng)1470619@stu.neu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 (U14331156，1151002，61401079，61501038)；中國(guó)航天科技集團(tuán)公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院創(chuàng)新基金(2014-CXJJ-TX-11)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(N120404003)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (U14331156，1151002，61401079，61501038); The China Aerospace Science and Technology Corporation Satellite Application Research Institute Innovation Fund(2014-CXJJ-TX-11); The Special Fundamental Research Fund for Central Universities (N120404003)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN917.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)04-0456-06

作者簡(jiǎn)介：

趙龍(1977-)，男，遼寧新民人，講師，博士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)處理、衛(wèi)星導(dǎo)航。E-mail: zhaolong@sau.edu.cn。

李弘揚(yáng)(1991-)，男，黑龍江海倫人，碩士，研究方向?yàn)榭臻g信息網(wǎng)資源分配。E-mail：1470619@stu.neu.edu.cn。

(編輯：王敏琦)

Research and simulation on a hybrid MAC protocol with dynamic slots allocation in Ad Hoc network

ZHAO Long1，LI Hongyang2，YE Ning2，TANG Jian3，LIU Hui4

(1. Shenyang Aerospace University, Civil Aviation Institute, Shenyang 110136, P.R. China;2. Northeastern University, School of Computer Science Engineering, Shenyang 110819，P.R. China;3. Air Force Engineering University, School of Information and Navigation, Xi’an 711043, P. R. China;4.The PLA military representative office of 764 factory, Tianjin 300210, P.R. China)

Abstract:According to the mobility of nodes, multi-hopping share of channels in Ad Hoc networks, hybrid MAC protocol with dynamic slots allocation is presented. The protocol includes two stages: slots allocation and slots competition. During the stage of slots allocation, we adopt the combination of static allocation and dynamic adjustment. On the basis of allocating inherent time slot of every node, dynamically allocate the time slots of nodes that do not share channels to the communication nodes; In the stage of competition, by means of setting different priorities in sub-frames, in the main slots of nodes that do not take part in communication, data transmission sub frames are divided into real time services competition stage and un-real time services competition stage, and nodes that compete successfully transmit data at this time slot to improve access probability of preferred business nodes. We simulate the proposed MAC protocol with NS2 network simulation software, and the result shows that the proposed hybrid MAC protocol improves the system packet delivery rate and reduces the average delay real time services. The protocol can improve service quality of real-time services and optimize the whole performance of network.

Keywords：Ad Hoc networks; allocation of time slots; priority; media access control(MAC) protocol