基于CSMA_CA改進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)機(jī)動(dòng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 瑾 袁韻潔 鄭 昱 蔡曉磊

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對戰(zhàn)場通信速率、通信隱蔽性和抗干擾抗毀傷能力的要求與日俱增。當(dāng)前使用的無線電臺(tái)受短波信道可用范圍的限制，機(jī)動(dòng)場景適應(yīng)不靈活，傳輸速率較低，頻帶利用率不高。因此，研制兼具高組網(wǎng)效率的軍用無線通信自組網(wǎng)設(shè)備非常有必要，由于自組網(wǎng)的建設(shè)無中心抗毀性好，無需基礎(chǔ)設(shè)施支持，并支持高速動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌浅＿m用于戰(zhàn)場、緊急情況救援、科學(xué)考察等特殊場景和領(lǐng)域。

目前，戰(zhàn)術(shù)級(jí)機(jī)動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)研究采用基于全向天線的簡單射頻物理層方案，雖然能夠保證節(jié)點(diǎn)接收到來自各個(gè)方向的數(shù)據(jù)，但采用全向天線易造成網(wǎng)絡(luò)在空間上的利用浪費(fèi)，而且因?yàn)槠浔旧砣蚋采w的特性，全向波束發(fā)生重疊,節(jié)點(diǎn)間通信易造成干擾。近年來，隨著天線領(lǐng)域研究日益發(fā)展，一種能夠增大天線覆蓋范圍和通信距離，在最佳路徑方向上形成高增益窄波束，并且通過旁瓣和零點(diǎn)抑制干擾信號(hào)，提高基帶信號(hào)處理抗干擾能力的天線系統(tǒng)——智能天線系統(tǒng)，引起了大家的廣泛關(guān)注，如果將智能天線系統(tǒng)與自組網(wǎng)多址接入?yún)f(xié)議適配，一定能很大程度提升MAC層性能；另一方面，將智能天線系統(tǒng)應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)中也面臨著很多問題。因此將傳統(tǒng)的基于全向天線的簡單射頻物理層方案更改為一種基于自適應(yīng)定向窄波束的多址協(xié)議接入方式，成為自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究的一個(gè)主要研究方向之一，具有非常重要的軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。本文采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，在自適應(yīng)定向窄波束條件下，對基于CSMA_CA改進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)機(jī)動(dòng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行仿真分析。

1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議簡介

圖1為自組織網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分層協(xié)議棧示意圖，各層作用功能如下：

圖1 MAC協(xié)議在系統(tǒng)分層協(xié)議棧中的位置示意圖

1)網(wǎng)絡(luò)層：為分組交換網(wǎng)上的不同主機(jī)提供通信服務(wù)，完成動(dòng)態(tài)路由選擇和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配等功能。路由協(xié)議能使傳輸層傳下來的分組找到和維護(hù)目的主機(jī)，主要是解決多點(diǎn)間多跳多路徑傳輸問題。

2)數(shù)據(jù)鏈路層：解決點(diǎn)到多點(diǎn)通信資源分配問題，數(shù)據(jù)鏈路層由鏈路層控制(LLC)和介質(zhì)接入控制(MAC)兩個(gè)子層組成，LLC子層控制與信道沒有關(guān)系的鏈路層；MAC 子層完成多址接入、分組調(diào)度、協(xié)議適配、透明傳輸以及封裝成幀等等。

3)物理層：完成調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼、上下變頻以及射頻收發(fā)等功能，主要是解決點(diǎn)到點(diǎn)基本通信問題。

因此，由系統(tǒng)分層協(xié)議棧中的位置可知：介質(zhì)訪問控制協(xié)議處在自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層。它決定無線信道在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的使用方式，負(fù)責(zé)在節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源。MAC 協(xié)議能否有效地使用無線信道的有限帶寬，將對 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性的作用。它的好壞直接關(guān)系到信道的利用效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。這也是自從 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)至今，對 MAC 協(xié)議的研究經(jīng)久不衰的根本原因[2]。

2 改進(jìn)的MAC協(xié)議算法描述

已有的基于傳統(tǒng)定向天線的MAC協(xié)議可以在特定方向上形成波束，不會(huì)干擾到其他方向上節(jié)點(diǎn)的接收，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并行通信能力，得到更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但定向天線方向、波束寬度一定，無法進(jìn)行波速角度和寬度的按需配置。

