單收發(fā)器分布式多跳認(rèn)知媒體接入控制協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)

高士娟，譚同德，朱清超

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄭 451100; 2.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州 451100;3.武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710086)

0 引言

認(rèn)知媒體接入控制協(xié)議(Cognitive Media Access Control, C-MAC)是IEEE工作組針對(duì)靜態(tài)頻譜分配算法中的頻譜“白洞”問題[1]，于2005年提出的新型協(xié)議模型，以高吞吐量和信道利用率等優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，且協(xié)議正由中心控制網(wǎng)絡(luò)向Ad Hoc類網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)[2]。移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc NETwork, MANET)[3-4]作為后者的重要分支，其分布式、多跳、移動(dòng)性、自組織等特點(diǎn)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，于是C-MAC和MANET的結(jié)合便成為新的研究熱點(diǎn)。

盡管二者在吞吐量等方面取得一定成效，但是協(xié)議本身存在收發(fā)器數(shù)多、單跳局限性、鏈路負(fù)載失衡、控制開銷高等缺陷。文獻(xiàn)[5-7]指出C-MAC協(xié)議可通過帶內(nèi)或帶外控制信息的交換實(shí)現(xiàn)感知、共享等功能，分別對(duì)應(yīng)以空間分割的公共控制信道(Common Control Channel, CCC)模型和以時(shí)間分割的雙相模型(Double Phase model, DP)，前者至少配置兩個(gè)射頻裝置用于控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)能耗增加，生存周期降低，無法滿足MANET移動(dòng)性需求，而DP可有效緩解上述不足，但引入了傳輸時(shí)延。文獻(xiàn)[2,8]指出現(xiàn)有C-MAC協(xié)議依賴接入點(diǎn)或基站等基礎(chǔ)設(shè)施，與MANET節(jié)點(diǎn)分布式特點(diǎn)不符，并指出對(duì)于Ad Hoc類網(wǎng)絡(luò)而言，可基于DP模型中的功率節(jié)省模式(Power Saving Mode, PSM)機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布式感知操作，但存在同步、共享、能耗等諸多問題。文獻(xiàn)[5,9]在分析了基于PSM機(jī)制的C-MAC協(xié)議模型中公共控制信道、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、相關(guān)實(shí)現(xiàn)等基礎(chǔ)上，指出信道預(yù)留開銷、額外能耗等問題，并分析了單跳C-MAC協(xié)議對(duì)應(yīng)信道空出時(shí)間(Channel Vacate Time, CVT)和信道開啟時(shí)間(Channel Opening Time, COT)等性能指標(biāo)，缺乏多跳考量。為改善控制開銷、多跳等性能，Jeon等[10]以節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和計(jì)算資源為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)延和控制開銷的折中。針對(duì)上述問題，課題組同樣進(jìn)行了相關(guān)研究[11-13]，并指出多跳分析的關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)之間可用信道數(shù)目的實(shí)時(shí)更新；移動(dòng)性影響傳輸分組數(shù)量，與功率之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，可用信道可維持時(shí)間表示，但信道協(xié)商和切換過程仍依賴多收發(fā)器，信道之間負(fù)載不均衡，且引入浮點(diǎn)型功率比特開銷。

圖1 C-MAC協(xié)議模型

鑒于以上研究，本文在PSM基礎(chǔ)上，提出一種適用于MANET，可實(shí)現(xiàn)信道協(xié)作和數(shù)據(jù)傳輸功能的單收發(fā)器、分布式C-MAC協(xié)議優(yōu)化模型。首先針對(duì)收發(fā)器限制問題，基于PSM機(jī)制，從時(shí)域?qū)崿F(xiàn)C-MAC協(xié)議信道感知和數(shù)據(jù)傳輸功能的分離；其次對(duì)節(jié)點(diǎn)功率值進(jìn)行格雷編碼，降低浮點(diǎn)功率值引入的控制開銷比特?cái)?shù)；然后基于前期研究，優(yōu)化信道感知和預(yù)留機(jī)制，并兼顧公平性，實(shí)現(xiàn)信道切換的優(yōu)化，進(jìn)一步改善信道負(fù)載均衡；最后實(shí)現(xiàn)了協(xié)議的仿真分析。結(jié)果表明，新協(xié)議在COT、CVT、吞吐量和信道利用率等方面均得到明顯改善。

