任昊翔，郭達(dá)偉*，邵凝寧，毛保磊

(1.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710129;2.南京北方信息控制集團(tuán)有限責(zé)任公司，南京210000)

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]中，MAC協(xié)議由于其直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能而成為研究熱點(diǎn)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議，按照其自身的發(fā)送機(jī)制，大抵可以劃分為以下兩大類。

第一類是基于競(jìng)爭(zhēng)的 MAC協(xié)議[2－5]。這類協(xié)議的主要思想是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相互競(jìng)爭(zhēng)來(lái)直接決定信道的使用權(quán)，并且通過(guò)一定的策略使得擁有高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)能夠更容易的競(jìng)爭(zhēng)到信道，以使其具有更高的分組投遞率。

第二類是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的 MAC協(xié)議[6－8]。這類協(xié)議的主要思想是先將信道劃分為超幀，又進(jìn)一步將超幀劃分為時(shí)隙。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分配或者競(jìng)爭(zhēng)的方法來(lái)決定時(shí)隙的使用權(quán)。一旦節(jié)點(diǎn)獲得了時(shí)隙的使用權(quán)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)在以后的超幀內(nèi)也將繼續(xù)使用這個(gè)時(shí)隙，直到節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送。

無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議為了滿足各種QoS，主要是將競(jìng)爭(zhēng)的思想融入到無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議中。引入競(jìng)爭(zhēng)思想就可能產(chǎn)生沖突，從而造成數(shù)據(jù)時(shí)隙的浪費(fèi)。

本文提出一種新型的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。通過(guò)加入時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)隙續(xù)約機(jī)制以避免數(shù)據(jù)時(shí)隙的浪費(fèi)并提高數(shù)據(jù)時(shí)隙使用率和分組投遞率。而且通過(guò)引入虛擬數(shù)據(jù)和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換的機(jī)制，在提高分組投遞率的同時(shí)也降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲。

1 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀

無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，按照不同的QoS要求，大體可以分為兩類。

第1類是指提高分組投遞率的MAC協(xié)議。這類協(xié)議的思想是在TDMA體系中融入競(jìng)爭(zhēng)的思想。主要是將超幀劃分為如圖1所示的結(jié)構(gòu)。每個(gè)超幀都擁有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙[9]。如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則首先會(huì)在超幀中隨機(jī)挑選一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙用于發(fā)送申請(qǐng)請(qǐng)求。如果申請(qǐng)請(qǐng)求正確發(fā)送，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在申請(qǐng)的數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。否則，不能發(fā)送數(shù)據(jù)，且要實(shí)行退避。當(dāng)然，通過(guò)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采用不同的競(jìng)爭(zhēng)算法和退避算法，可以實(shí)現(xiàn)讓擁有高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)更容易競(jìng)爭(zhēng)到競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，以滿足提高其分組投遞率的服務(wù)要求。

圖1 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議超幀格式

第2類是指降低網(wǎng)絡(luò)延遲的 MAC 協(xié)議[10－11]。文獻(xiàn)[10]提出的協(xié)議有著類似于圖1的超幀結(jié)構(gòu)。只是將時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期變?yōu)樾艠?biāo)時(shí)期。在信標(biāo)時(shí)期內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的信標(biāo)時(shí)隙。節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)在自己的信標(biāo)時(shí)隙中，廣播這個(gè)信息。接收到這個(gè)信息的節(jié)點(diǎn)也會(huì)在屬于自己的信標(biāo)時(shí)隙中繼續(xù)廣播這個(gè)消息，并且在這個(gè)消息中加入自己的節(jié)點(diǎn)信息。通過(guò)不斷的廣播直到目的節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)消息。目的節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)消息之后，會(huì)選擇一條合適的路徑進(jìn)行單播回復(fù)，并且在回復(fù)中確定這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)流使用的時(shí)隙。最終在這一去一回的消息交換中，以一定的超幀的時(shí)間為代價(jià)建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的一條路徑，之后節(jié)點(diǎn)才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，以獲得較低的網(wǎng)絡(luò)延遲。

而本篇論文，綜合了以上兩種思想的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型的屬于自己的時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)思想和路徑建立思想，以同時(shí)滿足以上兩種QoS要求。

