具有分組捎帶發(fā)送的快速協(xié)作分級(jí)MAC 協(xié)議

李亞燕

（中國(guó)民用航空廈門空中交通管理站技術(shù)保障部 福建省廈門市 361000）

1 引言

民航地空數(shù)據(jù)鏈通信是一種在飛機(jī)和地面系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。目前可以選擇的傳輸媒介有：甚高頻、衛(wèi)星、高頻和二次監(jiān)視雷達(dá)的S 模式，在幾種傳輸媒介中，甚高頻的地空數(shù)據(jù)鏈相對(duì)于高頻地空數(shù)據(jù)鏈而言，具有通信可靠性高，信息傳輸速率快、延遲小的特點(diǎn)；而相對(duì)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈和S 模式數(shù)據(jù)鏈而言，甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈則具有投資少、使用簡(jiǎn)單方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，因而已經(jīng)成為地空數(shù)據(jù)鏈通信的主要手段。由于民航無(wú)線資源十分有限，如何合理有效地利用無(wú)線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，成為行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

目前我國(guó)地空數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是VDL-2 和ACARS 模式并存，這兩項(xiàng)技術(shù)的媒體接入層（MAC）都采用載波監(jiān)聽多址接入（CSMA）協(xié)議，這種傳統(tǒng)接入方式的優(yōu)點(diǎn)是適用于傳輸具有突發(fā)特性的業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)較少或業(yè)務(wù)量較小時(shí)，可以獲得較小的接入時(shí)延和較高的信道利用率。盡管它可以解決固定分配所造成的信道資源浪費(fèi)問(wèn)題，但也會(huì)引起由隱藏終端所帶來(lái)的分組碰撞和暴露終端所帶來(lái)的可用信道資源空閑浪費(fèi)的問(wèn)題。尤其是在較大業(yè)務(wù)量時(shí)，隱藏終端會(huì)造成大量的分組碰撞，加劇了分組的重傳和超過(guò)重傳次數(shù)的分組丟棄，最終導(dǎo)致平均分組接入時(shí)延和分組丟棄率加大，信道吞吐量下降，協(xié)議多址性能有待提高。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，信號(hào)傳播過(guò)程中存在的信號(hào)衰減以及節(jié)點(diǎn)發(fā)送間的信號(hào)干擾較大地影響了信號(hào)的傳輸質(zhì)量，而協(xié)作通信能夠較好地解決這些問(wèn)題。協(xié)作通信是指節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通信所固有的廣播特性，處于通信范圍內(nèi)的一些節(jié)點(diǎn)充當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，幫助發(fā)方將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給收方，從而有效對(duì)抗衰落、提高頻譜效率和通信可靠性。協(xié)作MAC 協(xié)議研究中，將協(xié)作思想應(yīng)用于MAC 層來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)性能的主要出發(fā)點(diǎn)有兩個(gè)：一是為了提高信息的傳輸速率或頻譜效率，二是為了增強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃?，提高抗干擾能力。當(dāng)前許多協(xié)作MAC 協(xié)議同時(shí)綜合考慮了傳輸速率和可靠性兩個(gè)方面，如NCACWTC 協(xié)議和2rcMAC 協(xié)議。

為了獲得較高的協(xié)作增益，提高協(xié)議的多址性能，使其適用于當(dāng)前航班量快速增長(zhǎng)的民航地空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，需要解決如何選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)以及采取何種協(xié)作方式等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種適用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的快速分級(jí)協(xié)作MAC 協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)協(xié)作節(jié)點(diǎn)到收發(fā)雙方之間的數(shù)據(jù)速率將協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)競(jìng)爭(zhēng)選用，同一優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)再采用k 輪沖突分解方法進(jìn)行區(qū)分，從而可以快速選擇出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)。另外，采用分組捎帶發(fā)送機(jī)制，即高速率傳輸?shù)膮f(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作發(fā)送完發(fā)方的數(shù)據(jù)分組后，不用進(jìn)行信道預(yù)約就可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)分組，從而提高協(xié)議的多址性能。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在一定的區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一部半雙工收發(fā)信機(jī)，并且以固定功率發(fā)送所有分組（包括控制分組和數(shù)據(jù)分組）。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)無(wú)線信道，所有的控制分組和數(shù)據(jù)分組傳輸都在這個(gè)信道上完成，并假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間的信道是完全對(duì)稱的。

