一種Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議接入閾值的研究*

鄭文慶，金 虎，郭建蓬，馮 輝

（國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

Ad Hoc網(wǎng)絡的重要技術(shù)之一是對其介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層協(xié)議的設計[1]。它決定了眾多節(jié)點如何公平、有效地共享無線信道資源。為保證通信網(wǎng)絡中高優(yōu)先級分組的高吞吐量、低延時以及服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS），基于優(yōu)先級概率統(tǒng)計的多址接入模式（Statistic Prioritybased Multiple Access，SPMA）協(xié)議應運而生[2]。

SPMA協(xié)議不同于傳統(tǒng)的信道接入模式協(xié)議。它通過協(xié)議棧各層之間的信息傳輸，可以極低時延完成各節(jié)點間的信息交互。SPMA協(xié)議不需事先為網(wǎng)絡中各節(jié)點預約或分配時隙，只需在網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包到達時統(tǒng)計信道占用率，通過將信道占用率與數(shù)據(jù)包閾值進行比較來決定業(yè)務分組是否接入信道[3]。如果此時信道占用率低于數(shù)據(jù)包閾值，則發(fā)送該數(shù)據(jù)包；如果信道占用率高于數(shù)據(jù)包閾值，則根據(jù)退避算法設定退避時間進行回退等待，到達退避時間后再次檢測信道占用率，并與閾值比較，判斷是否接入信道。

SPMA協(xié)議對信道的接入控制主要取決于各優(yōu)先級設定的閾值大小。閾值越大，接入信道的概率越大；反之，越小。本文主要研究SPMA協(xié)議的接入閾值問題。首先，闡述SPMA協(xié)議的運行機制和特點；其次，根據(jù)碰撞模型提出各優(yōu)先級的閾值設置方法；最后，對在該閾值方法下的SPMA協(xié)議進行系統(tǒng)仿真，得到系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)負載變化的變化曲線。

1 SPMA協(xié)議運行機制

1.1 信道狀態(tài)判斷

SPMA協(xié)議主要為擴頻系統(tǒng)設計。該協(xié)議下，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測信道占用情況，并定時持續(xù)更新偵聽到的收發(fā)脈沖數(shù)目，根據(jù)信道中監(jiān)測到的收發(fā)脈沖的數(shù)量和特性，判斷信道可能存在的多種狀態(tài)[4]。SPMA協(xié)議信道判斷與CSMA協(xié)議判斷機制不同。CSMA協(xié)議只要偵聽到有一個節(jié)點在發(fā)送，此時就判定信道為忙。而SPMA協(xié)議是偵聽監(jiān)測信道中的脈沖數(shù)目，通過數(shù)值計算得到一個有關于信道占用情況的信道占用統(tǒng)計值。當有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，根據(jù)偵聽統(tǒng)計得到的脈沖數(shù)據(jù)，計算當前信道的占用情況，并將計算得到的信道占用統(tǒng)計值與數(shù)據(jù)包閾值大小進行比較，從而判斷是否允許該包發(fā)送[5]。

1.2 多優(yōu)先級QoS機制

SPMA協(xié)議的特點是采用了多種優(yōu)先級的QoS服務機制[6]。當網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包到達MAC層時，首先根據(jù)其優(yōu)先級分別插入到相對應的隊列中；然后，取出隊列中最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，將當前統(tǒng)計得到的信道占用率與此數(shù)據(jù)包優(yōu)先級對應的閾值進行比較，如果信道占用率小于閾值，則發(fā)送該數(shù)據(jù)包，如果信道占用率大于閾值，數(shù)據(jù)包將根據(jù)其優(yōu)先級及信道占用情況退避一段時間，到達時間后再次檢測信道占用情況判斷是否發(fā)送。其中，高優(yōu)先級對應的閾值在數(shù)值上大于低優(yōu)先級對應的閾值，從而保證高優(yōu)先級有更大的概率接入信道[7]。

此外，在數(shù)據(jù)包退避時間內(nèi)，如果有更低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包到達，它將在隊列中排隊等待傳輸，直到更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢；如果有更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包到達，則退避取消，并立即統(tǒng)計信道占用率，同時與該數(shù)據(jù)包閾值進行比較，以判斷是否能夠發(fā)送該數(shù)據(jù)包。