1 模型設(shè)計(jì)

本章針對(duì)收發(fā)器限制問題，基于PSM機(jī)制的不同時(shí)間窗口實(shí)現(xiàn)C-MAC協(xié)議信道感知和數(shù)據(jù)傳輸功能。在此基礎(chǔ)上，為兼顧移動(dòng)性和多跳性，定義信道信息字段，并通過功率參數(shù)的格雷編碼降低浮點(diǎn)型控制開銷。

1.1 單收發(fā)器C-MAC協(xié)議模型

為滿足PSM工作需求，首先作如下假設(shè)：

1)所有節(jié)點(diǎn)包含n個(gè)帶寬相同的可用信道，信道信息可通過檢測(cè)分組能量獲得；

2)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)半雙工收發(fā)器，使得任意時(shí)刻僅可完成收發(fā)或監(jiān)聽功能，二者不可兼?zhèn)洌?/p>

3)收發(fā)器可自動(dòng)切換信道，切換時(shí)延[14]低于224 μs；

4)節(jié)點(diǎn)之間已基于時(shí)間同步函數(shù)(Time Synchronization Function, TSF)算法[15]實(shí)現(xiàn)幀同步，確保正確恢復(fù)分組對(duì)應(yīng)語義。

基于以上假設(shè)，可實(shí)現(xiàn)信道感知及交互，但節(jié)點(diǎn)配置單收發(fā)器，則信道感知和數(shù)據(jù)傳輸無法實(shí)現(xiàn)空間分離。而PSM機(jī)制可通過時(shí)間分割方式實(shí)現(xiàn)上述功能，因此可將面向MANET的單收發(fā)器分布式C-MAC協(xié)議優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)等價(jià)為PSM機(jī)制與控制信道和數(shù)據(jù)信道的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1(a)為C-MAC協(xié)議流程，不難看出，協(xié)議包含信道感知和數(shù)據(jù)傳輸兩部分。前者基于PSM機(jī)制中ATIM(Announcement Traffic Indication Message)窗口實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息的收集與共享，為可用信道選擇提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，后者利用整個(gè)游標(biāo)間隔實(shí)現(xiàn)信道預(yù)留及分組傳輸，即基于信道優(yōu)先級(jí)選擇可用信道傳輸分組直至通信完成，是協(xié)議的本質(zhì)，因此當(dāng)且僅當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)方執(zhí)行信道感知。圖1(b)為對(duì)應(yīng)PSM具體實(shí)現(xiàn)，包含各功能分組及其對(duì)應(yīng)PSM周期。換言之，ATIM窗口對(duì)應(yīng)控制信道，傳輸信道感知及協(xié)商控制分組，所有節(jié)點(diǎn)在該周期內(nèi)保持喚醒狀態(tài)；DATA窗口對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信道，在此關(guān)注基于RTS(Ready to Send)/CTS(Clear to Send)/DATA/ACK(Acknowledgement)四次握手虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense, VCS)機(jī)制[14]的分組交換模式，為節(jié)省能量，僅收發(fā)節(jié)點(diǎn)保持喚醒狀態(tài)，其他鄰節(jié)點(diǎn)為假寐(Doze)模式。例如A與B交換數(shù)據(jù)，則A向B發(fā)送ATIM分組執(zhí)行信道協(xié)商，B從本地列表?yè)駜?yōu)選擇信道通過ATIM-ACK幀向A確認(rèn)，A隨后通過該信道向B傳輸數(shù)據(jù)，并廣播自定義ATIM-RES分組通知鄰節(jié)點(diǎn)可用/釋放信道。由于存在其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)該信道的概率，因而節(jié)點(diǎn)A通過RTS競(jìng)爭(zhēng)預(yù)留信道，并廣播預(yù)留時(shí)間，B利用CTS應(yīng)答，二者競(jìng)爭(zhēng)成功后執(zhí)行DATA發(fā)送及ACK應(yīng)答，以此循環(huán)，直至完成分組傳輸。節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到A與B在此信道執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，則在ATIM窗口執(zhí)行信道感知，在DATA窗口保持假寐。不難理解，該C-MAC協(xié)議基于時(shí)間分割實(shí)現(xiàn)了控制信道與數(shù)據(jù)信道的分離，擺脫了多收發(fā)器的依賴性；而且通過重定義ATIM/ATIM-ACK等分組中各字段的語義可實(shí)現(xiàn)多跳信道感知、協(xié)商和預(yù)留，避免引入額外字段，控制開銷較低，在此側(cè)重于數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有協(xié)議模型相比，新協(xié)議的優(yōu)勢(shì)分為兩點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)傳輸過程采用VCS方式，可有效緩解多跳移動(dòng)環(huán)境中的隱藏終端和暴露終端問題；二是增加了ATIM-RES分組，實(shí)現(xiàn)了鄰節(jié)點(diǎn)之間信道忙閑狀態(tài)信息的共享，進(jìn)一步降低感知時(shí)延。