2 CA-TDMA協(xié)議

2.1 超幀格式

CA-TDMA協(xié)議的超幀格式如圖2所示。在CA-TDMA協(xié)議中，超幀劃分為時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)期。時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期由M個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)屬于自己的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙。競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的作用是使節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隙申請(qǐng)請(qǐng)求，以使節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)時(shí)隙的使用權(quán)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)期由N個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙組成。其中N小于M。數(shù)據(jù)時(shí)隙主要用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 CA-TDMA協(xié)議超幀格式

2.2 RTS、CTS、CTR 的消息結(jié)構(gòu)

2.2.1 RTS 消息的結(jié)構(gòu)

圖3為 CA-TDMA協(xié)議中 RTS消息的結(jié)構(gòu)。CA-TDMA協(xié)議中RTS消息按照不同的功能可以劃分為3個(gè)部分:時(shí)隙申請(qǐng)信息、時(shí)隙續(xù)約信息和時(shí)隙使用狀態(tài)信息。時(shí)隙申請(qǐng)信息用于節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)新的數(shù)據(jù)時(shí)隙。時(shí)隙續(xù)約信息用于節(jié)點(diǎn)續(xù)約舊的數(shù)據(jù)時(shí)隙。時(shí)隙使用狀態(tài)信息用于填寫與節(jié)點(diǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)隙使用狀態(tài)的信息，以完成對(duì)續(xù)約信息的確認(rèn)和取消。

圖3 CA-TDMA協(xié)議中RTS的幀結(jié)構(gòu)

2.2.2 CTS 消息的結(jié)構(gòu)

圖4為CA-TDMA協(xié)議中CTS的幀結(jié)構(gòu)。CATDMA協(xié)議中的CTS消息按照不同的功能劃分成兩個(gè)部分:時(shí)隙分配確認(rèn)信息和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換信息。時(shí)隙分配確認(rèn)信息用于對(duì)接收到的RTS信息進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)。競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換信息用于進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換。

圖4 CA-TDMA協(xié)議中CTS的幀結(jié)構(gòu)

2.2.3 CTR 消息的結(jié)構(gòu)

圖5為CA-TDMA協(xié)議中CTR的幀結(jié)構(gòu)。CTR消息用于對(duì)節(jié)點(diǎn)已確認(rèn)的發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行清除。

圖5 CA-TDMA協(xié)議中CTR的幀結(jié)構(gòu)

2.3 CA-TDMA的時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)隙續(xù)約

2.3.1 時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)

CA-TDMA協(xié)議中采用一種變相的競(jìng)爭(zhēng)方法。首先每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)依據(jù)算法1來(lái)決定如何生成RTS請(qǐng)求。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效的RTS信息后，收到有效的CTS信息，則生成相應(yīng)的記錄信息。如果在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期結(jié)束之后，節(jié)點(diǎn)記錄信息依然存在，則該節(jié)點(diǎn)可以在相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。否則，節(jié)點(diǎn)會(huì)放棄該數(shù)據(jù)時(shí)隙，并且將數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)提升后放回?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)。這里有效的RTS消息是指RTS消息中有對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)隙的申請(qǐng)請(qǐng)求信息，有效的CTS是指CTS消息是對(duì)RTS消息的正確回復(fù)。