改進(jìn)的MAC層根據(jù)組網(wǎng)模塊發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行MAC地址判斷，如果數(shù)據(jù)幀的MAC地址為廣播或組播地址，則說明該數(shù)據(jù)幀需要進(jìn)行全向發(fā)送，所以通過CSMA/CA流程將該廣播/組播數(shù)據(jù)傳輸給物理層，并通過物理層幀幀頭設(shè)置物理層使用全向的扇區(qū)和權(quán)值進(jìn)行發(fā)送；如果數(shù)據(jù)幀的MAC地址為單播地址，則說明該數(shù)據(jù)幀需要進(jìn)行定向發(fā)送[3]，首先查找MAC層用戶信息表(實(shí)際查找用戶表的過程在進(jìn)行DIFS等待時(shí)實(shí)現(xiàn)，用以減少M(fèi)AC層處理時(shí)延)，如果用戶信息表能夠查找到目的節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)和權(quán)值信息，則說明該用戶可以進(jìn)行定向發(fā)送，設(shè)定物理層幀頭的節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)和權(quán)值等信息，并將該數(shù)據(jù)幀傳輸給物理層；如果用戶信息表中無法查找到該用戶，或該用戶無扇區(qū)和權(quán)值信息，則說明該用戶只能進(jìn)行全向發(fā)送，設(shè)定物理層使用全向的扇區(qū)和權(quán)值進(jìn)行發(fā)送[4-5]。改進(jìn)的MAC層協(xié)議基本工作流程如圖2所示。

本協(xié)議基于的天線系統(tǒng)是自適應(yīng)定向天線陣系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)同時(shí)全向發(fā)射，收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行接收波束權(quán)值以及DOA的計(jì)算，獲取用戶節(jié)點(diǎn)表，完成后將扇區(qū)、權(quán)值、DOA信息連同對應(yīng)的MAC幀上報(bào)給MAC層，此時(shí)判斷MAC層地址為廣播地址/單播地址，如果為廣播地址則進(jìn)行全向發(fā)送，如果為單播地址則進(jìn)行定向發(fā)送。本系統(tǒng)MAC協(xié)議示意圖如圖3所示。

圖2 MAC層工作流程

圖3 本系統(tǒng)MAC協(xié)議示意圖

3 仿真與分析

3.1 OPNET仿真建模機(jī)制

OPNET是一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真軟件，具有建模層次分明、API函數(shù)庫功能強(qiáng)大、開發(fā)界面友好等優(yōu)點(diǎn)，適合現(xiàn)代通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)仿真。

OPNET提供了良好的開發(fā)接口，采用三層建模機(jī)制，分別為進(jìn)程(Process)模型、節(jié)點(diǎn)(Node)模型以及網(wǎng)絡(luò)模型(Network)，處于最底層的進(jìn)程模型通過狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；中間層為節(jié)點(diǎn)模型，由不同功能的協(xié)議模型組成，用來定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，三層模型可以理想化地表示實(shí)際生活中網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議，為全面提升網(wǎng)絡(luò)性能提供了基礎(chǔ)[6,8]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型

仿真場景由32個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，隨機(jī)地分布在20km×20km的區(qū)域中，網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

3.3 節(jié)點(diǎn)模型

節(jié)點(diǎn)模型是由用來定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為的協(xié)議模型組成，它是在WLAN 模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，節(jié)點(diǎn)模型指定了不同模塊的輸入和輸出接口應(yīng)怎樣通過連接線對象進(jìn)行連接。為了便于仿真，高層模塊直接簡化為 Source模塊和 Sink 模塊，協(xié)議的節(jié)點(diǎn)模型構(gòu)成如圖5所示?；谧赃m應(yīng)定向窄波束的多址協(xié)議接入方式適配性改進(jìn)主要體現(xiàn)在mac模塊中。模塊之間的實(shí)線為數(shù)據(jù)流，虛線為包流統(tǒng)計(jì)線[7]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型

圖5 節(jié)點(diǎn)模型

各個(gè)處理模型的功能如下:

1)Source：產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，通過鏈路預(yù)算將距離與數(shù)據(jù)速率匹配，并發(fā)送到mac_intf;