1.2 信道信息字段

節(jié)點(diǎn)之間信道信息的交互是確保分組成功傳輸?shù)幕A(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)依賴于節(jié)點(diǎn)信道瞬時(shí)忙閑狀態(tài)的存儲(chǔ)及基于控制分組的信息共享。在此仍采用文獻(xiàn)[12]中的信道字段定義，沿用CH_STk(i)、RN(i)、S(i)、Rk(i)、Hk(i)和φ(x)等符號(hào)表征可用信道，利用Tk(i)、Pkl(i)、Pkn(i)、Pm(i)和Pkt(i)等能量參數(shù)表征節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性。

在此基礎(chǔ)上，由于信道可維持時(shí)間Tm為當(dāng)前功率降低到接收功率閾值所需的時(shí)間。基于以上字段信息，節(jié)點(diǎn)可計(jì)算Tm值，并依降序?qū)π诺肋M(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，而后執(zhí)行信道感知和數(shù)據(jù)傳輸。由于節(jié)點(diǎn)速度和信道參數(shù)具有時(shí)變性，Tm符合微積分特性，無疑引入計(jì)算時(shí)延?？紤]到感知周期遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，節(jié)點(diǎn)速度突變概率較低，該時(shí)間間隔內(nèi)設(shè)為定值。由于接收功率與其正相關(guān)，同樣可視為均勻變化。令感知周期Ts內(nèi)功率變化率為定值P′(不同感知周期其值可不同)，若節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離時(shí)，變化率為(Pkl(i)-Pkn(i))/Ts，反之為(Pkn(i)-Pkl(i))/Ts，即:

P′=|Pkl(i)-Pkn(i)|/Ts

(1)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)相互靠近時(shí)，Tm為當(dāng)前功率達(dá)到最大功率并降低到閾值功率所需時(shí)間的總和，反之Tm等于當(dāng)前功率降低到閾值功率所需的時(shí)間，即:

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得Tm值，按照Tm降序?qū)π诺琅判颉⑦^濾，則Tm越大信道中斷概率越低，被選擇的概率越高，從而避免信道選擇的盲目性。

1.3 功率參數(shù)優(yōu)化編碼

若直接傳輸Tm值，將引入至少2 B浮點(diǎn)型控制開銷，該值相對(duì)于分組大小而言不可忽略，需對(duì)其進(jìn)一步處理，在此基于量化編碼機(jī)制對(duì)其優(yōu)化。量化規(guī)則規(guī)定如下：由于Tm小于分組傳輸時(shí)間即功率低于最小可傳輸功率Pmin時(shí)，分組已無法成功傳輸，(0,Pmin)區(qū)間內(nèi)所有功率便毫無意義；反之較大功率區(qū)間均可滿足傳輸需求，且其值越高，維持信道連接的時(shí)間越長(zhǎng)，直至最大值Pmax?；诖耍瑢⒐β手捣蔷鶆蛄炕癁?段，各區(qū)間內(nèi)取中間值，并對(duì)其編碼。鑒于安全性考慮，在此采用格雷編碼[16]，各區(qū)間對(duì)應(yīng)比特流如圖2所示。

