一種基于雙忙音多址接入的無(wú)線自組網(wǎng)IDBTMA 協(xié)議研究

洪 增，王 平，張洪剛

(1.解放軍69240部隊(duì)，新疆 烏魯木齊830011；2.解放軍69242部隊(duì)，新疆 吐魯番838000)

0 引 言

目前，無(wú)論在民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展非常迅猛，尤其是在無(wú)人機(jī)集群中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)具有高動(dòng)態(tài)性、節(jié)點(diǎn)易失效、突發(fā)性流量高[2]等特點(diǎn)，存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道。由于碰撞、空閑偵聽等原因可能造成吞吐量顯著下降、時(shí)延增大等現(xiàn)象，導(dǎo)致信道資源的浪費(fèi)。為了高效、有序、公平地使用信道資源，適當(dāng)?shù)拿襟w接入控制(MAC)協(xié)議必不可少，因此對(duì)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的接入控制(MAC)協(xié)議研究具有非常重要的意義。

本文主要研究?jī)?nèi)容是在雙忙音多址接入(DBTMA)協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的DBTMA(IDBTMA)協(xié)議，提高信道利用率和降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

1 相關(guān)研究

在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究方面有很多的成果，比較典型的有ALOHA協(xié)議、CSMA及CSMA/CA協(xié)議、DBTMA協(xié)議[3]等，ALOHA協(xié)議是基于單信道的最簡(jiǎn)單的發(fā)送方主動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議，ALOHA 協(xié)議非常簡(jiǎn)單，幾乎沒(méi)有控制數(shù)據(jù)占用信道資源。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，ALOHA協(xié)議表現(xiàn)良好，但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加重，碰撞發(fā)生的概率不斷提高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量變得很低。在ALOHA協(xié)議中，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送是相互獨(dú)立的，節(jié)點(diǎn)間發(fā)生碰撞的概率很高。為改善這一情況，提出了載波監(jiān)聽多址協(xié)議(CSMA)。在該協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先對(duì)信道進(jìn)行載波監(jiān)聽，當(dāng)確定沒(méi)有其它節(jié)點(diǎn)使用信道時(shí)再進(jìn)行發(fā)送。CSMA協(xié)議不能完全避免碰撞的發(fā)生，因?yàn)檫€存在不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)聽、同時(shí)發(fā)送的可能性。但相比于ALOHA 協(xié)議，CSMA 協(xié)議已經(jīng)使碰撞發(fā)生的概率大大降低。CSMA/CA協(xié)議是對(duì)CSMA協(xié)議的增強(qiáng)，是基于碰撞避免(CA)機(jī)制的CSMA協(xié)議。在CSMA/CA協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑后并不直接進(jìn)行發(fā)送，而是等待信道保護(hù)預(yù)定的一段靜默時(shí)間后才發(fā)送，靜默期允許最差情況下的傳播時(shí)延和處理時(shí)延。

雙忙音多址接入?yún)f(xié)議(DBTMA)是針對(duì)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重情況下RTS/CTS幀發(fā)生碰撞的概率較大的問(wèn)題提出的，雙忙音多址協(xié)議不僅提高了效率，而且使隱含終端和暴露終端問(wèn)題得到了很好的解決。

雖然ALOHA協(xié)議、CSMA及CSMA/CA協(xié)議、DBTMA 協(xié)議在各自的應(yīng)用場(chǎng)景解決了一些問(wèn)題，但是仍有一些缺點(diǎn)需要改進(jìn)，比如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時(shí)產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，握手期間數(shù)據(jù)信道處于閑置狀態(tài)，無(wú)線信道沒(méi)有得到充分使用等。

針對(duì)ALOHA協(xié)議、CSMA及CSMA/CA協(xié)議、DBTMA 協(xié)議的缺點(diǎn)，本文在雙忙音多址接入(DBTMA)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IDBTMA。

2 IDBTMA 協(xié)議

2.1 雙忙音多址接入?yún)f(xié)議(DBTMA)