1.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移與協(xié)議流程

SPMA協(xié)議的接入控制流程，如圖1所示。協(xié)議中，數(shù)據(jù)包優(yōu)先級的分類是在應用層確定，而實際應用中是人為決定的。當應用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡層到達MAC層時，首先根據(jù)優(yōu)先級將數(shù)據(jù)包插入對應的隊列，判斷高優(yōu)先級隊列中是否有包，并將較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)為待發(fā)送狀態(tài)，然后將當前統(tǒng)計得到的信道占用率與待發(fā)送數(shù)據(jù)包的閾值進行比較。如果此時信道占用率低于閾值，則允許發(fā)送的數(shù)據(jù)包從隊列中移除并發(fā)送；如果信道占用率高于閾值，節(jié)點將根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級與信道占用率的值設定退避時間進行回退等待，到達退避時間后，再次檢測信道占用率，循環(huán)以上流程[8]。SPMA協(xié)議的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如圖2所示。

圖1 SPMA協(xié)議接入控制流程

圖2 SPMA協(xié)議工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移

1.4 流量控制機制

如圖3所示，如果網(wǎng)絡流量始終很高，當信道負載超過最大信道負載時，系統(tǒng)會首先執(zhí)行低優(yōu)先級回退操作，甚至丟棄低優(yōu)先級的包。如果網(wǎng)絡流量居高不下，系統(tǒng)將嚴重超載。此時，系統(tǒng)將相繼退避更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包甚至棄包，直到信道負載下降，退避的數(shù)據(jù)包才可以接入信道，這叫做“削峰填谷”。這樣做的效果是在系統(tǒng)超載時，SPMA協(xié)議首先會延遲或抑制低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的接入，控制低優(yōu)先級的流量。隨著系統(tǒng)負載的增加，可控制信道負載，保持信道流量在一個比較穩(wěn)定的水平，以保證系統(tǒng)高優(yōu)先級業(yè)務的QoS質(zhì)量，且使得整個網(wǎng)絡不至于在超載的情況下產(chǎn)生擁塞。

圖3 SPMA協(xié)議流量控制

2 SPMA協(xié)議閾值研究

2.1 碰撞原理

下面簡要分析信道中數(shù)據(jù)包在時頻點上的碰撞原理[9]。如果不考慮分組超出隊列緩沖容量而導致的丟包，此時網(wǎng)絡節(jié)點分組的發(fā)送成功概率主要取決于分組的碰撞情況。如果在接收端接收到不同節(jié)點發(fā)送的脈沖在時間和頻率上出現(xiàn)重疊，則認為發(fā)生了脈沖碰撞[10]。

系統(tǒng)業(yè)務分組的發(fā)送特點是，將分組拆分為時長t的脈沖并以周期Th發(fā)送，其中發(fā)送占空比為Tδ=t/Th。由于傳播延時不確定，因此假定接收到的信號到達時刻在0～Th內(nèi)是均勻分布的。假設每分組拆分的脈沖數(shù)量為n，且節(jié)點數(shù)為n個節(jié)點（cj，j=1，2，…，n）發(fā)送的數(shù)據(jù)到達接收節(jié)點cn+1的時間分別為tj，j=1，2，…，n，則節(jié)點cj（j=2，…，n）與另外目標節(jié)點c1發(fā)生碰撞的條件為|tj-t1|＜Th/Tδ。此時，目標節(jié)點c1同不超過k個節(jié)點發(fā)生碰撞的概率為：

式中，Vl為l個節(jié)點同目標節(jié)點發(fā)生時間碰撞的概率，是一個l+1維時間約束區(qū)域；m為跳頻頻點數(shù)。

考慮到在物理層發(fā)送與接收數(shù)據(jù)時會采用編碼糾錯技術(shù)，當接收節(jié)點接收到的脈沖數(shù)量在編碼糾錯能力范圍內(nèi)時，該數(shù)據(jù)分組可被成功恢復。假設數(shù)據(jù)分組拆分為Np個跳頻脈沖進行發(fā)送，采用編碼技術(shù)后，當接收到不少于Nm個脈沖時，可認為數(shù)據(jù)分組被成功接收，則數(shù)據(jù)分組成功概率為：

