基于DBTMA協(xié)議的動態(tài)感知忙音協(xié)議研究

喬平安+曹宇

摘要：在Adhoc網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的MAC協(xié)議協(xié)議， IEEE802.11協(xié)議都無法解決大干擾域所帶來的網(wǎng)絡吞吐量下降，性能降低的問題。該文提出一種新的可以動態(tài)感知網(wǎng)絡中節(jié)點位置的動態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議，來緩解此問題對網(wǎng)絡性能的影響。實驗結(jié)果證明本文提出的協(xié)議在吞吐量性能上優(yōu)于其他算法。

關鍵詞 Adhoc；大干擾域；DBTSA協(xié)議

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0063-02

1概述

目前Adhoc網(wǎng)絡[1]研究工作中，現(xiàn)有的經(jīng)典MAC協(xié)議[2]，IEEE802.11協(xié)議[3]都無法解決大干擾域問題，造成網(wǎng)絡性能的下降。為了解決大干擾域問題，很多學者做了研究。文獻[4]中改進了一種忙音協(xié)議由于NAV采用CSMA/CA機制，無法偵聽到傳輸范圍以外的節(jié)點發(fā)送消息，因此不能合理地解決大干擾域下隱藏終端的干擾。文獻[5]中，提出了一種固定功率（PFD）協(xié)議，雖然在處理大干擾域下隱藏終端問題上有一定的成效，但是由于忙音的發(fā)射功率默認為最大值，這就會產(chǎn)生更多的暴露終端。

本文針對大干擾域所帶來的問題[6]，在忽略干擾累積只考慮單干擾源的情況下，提出一種可動態(tài)感知的忙音協(xié)議DBTSA。DBTSA協(xié)議是基于單干擾源的假設，即兩個節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互時，接收節(jié)點只考慮一個節(jié)點的干擾。通信雙方的id通過忙音的頻率和持續(xù)時間編碼到忙音信號中去，其他節(jié)點通過偵聽忙音信號得到通信雙方的id信息，這樣就可以確定自己是否在干擾范圍之內(nèi)，然后判斷是否應該傳送分組。通過這種方法就能很好地抑制大干擾域下隱藏節(jié)點的問題，在一定程度上有效地提高Ad Hoc網(wǎng)絡的性能。

2 DBTSA協(xié)議

2.1 忙音的實現(xiàn)

一說到忙音，人們肯定會想到打電話時用戶線路占線。但是，在無線網(wǎng)絡中忙音是一種正弦信號，它有著某個特定的頻率，它與調(diào)制信號不同之處在于它不能編碼任何信息，只能在某個頻帶上，通過能量檢測的方法被識別。傳統(tǒng)的控制信號RTS、CTS只能在傳輸范圍之內(nèi)被識別，忙音因為所占的帶寬非常小，而且是通過能量檢測的方式識別，所以它在載波偵聽范圍之內(nèi)就能被識別。正因為如此，忙音被廣泛地應用到Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議中。

本節(jié)所設計的協(xié)議中，忙音是用來通知其他節(jié)點當前網(wǎng)絡中通信節(jié)點的id信息以及潛在的干擾源。以此來降低大干擾域中隱藏節(jié)點對網(wǎng)絡性能的影響，提高網(wǎng)絡性能。

在OPNET中我們通過模擬的方式來實現(xiàn)忙音。節(jié)點通過忙音的頻率和持續(xù)時間來得到收發(fā)雙方的id，并根據(jù)信噪比公式，如式（1）計算出信噪比。

其中，dr表示干擾節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，dp表示發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離。這樣，干擾節(jié)點就可以通過dr與干擾范圍的比較，來判斷自己是否處于接收節(jié)點的干擾范圍之內(nèi)，確定自己發(fā)送的分組是否會干擾到接收節(jié)點。干擾范圍由式（2）計算。其中，SNRth表示初始閾值。