網(wǎng)絡(luò)支持多種速率（1、2、5.5 和11 Mbps）傳輸，節(jié)點(diǎn)間根據(jù)它們之間能夠支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以基本傳輸速率（本文設(shè)定為1 Mbps）發(fā)送RTS、CTS、確認(rèn)（ACK）等控制分組。節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)接收到的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的信息（如信噪比等）計(jì)算出它與鄰節(jié)點(diǎn)之間滿足一定誤碼率要求的可支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 RCD-MAC協(xié)議

RCD-MAC 協(xié)議采用高速率協(xié)作節(jié)點(diǎn)幫助低速率節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，以獲得協(xié)作增益。整個(gè)協(xié)議包括三個(gè)階段，分別為預(yù)約階段、協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段和數(shù)據(jù)分組發(fā)送階段。其中協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段又分為優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段和同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段，可以快速地選擇出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)，提高協(xié)作效率和協(xié)作增益。協(xié)議中還采用分組捎帶發(fā)送機(jī)制，即高速率、有分組發(fā)送的協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以在當(dāng)前協(xié)作發(fā)送的數(shù)據(jù)分組中攜帶了包括協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)間信息，為協(xié)作節(jié)點(diǎn)預(yù)約了信道資源，使得協(xié)作節(jié)點(diǎn)在協(xié)作發(fā)方發(fā)送完數(shù)據(jù)分組后，不用進(jìn)行預(yù)約握手，直接將自己的數(shù)據(jù)分組發(fā)往相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)發(fā)生分組碰撞。在無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中，發(fā)方的接收節(jié)點(diǎn)都是接入點(diǎn)，而在無(wú)線自組織（ad hoc）網(wǎng)絡(luò)中，接收節(jié)點(diǎn)則是隨機(jī)分布的。由于分組捎帶發(fā)送中，相當(dāng)于當(dāng)前發(fā)方為協(xié)作節(jié)點(diǎn)預(yù)留了信道資源，發(fā)方的數(shù)據(jù)分組發(fā)送與協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組發(fā)送相互獨(dú)立，它們的接收節(jié)點(diǎn)可以相同也可以不同。因此，RCD-MAC 協(xié)議的分組捎帶發(fā)送機(jī)制在WLAN 和ad hoc 這兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都適用。分組捎帶發(fā)送機(jī)制減少了預(yù)約開銷，加快了節(jié)點(diǎn)接入、數(shù)據(jù)分組發(fā)送，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3.1 預(yù)約階段

當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑時(shí)，按照802.11 DCF 方式以基本速率發(fā)送一個(gè)RTS 分組給收方。收方收到RTS 分組后，根據(jù)接收到的信號(hào)的信噪比判斷自己到發(fā)方能夠支持的最高速率R，并將該速率信息攜帶在CTS 分組中回復(fù)給發(fā)方。通過(guò)RTS/CTS 握手，收發(fā)雙方能夠知道彼此間能支持的最高速率R，而網(wǎng)絡(luò)中其他能夠同時(shí)收到并成功解碼RTS/CTS 分組的節(jié)點(diǎn)，也能夠知道自己與收發(fā)雙方之間能夠支持的最高速率R和R。如果收發(fā)雙方能夠支持高速傳輸，即R為11 Mbps 或5.5 Mbps，則發(fā)方采用直傳的方式將分組發(fā)往收方，如圖1 所示。否則采取協(xié)作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分組發(fā)送，進(jìn)入下一部分的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段。

圖1： 收發(fā)雙方之間支持高速率，采用直傳的方式

3.2 協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段

協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇包括以下兩個(gè)部分：優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段和同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段。

3.2.1 優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段

協(xié)作節(jié)點(diǎn)在接收到CTS 分組并經(jīng)過(guò)SIFS+τ 時(shí)間后，沒有收到數(shù)據(jù)分組，說(shuō)明收發(fā)雙方不能支持高速率傳輸，要發(fā)起協(xié)作，協(xié)作節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段。這里采用τ 是為了給協(xié)作節(jié)點(diǎn)判斷是否需要進(jìn)行協(xié)作。如果收發(fā)雙方支持高速率傳輸，則發(fā)方在收到CTS 后就會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，在SIFS 時(shí)間間隔內(nèi)協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以偵聽到該分組，從而避免協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送與直傳數(shù)據(jù)分組發(fā)生發(fā)送沖突的情況。