2.2 門限閾值研究

門限閾值需要與信道占用率進行比較，因此在研究門限閾值前需要研究信道占用情況。信道占用是基于統(tǒng)計收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量得到的，并根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量之和作一定數(shù)學運算，以科學合理地評價信道占用狀態(tài)。因為本文研究的信道占用狀態(tài)是根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量之和乘以脈沖時長并除以統(tǒng)計時間窗的時間長度得到的，所以計算信道占用率η(T )如式（3）所示，得到的信道占用率為[0，1]范圍內(nèi)的數(shù)。因此，門限閾值的取值設置為[0，1]內(nèi)的小數(shù)。

式中，nr為此節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量；nt為此節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量；t0為數(shù)據(jù)脈沖時長；T為統(tǒng)計窗口時長。

SPMA協(xié)議中，數(shù)據(jù)包能否立即發(fā)送，取決于當前信道占用是否大于數(shù)據(jù)包對應優(yōu)先級閾值。優(yōu)先級閾值設置得過高，允許發(fā)送的優(yōu)先級分組越多，信道負載越大，高優(yōu)先級分組的傳輸質(zhì)量將會降低；優(yōu)先級閾值設置得過低，更多的低優(yōu)先級分組將退避，造成不必要的信道資源浪費[11]。因此，需要合理設置優(yōu)先級閾值，將信道負載控制在良好狀態(tài)。

假設網(wǎng)絡存在優(yōu)先級0到優(yōu)先級N-1共N個優(yōu)先級業(yè)務，其中優(yōu)先級0為最高優(yōu)先級，各優(yōu)先級業(yè)務所占的比例為ri，優(yōu)先級對應的閾值為Thresholdi。閾值是由節(jié)點所處的電磁環(huán)境、物理層協(xié)議以及碰撞原理共同決定的。因此，無法給出確定公式。下面首先研究最低優(yōu)先級閾值如何設置。

在網(wǎng)絡系統(tǒng)信道負載不大于最低優(yōu)先級閾值ThresholdN-1對應的信道業(yè)務量時，所有優(yōu)先級分組均不需要退避且隨到隨發(fā)。此時，可保證各優(yōu)先級分組傳輸成功率不低于99%。因此，最低優(yōu)先級閾值ThresholdN-1可采用ALOHA工作方式獲得。測試場景中，節(jié)點均采用ALOHA方式。基于信道碰撞原理，各節(jié)點無優(yōu)先級控制，分組隨到隨發(fā)。逐漸增大網(wǎng)絡業(yè)務量，當分組傳輸成功率降低至接近99%時，獲取此時統(tǒng)計時間窗內(nèi)信道上發(fā)送和接收的脈沖數(shù)量之和，經(jīng)式（3）的數(shù)學運算得到ThresholdN-1。

本文的優(yōu)先級閾值設置綜合考慮了碰撞原理、物理層誤包率性能和各優(yōu)先級業(yè)務在總業(yè)務量中的所占比例，可得到相鄰優(yōu)先級閾值的關系不等式：

可得，各優(yōu)先級閾值范圍可通過最低優(yōu)先級閾值ThresholdN-1計算得到，如式（5）所示：

通過采用上述方法設置優(yōu)先級閾值，可以將信道占用控制在最低優(yōu)先級閾值范圍內(nèi)，保證高優(yōu)先級分組的傳輸可靠性。例如，當信道占用剛大于ThresholdN-1時，優(yōu)先級N-1分組進行退避。由于該業(yè)務量場景下信道占用不大于ThresholdN-2，此時系統(tǒng)能夠發(fā)送優(yōu)先級N-2分組。為確保高優(yōu)先級分組的傳輸成功率不低于99%，且可更大程度地利用信道資源，優(yōu)先級N-2閾值ThresholdN-2可通過式（6）求得：

綜上所述，為提高高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸成功概率，并更大程度地提高信道利用率，其余各優(yōu)先級閾值計算方法為：