2)Sink：用于銷毀從 MAC 層接收到的數(shù)據(jù)包;

3)mac_intf：負(fù)責(zé)為Source模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分配MAC地址，此外，將從MAC層接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到sink模塊進(jìn)行銷毀;

4)mac：此處理模型是基于CSMA/CA改進(jìn)后的協(xié)議的工作模塊，是負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，協(xié)議調(diào)度算法在該模塊中實(shí)現(xiàn);

5)rx，direc_rx：節(jié)點(diǎn)接收信息通道模塊，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)從無線信道中接收信號(hào)和數(shù)據(jù);

6)tx，direc_tx：節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息通道模塊，負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中;

7)direc _ant 、omni _ant：定向天線模塊與全向天線模塊，用于計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的增益參數(shù)。節(jié)點(diǎn)模型中有兩組發(fā)射機(jī)-天線-接收機(jī)三元組:(tx—omni —ant、rx)、(direc tx—direc ant—direc _rx)。兩組三元組構(gòu)成物理層，分別負(fù)責(zé)全向和定向的數(shù)據(jù)發(fā)送接收，用來模擬全向天線和定向天線可隨時(shí)切換的智能天線系統(tǒng)。每個(gè)天線陣元采用理想的天線參數(shù)模型。

3.4 進(jìn)程模型

圖6為本文設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議的進(jìn)程模型，整個(gè)模型采用基于CSMA/CA的分布式多址接入機(jī)制，并針對自適應(yīng)定向天線陣系統(tǒng)做出了一定的修改[2-5]。模型中保留原來的狀態(tài)，但是在各個(gè)狀態(tài)中對中斷的處理和轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行了修改。該模型分為13個(gè)狀態(tài)，分別說明如下:

1)INIT1:主要用于進(jìn)程模型中初始化狀態(tài)變量；

2)INIT2:主要用于初始化MAC層的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；

3)INIT3：主要用于初始化MAC層仿真參數(shù)；

4)IDLE:當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)處于該狀態(tài)；

5)DIFS:根據(jù)DIFS值設(shè)定DIFS定時(shí)器，并時(shí)刻查看物理信道是否空閑；

6)BACKOFF:根據(jù)最新的BACKOFF_TIME數(shù)值設(shè)定BACKOFF定時(shí)器，首先查看物理信道是否空閑，如果否，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)并停止BACKOFF定時(shí)器，將退避窗口減去已運(yùn)行過的定時(shí)器時(shí)間，如果是，則其次查看BACKOFF定時(shí)器是否超時(shí)，如果超時(shí)，先在退避窗口中隨機(jī)選取最新的BACKOFF_TIME數(shù)值，判斷需要發(fā)送的數(shù)據(jù)是全向還是定向數(shù)據(jù)，如果是全向數(shù)據(jù)則進(jìn)入DATA_TX狀態(tài)(跳至步驟f)，如果是定向數(shù)據(jù)則進(jìn)入RTS_TX狀態(tài)；

7)RTS_TX:發(fā)送相應(yīng)的RTS幀并進(jìn)入CTS_RX狀態(tài)；

圖6 進(jìn)程模型

8)CTS_RX:狀態(tài)后，根據(jù)CTS_WAIT_TIME值設(shè)定CTS_WAIT定時(shí)器，等待CSMA事件信號(hào)量并掛起任務(wù)，如果有事件發(fā)生，則查看是否接收到正確的CTS幀，如果有則停止CTS_WAIT定時(shí)器，并進(jìn)入DATA_TX狀態(tài)，如果未正確收到RTS幀，則查看CTS_WAIT定時(shí)器是否超時(shí)，如果超時(shí)，則進(jìn)入INC_CW狀態(tài)(跳至步驟9)；

9)DATA_TX:根據(jù)全向數(shù)據(jù)或者定向數(shù)據(jù)確定全向/定向發(fā)送；

10)進(jìn)入ACK_RX狀態(tài)后，根據(jù)ACK_WAIT_TIME值設(shè)定ACK_WAIT定時(shí)器，等待CSMA事件信號(hào)量并掛起任務(wù)，如果有事件發(fā)生，則查看是否接收到正確的ACK幀，如果有則停止ACK_WAIT定時(shí)器，并進(jìn)入RES_CW狀態(tài)，如果未正確收到ACK幀，則查看ACK_WAIT定時(shí)器是否超時(shí)，如果超時(shí)，則進(jìn)入INC_CW狀態(tài)(跳至步驟9)；