雙忙音多址接入(DBTMA)協(xié)議是一種競(jìng)爭(zhēng)類接入?yún)f(xié)議，綜合了BTMA和RTS/CTS 的優(yōu)點(diǎn)，能使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提高。在控制信道的使用上，雙忙音多址接入?yún)f(xié)議還使用了2個(gè)控制信道上的忙音來(lái)標(biāo)示信道的狀態(tài)[4]。同樣，DBTMA協(xié)議將信道劃分為控制信道和數(shù)據(jù)信道，控制信道上傳輸控制分組，數(shù)據(jù)信道傳輸數(shù)據(jù)分組，除此之外，還在控制信道上額外增加了傳送忙音BTt和接收忙音BTr，這2個(gè)窄帶忙音頻帶彼此分離、互不干擾?？刂菩诺?、數(shù)據(jù)信道及忙音信號(hào)的頻譜分布如圖1所示。

圖1 控制信道、數(shù)據(jù)信道及忙音信號(hào)的頻譜分布

雙忙音多址接入?yún)f(xié)議的工作流程如圖2所示。

圖2 雙忙音多址接入?yún)f(xié)議工作流程圖

通信過(guò)程中的時(shí)隙圖如圖3 所示。在通信期 間，與RTS/CTS握手方法相比，雙忙音多址協(xié)議不僅提高了效率，而且解決了暴露終端和隱含終端的問(wèn)題。分析原因：一是在雙忙音多址協(xié)議中RTS/CTS不再擔(dān)負(fù)預(yù)約信道任務(wù)，僅用來(lái)探測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)(是否空閑)；二是隱含終端可以接收到BTr信號(hào)，不會(huì)與其它節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生信道沖突，暴露終端接收不到BTr信號(hào)時(shí)，雖然不能接收數(shù)據(jù)，但是可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 發(fā)送過(guò)程時(shí)隙圖

雖然DBTMA協(xié)議使系統(tǒng)效率得到了提高，并且使暴露終端和隱含終端問(wèn)題得到了較好的解決[3]，但是該協(xié)議解仍有一些需要改進(jìn)的空間。一是信道使用效率方面仍需要提高，主要表現(xiàn)為控制信道在數(shù)據(jù)信道傳送數(shù)據(jù)時(shí)始終處于空閑狀態(tài)，而控制信道交互時(shí)，數(shù)據(jù)信道也處于空閑狀態(tài)，一定程度上造成信道資源浪費(fèi)；二是節(jié)點(diǎn)在控制信道相互交互時(shí)，沒(méi)有忙音來(lái)提供保護(hù)，這就容易造成節(jié)點(diǎn)受到其它節(jié)點(diǎn)干擾；三是MILD 退避算法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目持續(xù)不斷增多時(shí)，線性遞減變化就會(huì)變慢，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值經(jīng)常處于不合理的范圍之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)性能就會(huì)變差。

2.2 IDBTMA 協(xié)議

與雙忙音多址協(xié)議相比，IDBTMA 協(xié)議依然使用控制信道和忙音信道來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸工作，不同的是，IDBTMA協(xié)議在接收節(jié)點(diǎn)使用WTR(want to receive)信號(hào)和ACK 確認(rèn)信號(hào)來(lái)代替RTS/CTS會(huì)話，為了克服控制信道交互沒(méi)有忙音保護(hù)的現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)在控制信道相互交互過(guò)程中會(huì)發(fā)送BTr和帶有本節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符BTr忙音信號(hào)，以此來(lái)保障數(shù)據(jù)在信道上能安全發(fā)送。