DBTMA協(xié)議[7]利用NAV機制，來通知節(jié)點是否能對數(shù)據(jù)進行收發(fā)處理。信道上每一個RTS幀，CTS幀都有一個Duration/ID域，節(jié)點通過Duration/ID域來更新自己的NAV計數(shù)器，只有當計數(shù)器的值減為0時，說明信道空閑才能開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。但是在一些情況下，節(jié)點的信噪比符合要求時，節(jié)點的發(fā)送并不會影響到接收節(jié)點，所以不需要對自己的NAV計數(shù)器進行更新。例如當發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，干擾節(jié)點能偵聽到該分組。此時干擾節(jié)點如果判斷接收節(jié)點的信噪比達到了閾值的要求，則干擾節(jié)點不用更新NAV，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2協(xié)議設計

DBTSA協(xié)議依然利用DBTMA協(xié)議的雙忙音機制，利用兩個帶外忙音BTr和BTt來分別保護RTS分組和數(shù)據(jù)分組。在此基礎上為了讓其他節(jié)點能夠獲取通信節(jié)點的id信息，利用忙音的頻率以及持續(xù)時間將節(jié)點id編碼到忙音信號中，其他節(jié)點偵聽到忙音信號后將其解碼，這樣就能獲得通信雙方的id信息。協(xié)議時序圖如圖1所示。

在協(xié)議中將發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的id信息分別為表示為p和q，那么它們發(fā)送和接收忙音的頻率可以由式（3）和（4）求得：

忙音的持續(xù)時間可以由式（5）求得：

其中，x代表節(jié)點的id信息，fmin和fmax代表忙音頻帶的最低和最高值，Tmin和Tmax代表持續(xù)時間的最小值和最大值。

2.3協(xié)議工作過程

DBTSA協(xié)議工作流程描述如下：假設發(fā)送節(jié)點A和接收節(jié)點B進行通信。

1）通信之前節(jié)點A處于空閑狀態(tài)，準備和節(jié)點B通信時，進入競爭狀態(tài)。

2）發(fā)送節(jié)點A進入競爭狀態(tài)，對信道進行偵聽，判斷是否有忙音。

3）在一個DIFS時間段內(nèi)偵聽到信道上沒有忙音信號，跳轉(zhuǎn)到第7步。

4）只偵聽到信道上有發(fā)送忙音BTt，表示信道正忙，然后發(fā)送節(jié)點A對信道進行周期性的偵聽，一旦偵聽到信道空閑跳轉(zhuǎn)到第7步。

5）只偵聽到信道上有接收忙音BTr，表示信道中有節(jié)點正在通信，然后節(jié)點A獲取接收忙音BTr的忙音頻率和持續(xù)時間，計算得到當前通信雙方的id信息，接著計算出接收節(jié)點的干擾范圍。如果自己處于接收節(jié)點的范圍之內(nèi)，則A退避傳輸，跳轉(zhuǎn)回第2步；如果自己處于接收節(jié)點的干擾范圍之外，則跳轉(zhuǎn)到第7步。

6）同時偵聽到BTr和BTt，則接收節(jié)點A退避傳輸，跳轉(zhuǎn)回第2步。

7）發(fā)送節(jié)點A向接收節(jié)點B發(fā)送RTS控制信號，同時打開忙音BTr。

8）發(fā)送節(jié)點A發(fā)送完RTS控制信號后，進入等待狀態(tài)，等待接收節(jié)點回復的CTS控制信號。

9）在接收節(jié)點B接收到RTS控制信號后，偵聽周圍是否存在忙音。

10）如果在一個SIFS時隙內(nèi)偵聽到BTr信號，表示信道有接收節(jié)點正在接收數(shù)據(jù)，節(jié)點B則獲取接收忙音BTr的頻率和持續(xù)時間，并計算節(jié)點的干擾范圍，判斷自己是否處在該范圍中。如果處于其中，則丟棄RTS信號，進入退避狀態(tài)；如果不在，則進入第11步。

11）接收節(jié)點B向發(fā)送節(jié)點A回復CTS信號。

12）發(fā)送節(jié)點A收到CTS信號后，關閉忙音BTt，開始向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)DATA。

