基于CSMA/CA的無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議性能分析*

胡 劍 楊 平

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第722研究所 武漢 430079)

1 引言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc網(wǎng)絡(luò))采用分布式技術(shù),沒有中心控制節(jié)點(diǎn)的管理,具有較強(qiáng)的自組性和機(jī)動(dòng)性,并且網(wǎng)絡(luò)建立簡(jiǎn)單,滿足了海上軍事通信系統(tǒng)對(duì)構(gòu)建高效、頑存、網(wǎng)絡(luò)化的海上戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)的需求。無線自組網(wǎng)最大的特點(diǎn)在于分布式環(huán)境下競(jìng)爭(zhēng)共享的無線信道接入方式和多跳中繼的通信模式,由于信道接入?yún)f(xié)議對(duì)信道狀態(tài)的感知最快,所以,MAC協(xié)議能否高效利用有限的無線信道資源對(duì)無線自組網(wǎng)的性能起決定性作用,是影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文針對(duì)CSMA/CA協(xié)議在無線自組網(wǎng)中應(yīng)用的不足,提出了一種帶RTS/CTS握手信號(hào)的CSMA/CA協(xié)議(CSMA/CA/RTS/CTS),并通過 QualNet[9]仿真軟件進(jìn)行仿真,分析了其在多跳、基于競(jìng)爭(zhēng)、單信道、單發(fā)射功率仿真場(chǎng)景中的性能。

2 基本CSMA/CA協(xié)議及性能分析

基本的CSMA/CA無RTS/CTS握手信號(hào),采用兩次握手的接入方式,如圖1所示。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道空閑,并且空閑時(shí)間達(dá)到一個(gè) DIFS后,直接向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。接收節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文后,等待一個(gè)SIFS,并回送一個(gè)ACK報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到ACK,那么將重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道忙,或空閑時(shí)間持續(xù)不到一個(gè)DIFS,則發(fā)送節(jié)點(diǎn)任選一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間,進(jìn)入沖突避免狀態(tài)[2,8]。

圖1 兩次握手接入方式

CSMA/CA協(xié)議采用的是二進(jìn)制指數(shù)退避算法。節(jié)點(diǎn)最初開始發(fā)送時(shí),CW被分配給一個(gè)最小值的競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin,當(dāng)發(fā)送失敗后,CW的取值就遞增,直到CW達(dá)到最大值的競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmax,并一直保持下去。當(dāng)傳輸成功后,CW又重新回到初始值CWmin。CWmin和CWmax由節(jié)點(diǎn)的物理層參數(shù)決定。

假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍為R,M個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在半徑為R的均勻分布的二維空間的圓內(nèi),網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文和控制報(bào)文的時(shí)候是穩(wěn)定的,不考慮路由。按照文獻(xiàn)[3]提出的網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算方法,計(jì)算CSMA/CA協(xié)議在多跳無線自組網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)性能。

圖2 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的隱藏終端HA和接收節(jié)點(diǎn)的隱藏終端 HB

圖2給出了發(fā)送節(jié)點(diǎn)A的隱藏區(qū)域HA和接收節(jié)點(diǎn)B的隱藏區(qū)域HB。此時(shí),節(jié)點(diǎn) A正向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送報(bào)文。假設(shè)節(jié)點(diǎn) A選擇任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為接收端的概率相等,且節(jié)點(diǎn)A隨機(jī)選擇了節(jié)點(diǎn)B作為接收端,則可確定節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端的數(shù)目Nh。

在基本CSMA/CA/協(xié)議中,隱藏終端能引起DATA報(bào)文和ACK報(bào)文在傳輸中的碰撞?？赏ㄟ^分別確定傳輸DATA報(bào)文和ACK報(bào)文時(shí)隱藏終端的影響,分析CSMA/CA協(xié)議的性能。

首先考慮傳輸DATA 報(bào)文的情況。假設(shè)在某一時(shí)刻,節(jié)點(diǎn) A正向節(jié)點(diǎn)B傳輸DATA 報(bào)文,有i(i∈[0,M])個(gè)節(jié)點(diǎn)等待。如果節(jié)點(diǎn)B的Nh個(gè)隱藏終端中的任意一個(gè)正在傳輸數(shù)據(jù),此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生碰撞。

如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)被選擇作為接收端的概率是相等的,則節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送DATA 報(bào)文時(shí),Nh個(gè)隱藏終端中至少有一個(gè)正接收數(shù)據(jù)的概率Phri為:

如果DATA報(bào)文被 Nh個(gè)隱藏終端中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)H1成功接收,接收節(jié)點(diǎn) H1就會(huì)回復(fù)一個(gè)ACK信號(hào),這個(gè)信號(hào)可能會(huì)同節(jié)點(diǎn) A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞(隱藏終端之間同樣存在這種情況),而在彼此通信范圍內(nèi)的隱藏終端的平均數(shù)為Nhn,Nhn≈Nh/2。若Ps(i)是節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率,則Nhn個(gè)隱藏終端的一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接收到來自非隱藏終端的DATA報(bào)文的概率Phrsi為:

其次,在節(jié)點(diǎn) B成功接收到來自節(jié)點(diǎn) A的DATA報(bào)文后,節(jié)點(diǎn)B將向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)一個(gè)ACK信號(hào),由圖2可知,節(jié)點(diǎn)A和B的隱藏終端的數(shù)目相等。節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)一個(gè)ACK信號(hào)就說明節(jié)點(diǎn)A已經(jīng)成功向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送了DATA報(bào)文,所以,節(jié)點(diǎn) A的所有相鄰節(jié)點(diǎn)在偵聽信道前必須等待一個(gè)DIFS時(shí)間。設(shè)α是時(shí)隙大小,β和γ分別是DIFS和SIFS的持續(xù)時(shí)間,f是ACK信號(hào)的傳輸時(shí)間,則節(jié)點(diǎn)B的隱藏終端能夠引起碰撞的時(shí)間是 Th=(f+γ-β)/α。

設(shè)每一個(gè)等待的節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙 t開始的時(shí)候偵聽信道的概率是vi。由于在傳輸半徑為R的圓內(nèi)有i(i∈[0,M])個(gè)節(jié)點(diǎn)空閑,那么,節(jié)點(diǎn)B的隱藏終端的平均數(shù)為?Nh。設(shè)總的流量負(fù)載G是系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)歸一化單位時(shí)間內(nèi)的總報(bào)文數(shù),g是一個(gè)時(shí)隙內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的包到達(dá)率,并且 Mg=α G。在基本的 CSMA/CA/協(xié)議中,只要在 Th時(shí)間內(nèi)開始發(fā)送數(shù)據(jù),Nh個(gè)隱藏終端中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能引起碰撞,而至少有一個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)在 Th時(shí)內(nèi)發(fā)送DATA報(bào)文的概率Pht ACKi為:

由于存在隱藏終端的問題,節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B成功發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的概率會(huì)降低Phi=(Phti+Phrsi+(1-Phti-Phrsi)×PhtACKi)×100%,πi是分布式節(jié)點(diǎn)的固定概率,節(jié)點(diǎn)傳輸成功和失敗時(shí),信道忙的時(shí)間分別為T和C。因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)在系統(tǒng)內(nèi)都相同,可以得出多跳無線自組網(wǎng)中基本CSMA/CA的吞吐量為:

若空閑節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目為ˉN,則平均報(bào)文時(shí)延為:

從計(jì)算結(jié)果可知,基本的CSMA/CA采用的兩次握手接入方式不能有效解決隱藏、暴露終端問題,使得網(wǎng)絡(luò)性能較差,在多跳無線自組網(wǎng)中較少應(yīng)用。

3 改進(jìn)的CSMA/CA(CSMA/CA/RTS/CTS)協(xié)議及性能分析

由于基本的CSMA/CA無RTS/CTS握手信號(hào),使得網(wǎng)絡(luò)通信中信號(hào)發(fā)生碰撞的幾率大增,影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。MACA是第一個(gè)使用RTS/CTS控制報(bào)文來解決無線自組網(wǎng)隱藏、暴露終端的MAC協(xié)議,但MACA去掉了載波偵聽,只是“部分解決了隱藏終端的問題”[4],因?yàn)椴捎?RTSCTS兩段握手信號(hào),缺少鏈路層確認(rèn)機(jī)制,在發(fā)生沖突后要超時(shí)重發(fā),降低了網(wǎng)絡(luò)性能。雖然MACAW對(duì)MACA協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn),增加了DS和ACK鏈路層確認(rèn)信號(hào),但由于握手信號(hào)較多,增加了協(xié)議的開銷,傳輸時(shí)延也比較大[5]。