算法1 RTS發(fā)送的確定算法

例如，如圖6所示的簡(jiǎn)單拓?fù)渲小?/p>

圖6 3節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋱D

假設(shè)節(jié)點(diǎn)1有數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2且優(yōu)先級(jí)為2，節(jié)點(diǎn)3也有數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2優(yōu)先級(jí)暫且未知，而數(shù)據(jù)時(shí)隙的個(gè)數(shù)為1。那么當(dāng)超幀開(kāi)始時(shí)，由于數(shù)據(jù)時(shí)隙1為空閑，節(jié)點(diǎn)1會(huì)在自己的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙內(nèi)和節(jié)點(diǎn)2交互“有效”的RTS和CTS信息(RTS1和CTS1)以完成數(shù)據(jù)時(shí)隙1的申請(qǐng)并做相應(yīng)的記錄信息。由于網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)3也能收到CTS1信息，并會(huì)修改數(shù)據(jù)時(shí)隙1的狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)3的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙到來(lái)后，則根據(jù)算法1，如果節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)不大于節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)3會(huì)發(fā)送“無(wú)效”的RTS信息。否則，節(jié)點(diǎn)3會(huì)發(fā)送“有效”的RTS信息(RTS2)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)2之間的控制信息交互。而節(jié)點(diǎn)1收到CTS2信息后也會(huì)得知，有更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)“占用”了與自己相同的數(shù)據(jù)時(shí)隙，則節(jié)點(diǎn)1刪除記錄信息并放棄數(shù)據(jù)時(shí)隙1。通過(guò)這種變相的競(jìng)爭(zhēng)方法，以使得高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先發(fā)送。

由于CA-TDMA協(xié)議中的RTS和CTS信息的傳輸范圍只是發(fā)送RTS節(jié)點(diǎn)和發(fā)送CTS節(jié)點(diǎn)的一跳范圍，所以有可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)時(shí)隙的沖突。例如在如圖7所示的簡(jiǎn)單拓?fù)渲小＜僭O(shè)節(jié)點(diǎn)1給節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)3給節(jié)點(diǎn)4發(fā)送數(shù)據(jù)并且節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高于節(jié)點(diǎn)1。那么當(dāng)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3選擇相同的數(shù)據(jù)時(shí)隙時(shí)就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。

圖7 CTR作用說(shuō)明拓?fù)鋱D

為了解決這種問(wèn)題，CA-TDMA協(xié)議引入了CTR消息。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)2會(huì)生成CTR消息并發(fā)送給節(jié)點(diǎn)1，以阻止其發(fā)送數(shù)據(jù)。從而避免可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突。

2.3.2 時(shí)隙續(xù)約

為了滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸要求，CA-TDMA協(xié)議提出了時(shí)隙續(xù)約的機(jī)制。時(shí)隙續(xù)約也是時(shí)隙申請(qǐng)，是指對(duì)已經(jīng)成功申請(qǐng)的數(shù)據(jù)時(shí)隙再次進(jìn)行申請(qǐng)。

具體來(lái)說(shuō)，例如在圖6拓?fù)渲?，假設(shè)節(jié)點(diǎn)1有大量的數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2。那么節(jié)點(diǎn)1在第一個(gè)超幀會(huì)通過(guò)RTS的時(shí)隙申請(qǐng)信息對(duì)節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)隙申請(qǐng)并做記錄。而在接下來(lái)的超幀內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)1還有數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2，那么節(jié)點(diǎn)1首先會(huì)填寫RTS的續(xù)約信息，以告知節(jié)點(diǎn)2我依然會(huì)用原來(lái)的時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)1的還有數(shù)據(jù)存在，那么節(jié)點(diǎn)1就會(huì)通過(guò)RTS中的時(shí)隙申請(qǐng)信息向節(jié)點(diǎn)2申請(qǐng)第二個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。之后，如果節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)依然很多，那么節(jié)點(diǎn)1就可以繼續(xù)續(xù)約2個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙并且申請(qǐng)第三個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙，直到達(dá)到網(wǎng)絡(luò)達(dá)到負(fù)載上限。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)變少時(shí)，節(jié)點(diǎn)1就必須立刻通告周圍鄰居自己放棄使用數(shù)據(jù)時(shí)隙，并刪除自己的續(xù)約信息，以使其他節(jié)點(diǎn)可以使用這些數(shù)據(jù)時(shí)隙。