11)進(jìn)入RES_CW狀態(tài)，恢復(fù)默認(rèn)退避窗口值，并進(jìn)入IDLE狀態(tài)；

12)進(jìn)入INC_CW狀態(tài)，加倍退避窗口的最新值，查看重傳次數(shù)，如果重傳次數(shù)小于3，則進(jìn)入DIFS狀態(tài)，如果重傳次數(shù)大于等于3，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

3.5 仿真參數(shù)設(shè)置

如表1所示。

表1 參數(shù)配置表

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度120 km/h節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍20 km×20 km節(jié)點(diǎn)總數(shù)32個(gè)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)通信距離2 km物理層數(shù)據(jù)率100 Mb/s數(shù)據(jù)分組長度10240 byte節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨機(jī)漫游天線形態(tài)多收多發(fā)

3.6 仿真結(jié)果分析

1)查看服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及吞吐量

本文統(tǒng)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，如圖7所示，這里吞吐量的統(tǒng)計(jì)方式為所有32個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒鐘正確接收到的包的數(shù)量取平均。由圖可以看出，在此仿真平臺(tái)的情況下，平均每秒產(chǎn)生200個(gè)包，仿真30 s，以太網(wǎng)負(fù)載為85 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)最大的平均吞吐量為45 Mb/s，圖形清晰，表明產(chǎn)生一定的開銷，吞吐量達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

圖7 以太網(wǎng)負(fù)載及吞吐量

2)查看網(wǎng)絡(luò)的全局以太網(wǎng)時(shí)延

從圖8可以看出，仿真整體過程中曲線變化比較明顯，所有端到端的包的平均延遲時(shí)間為0.00035 s，物理層數(shù)據(jù)率是100 Mb/s，定向天線分為四個(gè)扇區(qū)，吞吐量在一個(gè)方向上CSMA的有效傳輸?shù)恼伎毡戎挥?0%，四個(gè)方向大概為40 Mb/s，單個(gè)包的大小為10240 byte，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，從理論上對平均時(shí)延作一個(gè)近似計(jì)算。根據(jù)數(shù)學(xué)分析，有

圖8 全局以太網(wǎng)時(shí)延

此外，網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延還包括傳播時(shí)延、處理時(shí)延以及排隊(duì)時(shí)延，由此可見，理論計(jì)算得出的平均時(shí)延和仿真結(jié)果是相吻合的。

3)采用全向天線和定向天線系統(tǒng)的平均吞吐量

圖9仿真結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)采用定向天線的系統(tǒng)平均吞吐量比全向天線提升了近17Mb/s。因?yàn)槿蛱炀€波束采用全向覆蓋，容易重疊，節(jié)點(diǎn)間通信易出現(xiàn)干擾。而定向天線波束是根據(jù)信號(hào)的實(shí)際空間譜變化情況加權(quán)系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)行更加靈活的波束形成處理，通過在期望方向形成波束，干擾方向形成自適應(yīng)“零陷”濾除干擾，降低截獲概率，增加了系統(tǒng)容量和吞吐量[9-10]。通過自適應(yīng)定向窄波束的方向性實(shí)現(xiàn)了同樣波束區(qū)域內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)并行通信。

圖9 采用全向天線和定向天線系統(tǒng)的平均吞吐量

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于CSMA_CA改進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)機(jī)動(dòng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議吞吐延遲性能比較的仿真實(shí)現(xiàn)以及仿真結(jié)果。仿真結(jié)果從負(fù)載、時(shí)延、吞吐量等三個(gè)方面進(jìn)行分析。仿真結(jié)果顯示，本文所提出的在自適應(yīng)定向窄波束條件下，對CSMA_CA改進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)機(jī)動(dòng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議相較于其他全向天線或傳統(tǒng)定向天線協(xié)議，在協(xié)議積極性與碰撞率之間取得了更好的效果，因此吞吐率也大大高于其他協(xié)議。通過對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的建模及其網(wǎng)絡(luò)性能的分析，加深了對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)，為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步開發(fā)研究提供了參考。