不難看出，功率位數(shù)降低到3 b，可分別用P1、P2、P3表示，則開銷降低了80%，使得預(yù)留比特的使用及重定義成為可能，且接收端以此可確定Tm值并實(shí)現(xiàn)信道優(yōu)先級(jí)排序。與此同時(shí)，量化誤差同樣不可避免，但隸屬于物理層范疇，在此不作深入分析。

圖2 功率參數(shù)編碼結(jié)果

2 數(shù)據(jù)傳輸

2.1 信道協(xié)作

值得注意的是，對(duì)于MANET，其信道協(xié)作需考慮多條鏈路以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，圖3(a)所示拓?fù)鋵?duì)應(yīng)多跳信道協(xié)作算法如圖3(b)所示。根據(jù)算法流程，信道協(xié)商結(jié)果為A與E、E與F分別采用信道3和2執(zhí)行分組傳輸。值得注意的是，若存在多個(gè)信道，可基于序號(hào)大小優(yōu)先選擇。通過該步驟，可實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信道字段信息，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)排序。

圖3 信道協(xié)商示意圖

2.2 信道切換優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于任意時(shí)刻存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)成功競(jìng)爭(zhēng)空閑信道，為降低碰撞概率，在此假定節(jié)點(diǎn)之間仍基于載波監(jiān)聽多址接入碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)機(jī)制[14,17]執(zhí)行分組交換，但從圖3(a)可知，MANET節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，存在離開相互覆蓋范圍的可能，此時(shí)面臨信道切換問題。同時(shí)在此期間其他節(jié)點(diǎn)空閑信道可用于分組轉(zhuǎn)發(fā)，則信道列表更新勢(shì)在必行，因此數(shù)據(jù)交換除完成DATA傳輸外，需完成額外兩種功能：一是信道列表更新；二是空閑信道切換。對(duì)于前者，在信道監(jiān)聽空閑基礎(chǔ)上，按照Tm降序排列插入到相應(yīng)位置，如圖4中信道5。對(duì)于后者，目前常用按序搜索，即優(yōu)先查找高優(yōu)先級(jí)信道，然后次之，以此類推，直至切換成功，如圖4中信道4無法繼續(xù)通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)查找信道1，若忙碌，則查找信道3，以此類推，直至成功切換至信道5。

該查找方式可確保信道質(zhì)量最優(yōu)，但優(yōu)先級(jí)越高信道使用頻率越高，空閑概率越低，且其他信道使用頻率較低，導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)，破壞信道使用公平性，同時(shí)引入查找時(shí)延。針對(duì)該問題，在此對(duì)其作簡(jiǎn)單修改，即從本次使用信道之后下一信道標(biāo)號(hào)中選擇滿足Tm要求的信道進(jìn)行切換：一則提高效率，二則減小信道負(fù)荷，三則簡(jiǎn)單易行。例如圖4中信道4失效后，直接切換至按Tm排序后的信道5繼續(xù)通信。

圖4 信道切換示意圖

3 性能分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

假設(shè)節(jié)點(diǎn)為手持設(shè)備，對(duì)應(yīng)中低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，速率限定為0～10 m/s，頻率為300 Mb/s，分組傳輸速率為11 Mb/s。對(duì)于MANET而言，網(wǎng)絡(luò)層選擇動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source Routing, DSR)協(xié)議[18]，應(yīng)用層選擇恒定比特流(Constant Bit Rate, CBR)，競(jìng)爭(zhēng)窗口(Contention Window, CW)初始化為最小值32。其他參數(shù)與IEEE工作組文檔規(guī)范保持一致，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示，并利用軟件NS2[19]對(duì)協(xié)議各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 性能分析

在多跳MANET中，C-MAC協(xié)議的性能包括兩方面：一是節(jié)點(diǎn)之間的相互影響，在此仍沿用CVT和COT性能指標(biāo)[20-21]；二是引入認(rèn)知功能對(duì)MAC協(xié)議性能的提升，在此考慮吞吐量、控制開銷和信道負(fù)載。網(wǎng)絡(luò)控制開銷與文獻(xiàn)[12]基本相同，在此不作分析。以上性能指標(biāo)均為隨機(jī)變量，取其10次平均值，所需樣本均基于NS2中trace文件獲得。為更好地說明算法的優(yōu)勢(shì)，在此對(duì)比分析PSM機(jī)制和新協(xié)議(分別記為優(yōu)化前和優(yōu)化后)各項(xiàng)性能指標(biāo)，所得結(jié)果如圖5～8所示。