IDBTMA 協(xié)議工作流程如圖4所示。

圖4 IDBTMA 協(xié)議工作流程圖

一次通信過(guò)程時(shí)隙圖如圖5所示。

在通信過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)信道發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程稱為泊松過(guò)程。在發(fā)送過(guò)程中，信道狀態(tài)的檢查不會(huì)存在誤檢，暴露終端、誤碼現(xiàn)象及報(bào)文處理時(shí)間在信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以忽略不計(jì)，故系統(tǒng)參數(shù)假設(shè)如下：?jiǎn)挝籛TR信號(hào)和ACK確認(rèn)信號(hào)的長(zhǎng)度同為γ，單位數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度、信道時(shí)延、數(shù)據(jù)平均成功到點(diǎn)率分別為δ、τ、λ，在T0時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)總的成功到點(diǎn)數(shù)為Z，信道利用率為S，數(shù)據(jù)在信道傳輸?shù)闹芷谟烧加闷诤涂臻e期構(gòu)成構(gòu)成，其中占用期是指在占用期時(shí)間內(nèi)信道上始終有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，反之稱之為空閑期?？梢缘贸鋈缦鹿剑?/p>

圖5 收發(fā)過(guò)程時(shí)隙圖

式中：為通信過(guò)程中數(shù)據(jù)成功傳輸所花費(fèi)的時(shí)間。

在同一個(gè)模塊內(nèi)，數(shù)據(jù)和忙音實(shí)現(xiàn)收發(fā)，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須以固定的間隔周期來(lái)檢測(cè)通信信道狀態(tài)(忙音或空閑)。在這里設(shè)忙音的誤碼率為P e，因此得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信道為空閑錯(cuò)誤的概率P b為：

在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在信道中被傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功接收一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的過(guò)程簡(jiǎn)要表示為：首先WTR被傳輸成功，其次信道上數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸成功，最后ACK 確認(rèn)符回執(zhí)成功。于是成功接收數(shù)據(jù)報(bào)文的概率P s為：P s=數(shù)據(jù)被成功接收的概率=WTR 被成功接收的概率。

在發(fā)送節(jié)點(diǎn)所在通信范圍內(nèi)，接收WTR 成功的概率是指在其接收WTR 期間，只有1個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)的概率。當(dāng)然穩(wěn)定性這一因素的影響不能不考慮到，于是得到：PWTR=WTR被成功接收的概率=(在τ內(nèi)只有1個(gè)WTR到達(dá))/(在τ內(nèi)有WTR到達(dá))的概率。

可以得到：

WTR 被成功接收后，如果接收數(shù)據(jù)也成功，其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)信道狀態(tài)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)誤檢測(cè)的情況，那么WTR被接收成功，成功接收數(shù)據(jù)的概率為：PDATA=(數(shù)據(jù)被成功接收)/(WTR被成功接收)的概率=其它有數(shù)據(jù)需要接收的節(jié)點(diǎn)未檢測(cè)到信道空閑的概率。

數(shù)據(jù)一旦接收成功后，那么成功接收確認(rèn)信號(hào)ACK 的條件是：隱含終端的報(bào)文數(shù)據(jù)在最大傳輸時(shí)延τ內(nèi)沒(méi)有到達(dá)或者信道內(nèi)沒(méi)其報(bào)文，原因是在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，隱含終端與非隱含終端的比為η，于是得到隱含報(bào)文的到達(dá)率為λ×η，成功接收數(shù)據(jù)后，接收確認(rèn)信號(hào)ACK 成功的概率為：PACK=在τ內(nèi)沒(méi)有WTR 到達(dá)的概率。

于是得到：

可以得到：

成功傳輸1個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間包括：傳輸WTR 花費(fèi)的時(shí)間，傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文花費(fèi)的時(shí)間，傳輸確認(rèn)信號(hào)ACK花費(fèi)的時(shí)間以及信道時(shí)延，于是接收數(shù)據(jù)成功的時(shí)間T S為：

未成功接收數(shù)據(jù)的時(shí)間包括信道上WTR 沖突時(shí)間、確認(rèn)信號(hào)ACK沖突時(shí)間以及數(shù)據(jù)報(bào)文沖突的時(shí)間，由三者之和構(gòu)成。而沖突時(shí)間又由信道時(shí)延和沖突報(bào)文的疊加長(zhǎng)度二者之和組成?？紤]到數(shù)據(jù)在信道上送達(dá)的過(guò)程為泊松過(guò)程，所以可以近似認(rèn)為沖突報(bào)文的疊加為平均分布，于是分別得到WTR 沖突時(shí)間為，確認(rèn)信號(hào)ACK 的沖突時(shí)間為，數(shù)據(jù)報(bào)文沖突時(shí)間為，所以：