3 仿真分析

3.1 仿真條件

本文采用OPNET仿真工具進行以下仿真實驗。為驗證系統(tǒng)性能，采用簡化的仿真場景。有100個節(jié)點分布在100 km×100 km的區(qū)域中靜止不動，且認為節(jié)點與節(jié)點間為單跳傳輸，信道傳輸速率為2 Mb/s。業(yè)務分為優(yōu)先級0到優(yōu)先級7共8個優(yōu)先級，且各優(yōu)先級所占比例如表1所示。每種優(yōu)先級業(yè)務的包到達時間間隔服從泊松分布，包長為1 024 bit，目的地址選取為隨機發(fā)送地址。網(wǎng)絡系統(tǒng)負載范圍為1～10 Mb/s。假設時延僅考慮包接入等待時產(chǎn)生的時延和傳輸時延，其余時延均不考慮。

表1 各優(yōu)先級所占比例及閾值取值

為得到各優(yōu)先級對應的門限閾值，首先采用ALOHA工作方式進行仿真測試，且測試場景與上述SPMA協(xié)議場景相同。經(jīng)過實驗研究，得到ALOHA協(xié)議下分組成功概率如圖4所示?？梢姡趥鬏敵晒Ω怕式禐?9%時，統(tǒng)計得到的信道占用率為4%，因此Threshold7選取為4%。根據(jù)以上閾值設定方法可設置其余優(yōu)先級閾值如表1所示，并基于以上參數(shù)進行仿真實驗。

圖4 ALOHA協(xié)議分組成功概率

3.2 結(jié)果分析

本仿真通過對各個優(yōu)先級分組成功概率和時延采樣取值，得到成功率和時延隨系統(tǒng)業(yè)務量的變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 各優(yōu)先級成功率隨系統(tǒng)業(yè)務量變化曲線

圖6 各優(yōu)先級時延隨系統(tǒng)業(yè)務量變化曲線

圖5 為各個優(yōu)先級分組的成功發(fā)送概率隨系統(tǒng)業(yè)務量的變化曲線。由圖5可知，當系統(tǒng)業(yè)務量超過一定數(shù)值后，最低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包開始回退產(chǎn)生時延甚至棄包，成功發(fā)送概率開始降低，說明此時信道占用已經(jīng)超過最低優(yōu)先級對應的閾值。隨著系統(tǒng)業(yè)務量的逐漸增大，信道負載逐漸增大，較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包對應的閾值相繼開始小于信道占用，此時開始回退甚至棄包，成功發(fā)送概率也開始下降。由于本協(xié)議可通過抑制低優(yōu)先級的接入達到控制信道負載的目的，因此可始終為最高優(yōu)先級業(yè)務提供高QoS保證，其成功發(fā)送概率可保持在99%以上。

圖6為各優(yōu)先級端到端時延隨系統(tǒng)業(yè)務量的變化曲線。由圖6可知，當系統(tǒng)業(yè)務量超過一定數(shù)值后，信道占用開始超過最低優(yōu)先級閾值，最低優(yōu)先級進行回退。隨著系統(tǒng)業(yè)務量的增大，之后較高優(yōu)先級也依次開始回退，退避的包分組端到端時延急劇增大。圖6中，當系統(tǒng)業(yè)務量達到一定界限后，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的端到端時延會急劇增大，可使信道負載保持在穩(wěn)定水平，進而保證系統(tǒng)中高優(yōu)先級業(yè)務的高通信質(zhì)量。此外，高優(yōu)先級業(yè)務接入信道時優(yōu)先接入無需等待，因此其端到端時延僅有通信距離產(chǎn)生的很小的傳輸時延。

4 結(jié) 語

為滿足系統(tǒng)通信時對多優(yōu)先級業(yè)務的服務質(zhì)量要求，保證高優(yōu)先級業(yè)務的高QoS質(zhì)量，本文對SPMA協(xié)議接入閾值進行研究。首先闡述了SPMA協(xié)議的運行機制，其次根據(jù)碰撞原理和ALOHA協(xié)議仿真得到SPMA協(xié)議的閾值設置方法，最后通過仿真實驗驗證了本閾值計算方法的可行性。通過以上過程可發(fā)現(xiàn)，SPMA協(xié)議通過給各個數(shù)據(jù)包設置不同優(yōu)先級，同時設置優(yōu)先級對應的閾值，再通過偵聽信道占用狀態(tài)與預先設置的閾值進行比較來判斷是否接入信道，實現(xiàn)了系統(tǒng)對多優(yōu)先級業(yè)務的QoS服務機制，滿足了系統(tǒng)對高優(yōu)先級業(yè)務高成功概率、低時延、高服務質(zhì)量的要求。