優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段如圖2 所示，根據(jù)協(xié)作節(jié)點(diǎn)到收發(fā)雙方能夠支持的速率和協(xié)作節(jié)點(diǎn)本身是否有分組發(fā)送兩個(gè)因素，將協(xié)作節(jié)點(diǎn)劃分成12 個(gè)優(yōu)先級(jí)依次參與競(jìng)爭(zhēng)。協(xié)作節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)越高，其可以選擇的發(fā)送忙音的時(shí)隙就越靠前。第1、2、3、4 優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)為協(xié)作節(jié)點(diǎn)具有分組發(fā)送并且到收發(fā)雙方都是較高速率發(fā)送的情況，第5、6、7、8 優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)為到收發(fā)雙方都是高速率傳輸、但沒有分組發(fā)送的情況，第9、10 優(yōu)先級(jí)是具有分組發(fā)送和較高R、較低R的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，第11、12 優(yōu)先級(jí)為R和R其中之一為高速率、另一個(gè)為低速率以及沒有分組發(fā)送的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如圖2 所示，如果R和R均為最高數(shù)據(jù)速率11 Mbps，并且協(xié)作節(jié)點(diǎn)有分組發(fā)送，那么它就屬于第1 優(yōu)先級(jí)。前10個(gè)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的R和R情況只有一種，而后面兩個(gè)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的R和R的可能性有兩種，如第11 優(yōu)先級(jí)包括無(wú)分組發(fā)送協(xié)作節(jié)點(diǎn)情況下的R=2 Mbps、R=11 Mbps 和R=11 Mbps、R=2 Mbps 兩組數(shù)據(jù)速率，因?yàn)檫@兩類協(xié)作節(jié)點(diǎn)都不進(jìn)行攜帶發(fā)送，并且協(xié)作效率是一樣的，可以放在同一個(gè)優(yōu)先級(jí)上。每個(gè)優(yōu)先級(jí)包含3 個(gè)微時(shí)隙，每個(gè)微時(shí)隙長(zhǎng)度為δ。

圖2： 優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段

基于偵收到的RTS、CTS 分組，每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以判斷自己到發(fā)方和收方分別能夠支持的最高速率，并在相應(yīng)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的3 個(gè)微時(shí)隙中隨機(jī)選擇1 個(gè)發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間為δ的忙音信號(hào)。每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在此過(guò)程中要偵聽忙音的發(fā)送情況，如果已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)先發(fā)了忙音信號(hào)，說(shuō)明已經(jīng)有更高優(yōu)先級(jí)或同等優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)存在，其他節(jié)點(diǎn)就不再發(fā)送忙音信號(hào)，退出協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)。若網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音信號(hào)，優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段就可以提前結(jié)束，下一個(gè)微時(shí)隙就立刻進(jìn)入同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段。如果最高優(yōu)先級(jí)（即第1 優(yōu)先級(jí)）的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇第1 個(gè)微時(shí)隙發(fā)送忙音，則δ 時(shí)間后，優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段就可以提前結(jié)束，因此，優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段最短為δ，最長(zhǎng)為36δ。

例如，協(xié)作節(jié)點(diǎn)R本身有分組發(fā)送，并且其到發(fā)方和收方的數(shù)據(jù)速率分別為11 Mbps 和5.5 Mbps，如果在其發(fā)送忙音信號(hào)之前，沒有偵聽到網(wǎng)絡(luò)中有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音，它就隨機(jī)選擇第3 優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的3 個(gè)微時(shí)隙中的某個(gè)微時(shí)隙發(fā)送忙音信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)偵聽到該忙音，知道已經(jīng)存在更高優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作，就不再發(fā)送忙音。R就獲得了進(jìn)入同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段的機(jī)會(huì)，繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)作權(quán)。

3.2.2 同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段

由于在優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段中，可能有多個(gè)同等優(yōu)先級(jí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇同一個(gè)微時(shí)隙發(fā)送忙音，為了避免它們同時(shí)向收方發(fā)送分組而發(fā)生碰撞，協(xié)議中設(shè)置一個(gè)同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段。同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段采用k 次沖突分解方案，由k 輪沖突分解過(guò)程組成，每輪最多有m 個(gè)競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙。

在優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段成功發(fā)送了忙音的協(xié)作節(jié)點(diǎn)首先隨機(jī)選擇第一輪的m 個(gè)微時(shí)隙中的一個(gè)發(fā)送忙音信號(hào)，偵聽到忙音信號(hào)、但還沒有發(fā)送忙音信號(hào)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送忙音，退出競(jìng)爭(zhēng)，最先發(fā)送忙音的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一輪的相同競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，直到同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段結(jié)束。其中，同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段每輪在節(jié)點(diǎn)發(fā)出忙音信號(hào)后就可以提前結(jié)束，進(jìn)入下一輪的競(jìng)爭(zhēng)。一旦選擇出最佳的協(xié)作節(jié)點(diǎn)后，就進(jìn)入了數(shù)據(jù)分組發(fā)送階段。