當(dāng)然，數(shù)據(jù)在信道上傳輸成功花費(fèi)的時(shí)間和傳輸不成功花費(fèi)的時(shí)間之和稱之為信道的占用期。那么信道占用期表示為：

在信道上傳輸數(shù)據(jù)成功的時(shí)間為：

前面提到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須以固定的間隔周期來(lái)檢測(cè)通信信道狀態(tài)(忙音或空閑)，這里固定的間隔是指1個(gè)符號(hào)周期，通過(guò)1個(gè)符號(hào)周期才能檢測(cè)信道狀態(tài)是否為空閑，因此信道狀態(tài)為空閑的時(shí)間是由M個(gè)長(zhǎng)度為T0的時(shí)隙組成，則M的平均值為：

式中：P0=在T0內(nèi)無(wú)WTR 到達(dá)的概率=e-G。

另外，在接入信道前，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要在連續(xù)n個(gè)符號(hào)周期內(nèi)檢測(cè)信道狀態(tài)為無(wú)忙音。因此，信道的空閑期為：

綜上，可以得出信道的利用率為：

3 模擬仿真

本文設(shè)計(jì)場(chǎng)景為無(wú)人機(jī)集群以相似角速度的環(huán)狀航行[5]，仿真了在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下ALOHA協(xié)議、CSMA/CA 協(xié)議及IDBTMA協(xié)議的信道利用率和平均時(shí)延，使用OPNET 軟 件[6]仿真結(jié)果分析如下：當(dāng)信道速率為2 Mbps，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度服從參數(shù)為1 024 bytes的指數(shù)分布，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)且均為數(shù)據(jù)源，無(wú)線傳播時(shí)延參數(shù)設(shè)置為1μs，接收數(shù)據(jù)報(bào)文功率門限參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值，緩存區(qū)內(nèi)存參數(shù)設(shè)置為250 Mb。ALOHA 協(xié)議，CSMA/CA協(xié)議，IDBTMA協(xié)議在不同包到達(dá)率情況下的信道占用率如圖6 所示：包產(chǎn)生率在200 packets/s 以 下 時(shí)，ALOHA、CSMA/CA、IDBTMA 3個(gè)協(xié)議性能接近。此時(shí)，信道資源未被充分利用，碰撞發(fā)生的概率較低。隨著包產(chǎn)生率的提高，信道利用率達(dá)到峰值。由于改進(jìn)型DBTMA 能夠避免由于隱藏終端和暴露終端產(chǎn)生的碰撞的發(fā)生，因而IDBTMA協(xié)議的信道占用率性能明顯優(yōu)于ALOHA、CSMA/CA 協(xié)議。

圖6 信道利用率隨網(wǎng)絡(luò)流量的變化

在網(wǎng)絡(luò)流量較低的情況下，碰撞發(fā)生的概率極低，延時(shí)主要由控制信息的交換、節(jié)點(diǎn)處理信息耗時(shí)造成。CSMA/CA的控制信息交換機(jī)制比改進(jìn)型DBTMA協(xié)議控制信息交換機(jī)制簡(jiǎn)單，因而CSMA/CA 協(xié)議的時(shí)延小于IDBTMA協(xié)議。ALOHA 協(xié)議幾乎沒(méi)有控制信息，時(shí)延比前兩者都要小。但隨著流量的增大，碰撞成為決定時(shí)延大小的主要因素，IDBTMA 協(xié)議優(yōu)秀的碰撞回避機(jī)制，使其平均時(shí)延小于ALOHA 和CSMA/CA 協(xié)議。

平均時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)流量的變化如圖7所示。

圖7 平均時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)流量的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了IDBTMA協(xié)議，通過(guò)仿真，在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，與ALOHA協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議相比，IDBTMA 協(xié)議信道利用率更高，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延更小。