在參考了MACA和MACAW協(xié)議后,我們對(duì)CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn),保留了載波偵聽機(jī)制,增加了RTS/CTS握手信號(hào),并加入ACK控制報(bào)文對(duì)鏈路層進(jìn)行確認(rèn)。故采用的報(bào)文交換順序是RTS-CTS-DATA-ACK,如圖3所示,這種方式可以避免隱藏終端的問題。只要有數(shù)據(jù)報(bào)文要被發(fā)送,發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)先發(fā)送一個(gè) RTS。RTS的發(fā)送和兩次握手方式里報(bào)文的發(fā)送是一樣的,也是為了競(jìng)爭(zhēng)信道。接收節(jié)點(diǎn)在收到RTS后就會(huì)回送一個(gè)CTS以確定信道。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在正確接收到CTS后,開始發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文DATA。接收節(jié)點(diǎn)正確接收到DATA報(bào)文后,回送一個(gè)ACK進(jìn)行確認(rèn),完成一次成功的數(shù)據(jù)傳輸。RTS/CTS報(bào)文包括它要花多長(zhǎng)時(shí)間來發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的信息。因此,與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相鄰的其他節(jié)點(diǎn)和與接收節(jié)點(diǎn)相鄰的隱藏終端在這段時(shí)間內(nèi)將不會(huì)傳輸數(shù)據(jù)。這種來回的交換對(duì)于避免隱藏終端問題是很有必要的[6～7]。

圖3 四次握手接入方式

在CSMA/CA/RTS/CTS中,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有DATA報(bào)文要發(fā)送的時(shí)候,這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)首先發(fā)送一個(gè)RTS信號(hào)給接收端,接收端在收到RTS信號(hào)后等待一個(gè)SIFS時(shí)間,然后回復(fù)一個(gè)CTS信號(hào)給發(fā)送端。RTS的目的就是通知在發(fā)送端通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)延遲它們的數(shù)據(jù)發(fā)送,而CTS的目的是通知在接收端通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)延遲它們的數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送端和接收端之間成功的RTS/CTS交換為他們之間的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留了信道,但并不能完全解決隱藏終端的問題[2,8]。

在CSMA/CA/RTS/CTS協(xié)議中,成功發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間 T包括以下幾個(gè)時(shí)間:DIFS時(shí)間、帶傳播時(shí)延α的RTS的發(fā)送時(shí)間、SIFS時(shí)間、帶傳播時(shí)延 α的CTS的發(fā)送時(shí)間、SIFS時(shí)間、帶傳播時(shí)延α的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送時(shí)間Tp、SIFS時(shí)間以及帶傳播時(shí)延α的ACK的發(fā)送時(shí)間。設(shè)固定長(zhǎng)度的報(bào)文傳播時(shí)間為 Th,并且被分為時(shí)隙大小為α(傳播時(shí)延/報(bào)文傳播的時(shí)間)的時(shí)隙,分別用θ和τ表示RTS和CTS的發(fā)送時(shí)間。

圖4 在節(jié)點(diǎn)H處的碰撞

在圖4中,假設(shè)在某一個(gè)時(shí)刻,節(jié)點(diǎn) A正向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送DATA報(bào)文,有i(i∈[0,M])個(gè)節(jié)點(diǎn)空閑。若節(jié)點(diǎn)A發(fā)送RTS的時(shí)候,節(jié)點(diǎn) A的任一隱藏終端也在發(fā)送或接收數(shù)據(jù),那么節(jié)點(diǎn) A的數(shù)據(jù)發(fā)送就會(huì)失敗。雖然 RTS是一個(gè)很小的信號(hào),但仍然要考慮節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端的數(shù)據(jù)接收。這是因?yàn)楫?dāng)成功收到RTS/CTS信號(hào)的發(fā)送端和接收端正在通信的時(shí)候,RTS/CTS方式保證了他們的鄰居節(jié)點(diǎn)都不能發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信號(hào)。如果節(jié)點(diǎn)A的一個(gè)隱藏終端正在接收數(shù)據(jù),這個(gè)隱藏終端就會(huì)阻止節(jié)點(diǎn)B回復(fù)CTS信號(hào),這就使得節(jié)點(diǎn)A的通信失敗了。設(shè)這個(gè)碰撞時(shí)間為C1,這個(gè)時(shí)間包括DISF時(shí)間,帶傳播時(shí)延的 RTS時(shí)間以及SIFS時(shí)間 ,即C1=(α+β+θ+γ)/α。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E同時(shí)向節(jié)點(diǎn)H發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候,節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端也能造成對(duì)DATA 報(bào)文的碰撞。從上節(jié)分析可知,節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端至少有一個(gè)收到數(shù)據(jù)的概率是 Phri,這也是來自節(jié)點(diǎn)B的CTS同來自節(jié)點(diǎn)E的RTS在節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端處產(chǎn)生碰撞的概率。式(1)給出了節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS的概率,式(2)得出了節(jié)點(diǎn) A的隱藏終端中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功收到RTS的概率。所以,節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端能造成從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)報(bào)文碰撞的概率Pdatai為:

從中可知,碰撞時(shí)間包括:DIFS時(shí)間,帶傳播時(shí)延的RTS時(shí)間,SIFS時(shí)間,帶傳播時(shí)延的CTS時(shí)間,SIFS時(shí)間以及帶傳播時(shí)延的報(bào)文發(fā)送時(shí)間。用C2表示碰撞時(shí)間,則:C2=(1+3α+β+2γ+θ+τ)/α。

由于隱藏終端的問題,節(jié)點(diǎn) A成功發(fā)送DATA報(bào)文到節(jié)點(diǎn)B的概率共減少Phi=(Phti+Phrsi

+(1-Phti-Phrsi)×Pdatai),則帶RTS/CTS的CSMA/CA協(xié)議在多跳無線自組網(wǎng)中的吞吐量為:

平均數(shù)據(jù)時(shí)延為:

4 仿真結(jié)果與分析

利用QualNet通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件分別對(duì)基本的CSMA/CA和CSMA/CA/RTS/CTS協(xié)議在多跳無線自組網(wǎng)下進(jìn)行仿真,在相同的仿真場(chǎng)景下用到的系統(tǒng)參數(shù)為:Tp=2ms(即100個(gè)時(shí)隙),α=0.02ms,γ=0.01ms,β=γ+2α=0.05ms,f=θ=τ=0.1ms,M=21,CWmin=31,CWmax=1023。仿真假定100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)均勻分布的正方形二維空間內(nèi),并且有M個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在半徑為R的圓內(nèi),所有節(jié)點(diǎn)都是固定的并且不考慮路由。

圖5 CSMA/CA與CSMA/CA/RTS/CTS的吞吐量比較

圖5給出了基本CSMA/CA和CSMA/CA/RTS/CTS在多跳無線自組網(wǎng)下吞吐量的理論計(jì)算和仿真結(jié)果值。從圖中可以看出,不管是理論計(jì)算值還是仿真值,CSMA/CA/RTS/CTS比基本CSMA/CA在多跳無線自組網(wǎng)中都有更大的吞吐量,這是因?yàn)樵诙嗵鵁o線自組網(wǎng)中隱藏與暴露終端的問題非常明顯,而RTS/CTS能部分的解決隱藏與暴露終端問題。

圖6 CSMA/CA與CSMA/CA/RTS/CTS的時(shí)延比較

圖6比較了基本CSMA/CA和CSMA/CA/RTS/CTS在多跳無線自組網(wǎng)中的時(shí)延。從結(jié)果可知,在多跳無線自組網(wǎng)中,CSMA/CA/RTS/CTS比基本的CSMA/CA有較少的時(shí)延。這是因?yàn)榛镜腃SMA/CA協(xié)議無法解決在多跳無線自組網(wǎng)中存在的隱藏與暴露終端問題。而即使CSMA/CA/RTS/CTS使用RTS/CTS握手信號(hào)去解決隱藏終端的問題,但碰撞仍然會(huì)在發(fā)送DATA 報(bào)文時(shí)產(chǎn)生,特別是在參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目很大的時(shí)候。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基本CSMA/CA協(xié)議在多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的問題,提出了一種報(bào)文交換順序?yàn)镽TS-CTS-DATA-ACK的CSMA/CA/RTS/CTS協(xié)議。從初步的理論分析以及仿真結(jié)果來看,CSMA/CA/RTS/CTS協(xié)議不管是在網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載較大還是節(jié)點(diǎn)報(bào)文數(shù)較多時(shí),均能在一定程度上提高多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。但在多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,即便是使用了CSMA/CA/RTS/CTS協(xié)議,當(dāng)參與信道競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí),網(wǎng)絡(luò)的性能仍會(huì)受到不利影響,這也正是本文下一步工作的研究重點(diǎn)。

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