三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程在工程測(cè)量中主要兩大部分，一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。前者，包括數(shù)據(jù)掃描及控制測(cè)量工作，控制測(cè)量主要包括高程控制測(cè)量及平面控制測(cè)量，而數(shù)據(jù)掃描主要包括標(biāo)靶三維坐標(biāo)測(cè)量及三維激光掃描。后者，包括虛擬測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)拼接以及數(shù)據(jù)抽隙等多個(gè)步驟。

中指出m=3、k=7 時(shí)，可以達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，并且選出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)的成功概率可達(dá)97.7%以上。因?yàn)樗釁f(xié)議在優(yōu)先級(jí)區(qū)分階段已經(jīng)進(jìn)行了一次沖突分解過(guò)程，所以此階段中我們?cè)O(shè)置k=6。在協(xié)議中，每個(gè)微時(shí)隙為δ，所以同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段的時(shí)間最短為6δ，最長(zhǎng)為18δ。圖3 為同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段的一個(gè)實(shí)例。

圖3： 同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)階段

3.3 數(shù)據(jù)分組發(fā)送階段

由于協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇過(guò)程中選擇出的協(xié)作節(jié)點(diǎn)種類不同，數(shù)據(jù)分組的發(fā)送過(guò)程也就不一樣。針對(duì)不同的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇情況，可將數(shù)據(jù)分組發(fā)送過(guò)程分為以下四類。

（1）如果協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇過(guò)程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)，則發(fā)方采用直傳的方式將數(shù)據(jù)分組發(fā)給收方，如圖4 所示。

圖4： 網(wǎng)絡(luò)中不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作

（2）如果在協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段中勝出的節(jié)點(diǎn)是有分組發(fā)往收方的高速率節(jié)點(diǎn)（即優(yōu)先級(jí)為1、2、3、4、9 或10的節(jié)點(diǎn)），此時(shí)可進(jìn)行分組捎帶發(fā)送，只不過(guò)前提是需要保證勝出的最優(yōu)協(xié)作節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)。如圖5 所示，協(xié)作節(jié)點(diǎn)為此需要再以RSH 速率發(fā)送一個(gè)協(xié)作傳輸（HTS，help-tosend）分組給發(fā)方，其中，指定分組捎帶發(fā)送的收方，HTS分組的幀格式與CTS 相同。如果發(fā)方成功接收并解碼HTS分組，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)獲勝，該協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以采用分組捎帶的方式協(xié)作發(fā)送數(shù)據(jù)分組。發(fā)方就在所發(fā)送的數(shù)據(jù)分組中指定協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作發(fā)送完發(fā)方的分組后，不需預(yù)約就可以進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)分組發(fā)送，并指定信道總共使用時(shí)間，然后以速率R將其數(shù)據(jù)分組發(fā)往協(xié)作節(jié)點(diǎn)。協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到發(fā)方的數(shù)據(jù)分組后，以速率RHD 將發(fā)方的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方，之后將自己的數(shù)據(jù)分組以相應(yīng)數(shù)據(jù)速率發(fā)往自己的接收節(jié)點(diǎn)。等兩個(gè)數(shù)據(jù)分組都發(fā)完后，發(fā)方的接收節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的接收節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行ACK 回復(fù)。

圖5： 有分組發(fā)送的高速率單一協(xié)作節(jié)點(diǎn)勝出

如圖6 所示，如果發(fā)方不能成功解碼HTS 分組，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送的HTS 分組發(fā)生了碰撞，不能采用分組捎帶的方式進(jìn)行協(xié)作傳輸。此時(shí)，發(fā)方就在數(shù)據(jù)分組中指定不采用分組捎帶的方式進(jìn)行協(xié)作傳輸，并以R速率將數(shù)據(jù)分組發(fā)給協(xié)作節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)再以速率R將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方。收方成功接收了數(shù)據(jù)分組后，回復(fù)一個(gè)ACK 給發(fā)方。

圖6： 有分組發(fā)送的高速率多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)勝出

（3）如果在協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇階段中勝出的節(jié)點(diǎn)是無(wú)分組發(fā)往收方的高速率節(jié)點(diǎn)（即優(yōu)先級(jí)為5、6、7、8、11 或12的節(jié)點(diǎn)），不進(jìn)行分組捎帶發(fā)送，不需發(fā)送HTS 分組判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)。在協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇階段結(jié)束后，發(fā)方以R速率將數(shù)據(jù)分組發(fā)給協(xié)作節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)再以速率R將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方。收方成功接收到數(shù)據(jù)分組后，回復(fù)一個(gè)ACK 分組。相關(guān)過(guò)程如圖7 所示。