從圖5可以看出，PSM和新協(xié)議中不同信道對(duì)應(yīng)CVT略有差異，如前者信道1和信道8對(duì)應(yīng)CVT平均值分別為110 ms和35 ms，后者對(duì)應(yīng)值分別為102 ms和30 ms，CVT差值降低了13 ms，表明新協(xié)議對(duì)主用戶(Primary User, PU)的影響進(jìn)一步降低，且信道1對(duì)PU的影響高于信道8。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因很多，如PU產(chǎn)生的窗口時(shí)間(ATIM與DATA不同)，節(jié)點(diǎn)分組類型及大小(DATA分組大于ATIM分組)等?？v向而言，新協(xié)議中各信道CVT最大值和最小值差值低于PSM機(jī)制，協(xié)議性能得到改善。同理從圖6可以看出新協(xié)議對(duì)應(yīng)COT略優(yōu)于PSM機(jī)制，如后者信道7和信道6平均值分別為60 ms和120 ms，而前者對(duì)應(yīng)值分別為55 ms和105 ms，且二者波動(dòng)范圍略高于CVT。原因在于PU為授權(quán)用戶，其優(yōu)先級(jí)高于認(rèn)知用戶(Cognitive Radio, CR)，因此信道空閑時(shí)以PU為主，甚至犧牲CR性能指標(biāo)確保PU信道可用性。

圖5 平均CVT

圖6 平均COT

從圖7可以看出，整體而言，隨著信道數(shù)目的增加，吞吐量整體遞增，增幅越來越大；但并非線性增長(zhǎng)，存在飽和上限值，達(dá)到平衡狀態(tài)后保持不變，而且新協(xié)議吞吐量高于PSM機(jī)制對(duì)應(yīng)值。原因在于隨著仿真時(shí)間的增加，參與通信的節(jié)點(diǎn)逐漸增多，吞吐量隨之增加；但達(dá)到網(wǎng)絡(luò)飽和時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)或分組數(shù)增加，伴隨著碰撞概率和重傳次數(shù)的增加，從而限制了吞吐量的繼續(xù)增長(zhǎng)，因此吞吐量基本保持不變。

圖7 不同信道數(shù)對(duì)應(yīng)吞吐量

對(duì)于信道負(fù)載時(shí)間，在此與文獻(xiàn)[10]所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖8(a)可以看出，雖然原協(xié)議一定程度上提高了信道利用率，但負(fù)載仍集中于信道1、3、4、8，而其他信道空閑時(shí)間比例相對(duì)較高，信道負(fù)載時(shí)間差值達(dá)到150 s，導(dǎo)致信道分配不均衡，也是網(wǎng)絡(luò)吞吐量受限的重要原因之一。而新協(xié)議(圖8(b))引入了新的信道選擇和切換規(guī)則，信道1～8的負(fù)載時(shí)間最大差值不超過50s，緩解了信道之間的分配不均衡，性能得到改善。

圖8 改進(jìn)前后各信道負(fù)載時(shí)間

4 結(jié)語

本文基于PSM機(jī)制中ATIM和DATA窗口對(duì)應(yīng)的時(shí)間分割功能，面向MANET，提出一種單收發(fā)器、多跳、分布式C-MAC協(xié)議優(yōu)化模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)控制開銷和信道負(fù)載均衡均進(jìn)行了優(yōu)化，并通過COT、CVT、吞吐量和信道負(fù)載等性能的仿真驗(yàn)證了協(xié)議的可行性。但仍存在問題尚得展開研究：一是節(jié)點(diǎn)行為(自私或惡意)對(duì)協(xié)議的影響；二是信道感知與物理感知的性能對(duì)比分析；三是多信道隱藏終端問題；四是節(jié)點(diǎn)能量對(duì)協(xié)議的影響。

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