2.4 CA-TDMA的虛擬數(shù)據(jù)和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換

為了降低數(shù)據(jù)的傳輸延遲，CA-TDMA協(xié)議加入虛擬數(shù)據(jù)和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換的思想。虛擬數(shù)據(jù)思想是指節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)數(shù)據(jù)時(shí)隙時(shí)要考慮到由RTS信息提供的虛擬數(shù)據(jù)信息這個(gè)因素。具體來(lái)說(shuō)，例如在圖8拓?fù)渲?，?duì)于數(shù)據(jù)流1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)N(N=2、3)收到節(jié)點(diǎn)N－1的RTS申請(qǐng)請(qǐng)求之后，節(jié)點(diǎn)N就會(huì)根據(jù)RTS信息記錄一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)信息。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)N自己的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙到來(lái)的時(shí)候，如果節(jié)點(diǎn)N的虛擬數(shù)據(jù)信息的優(yōu)先級(jí)大于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，那么節(jié)點(diǎn)N會(huì)依據(jù)虛擬數(shù)據(jù)信息發(fā)送對(duì)于虛擬數(shù)據(jù)的申請(qǐng)請(qǐng)求。最終構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的申請(qǐng)，使得在一個(gè)超幀內(nèi)，完成節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)4數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖8 四節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D

但是對(duì)于圖8中的數(shù)據(jù)流2，那么僅僅依靠虛擬數(shù)據(jù)就沒(méi)有辦法降低延遲的。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)N(N=2、3)在收到節(jié)點(diǎn)N+1的RTS申請(qǐng)請(qǐng)求之后，已無(wú)法再去申請(qǐng)數(shù)據(jù)時(shí)隙。所以CA-TDMA協(xié)議更提出了競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換的思想以輔助解決這種情況，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換思想就是決定如何交換競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，主要由算法2確定。

算法2 競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換的確定算法

對(duì)于圖8所示的數(shù)據(jù)流2，根據(jù)算法2，就出現(xiàn)如圖9所示的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換。最終節(jié)點(diǎn)1、2、3、4的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的位序會(huì)改變?yōu)?、3、2、1。在加上虛擬數(shù)據(jù)的思想，就可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)超幀內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)流2的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的發(fā)送。

圖9 4節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換

3 仿真與性能分析

3.1 仿真參數(shù)

使用仿真工具為NS2[12]，具體仿真參數(shù)如表1。

表1

3.2 仿真結(jié)果與性能分析

本文針對(duì)不同的發(fā)包頻率，在以20 m/s的移動(dòng)場(chǎng)景中，對(duì)CA-TDMA協(xié)議和DTDMA協(xié)議在性能上做了對(duì)比分析，在相同的環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

結(jié)合圖10和圖11我們可以看出，CA-TDMA協(xié)議和DTDMA協(xié)議的分組投遞率都沒(méi)有高于85%。這是由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所導(dǎo)致的一定時(shí)間內(nèi)路由信息與實(shí)際拓?fù)湫畔⒉粚?duì)等而產(chǎn)生的丟包。并且通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)看，這部分丟失的數(shù)據(jù)包大約占到所有數(shù)據(jù)的17%左右。

圖10 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均分組投遞率

圖11 高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的分組投遞率

通過(guò)圖10和圖11我們還可以看出，隨著發(fā)包頻率的增加，CA-TDMA協(xié)議在平均分組投遞率和高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的分組投遞率上較DTDMA協(xié)議有著更為優(yōu)異的表現(xiàn)，這是由于CA-TDMA協(xié)議是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的，所以不會(huì)因?yàn)楦呔W(wǎng)絡(luò)負(fù)載而產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的沖突，也就不會(huì)造成的數(shù)據(jù)時(shí)隙的浪費(fèi)，從而提高了分組的投遞率。并且不產(chǎn)生沖突也就意味著數(shù)據(jù)能夠正常的發(fā)送，會(huì)減少數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，會(huì)減低數(shù)據(jù)的傳輸延遲。

圖12 高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸延遲

通過(guò)圖12可以看出，在高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸延遲性能方面，CA-TDMA表現(xiàn)的比DTDMA更為優(yōu)秀，這是因?yàn)镃A-TDMA協(xié)議可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙交換和虛擬數(shù)據(jù)的思想，盡量使得高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)能夠在一個(gè)超幀內(nèi)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議CA-TDMA。仿真結(jié)果說(shuō)明CA-TDMA相比DTDMA協(xié)議，在平均分組投遞率、高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組投遞率、高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸延遲性能方面均有明顯的提高。當(dāng)然，MAC協(xié)議的性能和具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎⑾⑾嚓P(guān)，如何使CA-TDMA協(xié)議能夠適用于更多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?huì)是一個(gè)重要的后續(xù)需要研究的問(wèn)題。

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