圖7： 無(wú)分組發(fā)送的高速率協(xié)作節(jié)點(diǎn)勝出

4 性能評(píng)估

本文利用C 語(yǔ)言仿真評(píng)估了RCD-MAC 協(xié)議的性能，并與2rcMAC 協(xié)議[8]和CoopMACA 協(xié)議進(jìn)行了比較。仿真中采用網(wǎng)絡(luò)吞吐量（S）、飽和吞吐量和平均分組時(shí)延（D）作為多址性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量定義為單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)分組的信息量總和，飽和吞吐量定義為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)總有分組發(fā)送情況下單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)分組的信息量總和，平均分組時(shí)延定義為每個(gè)分組從產(chǎn)生時(shí)刻到其成功接入進(jìn)行無(wú)碰撞發(fā)送完所用的平均時(shí)間。

4.1 仿真環(huán)境

仿真中考慮了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，100 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在半徑為100 米的區(qū)域內(nèi)。仿真中采用IEEE 802.11b 可支持的數(shù)據(jù)傳輸速率，分別為11、5.5、2 和1 Mbps。在路徑損耗因子為3、誤比特率大于10的情況下，不同速率支持的最大數(shù)據(jù)傳輸距離如表1 所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組產(chǎn)生服從分組到達(dá)率為λ的泊松分布，默認(rèn)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度L為1kB。協(xié)議的其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2 所示，其中競(jìng)爭(zhēng)微時(shí)隙δ 的取值參考文獻(xiàn)，為1 μs。為了獲得更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的仿真結(jié)果，每輪仿真的數(shù)據(jù)分組發(fā)送個(gè)數(shù)為100 萬(wàn)個(gè)，取50 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞钠骄底鳛樽罱K的仿真結(jié)果。為了充分體現(xiàn)多址性能，仿真中只考慮MAC 層中由于分組碰撞所造成的傳輸失敗，而不考慮物理層上由于傳輸過(guò)程中的信道錯(cuò)誤而造成的分組傳輸失敗。

表1： 傳輸速率與傳輸范圍的關(guān)系

表2： 協(xié)議參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

圖8、9 是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)RCD-MAC、CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議性能的影響。由圖中可以看出，當(dāng)分組到達(dá)率較小時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，3 個(gè)協(xié)議的吞吐量均增大，而分組時(shí)延上升較小。當(dāng)分組到達(dá)率很大，即網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，吞吐量和飽和吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而略有下降，時(shí)延急劇上升。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)還沒達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，分組到達(dá)率相同情況下節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，業(yè)務(wù)量就越高，但各節(jié)點(diǎn)發(fā)送隊(duì)列中積壓的分組數(shù)很少，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組都能及時(shí)得到傳輸，成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組數(shù)也就越多，造成吞吐量隨之上升，而時(shí)延變化較小。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和狀態(tài)后，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量越重，分組碰撞情況就越嚴(yán)重，數(shù)據(jù)分組需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間才能接入發(fā)送，造成協(xié)議的吞吐量下降，而時(shí)延會(huì)急劇上升。由于所提協(xié)議采用分組捎帶發(fā)送機(jī)制，并且協(xié)作時(shí)所用開銷小，使得協(xié)作增益較大，較好地抵消了由于分組碰撞而導(dǎo)致的性能下降，因此，業(yè)務(wù)量較重情況下其吞吐量性能隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的變化不大。由圖還可以看出，RCD-MAC 協(xié)議的吞吐量明顯高于CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100 時(shí)，RCD-MAC 協(xié)議的最大吞吐量比CoopMACA 協(xié)議高出了39.6%，比2rcMAC 協(xié)議高出了9.6%。這是因?yàn)镽CD-MAC 協(xié)議采用更快、更為有效的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制以及提高傳輸效率的分組捎帶發(fā)送機(jī)制，可以減少預(yù)約過(guò)程，使得網(wǎng)絡(luò)預(yù)約開銷更小，因此，其吞吐量性能最好，平均分組時(shí)延也最小。

圖8： 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的吞吐量

圖9： 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的平均分組接入時(shí)延

5 結(jié)論

本文提出一種適用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的快速協(xié)作分級(jí)MAC 協(xié)議。該協(xié)議采用有效的優(yōu)先級(jí)區(qū)分和同級(jí)競(jìng)爭(zhēng)方式，快速有效地選出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)，從而提高協(xié)作增益。同時(shí)，采用分組捎帶發(fā)送機(jī)制，減小了預(yù)約開銷，加快了數(shù)據(jù)分組的接入發(fā)送，從而改善了協(xié)議性能，提高了無(wú)線資源的利用率。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議具有比CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議更好的多址性能。