13）接收節(jié)點B接收數(shù)據(jù)DATA，同時打開接收忙音BTr。

14）發(fā)送節(jié)點A發(fā)送完數(shù)據(jù)DATA后，等待接收節(jié)點反饋的ACK信號。

15）接收節(jié)點B接收完畢數(shù)據(jù)DATA后，關閉接收忙音BTr，向發(fā)送節(jié)點反饋ACK信號，自己進入空閑狀態(tài)。

16）發(fā)送節(jié)點A接收到反饋的ACK信號后，自己進入空閑狀態(tài)，一次完整的通信結(jié)束。

3實驗驗證與分析

3.1仿真環(huán)境與參數(shù)設置

在OPNET中對DBTSA協(xié)議進行仿真，定義如下仿真場景。

1）仿真區(qū)域：300m*300m的方形區(qū)域；

2）仿真節(jié)點：20個隨機分布在區(qū)域中的節(jié)點，通信時通信雙方均為隨機選擇；

3）節(jié)點傳輸范圍：半徑為100m的圓形區(qū)域；

4）節(jié)點偵聽范圍：半徑為150m的圓形區(qū)域；

5）信道傳輸速率：2Mbps；

6）數(shù)據(jù)包大?。?500bit；

7）仿真時間：400s。

3.2結(jié)果分析

為驗證動態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議的性能，選用DBTMA協(xié)議和固定功率（PFD）協(xié)議作為參考對象，從吞吐量方面進行分析。

吞吐量性能：

圖2顯示了在數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率不同時，DBTMA協(xié)議、DBTSA協(xié)議和PFD協(xié)議的吞吐量情況。由結(jié)果可知，當數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率較小時三種協(xié)議得變化幾乎沒差別，隨著網(wǎng)絡負載的逐漸增加，網(wǎng)絡流量慢慢增大，DBTSA協(xié)議和PFD協(xié)議的吞吐量顯然好于DBTMA協(xié)議。DBTSA協(xié)議在吞吐量方面的改善也好于PFD，在一定程度上彌補了降低DATA沖突不如PFD的不足，它適當降低了網(wǎng)絡中暴露終端的出現(xiàn)幾率，增加了節(jié)點對信道的利用，提高了吞吐量。但是PFD協(xié)議利用最大功率發(fā)送忙音，使得干擾范圍以外的節(jié)點仍然不能同時對信道利用，加大了暴露終端出現(xiàn)的幾率，在一定程度降低了吞吐量。

4 結(jié)束語

本文提出一種新的可以動態(tài)感知網(wǎng)絡中節(jié)點位置的動態(tài)感知忙音（DBTSA）協(xié)議，對于大干擾域所帶來的問題，本文提出的協(xié)議在網(wǎng)絡性能吞吐量方面優(yōu)于其他協(xié)議。

參考文獻：

[1] 王華，薛濤，崔云平，等.Adhoc網(wǎng)絡技術[J].硅谷，2012（17）：9-9.

[2] 陳宗明，許力，鄭寶玉.Ad Hoc網(wǎng)絡中MAC協(xié)議的研究與展望[J].電訊技術，2003，43（6）：7-12.

[3] 呂兆峰，李曉，黃波.IEEE802.11AdHoc網(wǎng)絡MAC層的性能分析[C].陜西省通信學會2009年學術年會. 2009.

[4] Abdullah A A，Cai L，Gebali F.Enhanced Busy-Tone-Assisted MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[C].Proceedings of Vehicular Technology Conference（VTC），2010：1-5.

[5] Leng S P，Yan Z，Hsiao-Hwa C，et al.Power-Fixed and Power-Aware MAC Protocols for Multihop Wireless Networks With a Large Interference Area[J].IEEE Transactions on vehicular technology，2009，58（6）：2966-2967.

[6] 何雙勝.基于忙音的Ad hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究[D]. 蘇州：蘇州大學，2011.

[7] Haas Z J， Deng J. Dual busy tone multiple access （DBTMA）-a multiple access control scheme for ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Communications，2002，50（6）：975-985.