楊海東，景 博

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038)

對于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)而言，有效減小語音和視頻等實時業(yè)務(wù)的分組接入時延是其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。相對于早期競爭類媒體接入控制(MAC)協(xié)議，如CSMA、MACAW 和 IEEE 802.11 EDCF［1－2］，動態(tài)時隙分配類MAC協(xié)議具有調(diào)整靈活、信道利用率高、分組沖突少及接入時延可控等特點，適合為實時業(yè)務(wù)提供接入時延保障，典型代表主要包括 FPRP、RBRP、USAP、CATA、D － PRMA、HRMA、ADAPT、SRMA/PA、MAC－RSV等。

然而，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運行方式，現(xiàn)有時隙分配類協(xié)議依然存在較多問題無法解決，造成接入時延較高，負(fù)載能力差。例如:采用嵌入式信令結(jié)構(gòu)的 CATA［3］、HRMA［4］、SRMA/PA［5］協(xié)議在預(yù)約階段分組沖突的消除能力較弱，一旦分組沖突，其退避時間將難以確定，同時會浪費相應(yīng)的數(shù)據(jù)時隙;而FPRP［6］、RBRP［7］協(xié)議雖具有優(yōu)異的沖突化解能力，但所使用的控制時隙數(shù)量過多，造成過高的接入時延;同樣，USAP［8］協(xié)議在節(jié)點接入前需要偵聽一個完整循環(huán)的管理操作信息包(NMOP)，節(jié)點的接入等待時延過長，雖然文獻(xiàn)［9－10］通過動態(tài)改變幀長以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)對變化時隙分配的要求，在一定程度上提升了USAP的信道利用率，卻并未從根本上解決節(jié)點等待時延過長的問題，且對NMOP信息的沖突問題也未能提出一個較好的解決方案;另外，采用復(fù)合式信令結(jié)構(gòu)的MAC－RSV［11］協(xié)議雖使用的信令時隙數(shù)量較少(3N+2n個)，但由于節(jié)點需要持續(xù)地進(jìn)行信道監(jiān)聽，容易出現(xiàn)“偵聽中斷”和“時延抖動”問題［12］，不利于協(xié)議的穩(wěn)定運行。

為有效減小節(jié)點接入時延，提升Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對實時業(yè)務(wù)的接入支持，在深入研究時隙分配類多址協(xié)議的基礎(chǔ)上，文中設(shè)計了一種時隙結(jié)構(gòu)簡單，卻具有較好沖突化解能力和時延保障性能的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，即時隙重構(gòu)式(Slot－reconstruction)分組預(yù)約協(xié)議，簡稱S－RC協(xié)議。

1 時隙重構(gòu)式分組預(yù)約協(xié)議—S－RC

鑒于實時性和穩(wěn)定性等方面的原因，S－RC協(xié)議未采用類似USAP、MAC－RSV協(xié)議等需要長時間監(jiān)聽信道的復(fù)合式信令結(jié)構(gòu)，采用了嵌入式信令結(jié)構(gòu)，此類協(xié)議的優(yōu)點是:只要信道空閑，節(jié)點可立即接入，分組接入時延小。然而，其缺點是:當(dāng)有多個節(jié)點競爭信道時，由于控制時隙數(shù)量較少，分組沖突將難以避免。因而如何在不增加控制時隙數(shù)量的前提下，充分化解分組沖突，進(jìn)而有效縮短接入時延，成為S－RC協(xié)議設(shè)計的出發(fā)點。

1.1 協(xié)議描述

S－RC協(xié)議采用幀的形式，每幀由N個時隙構(gòu)成，每個時隙由預(yù)留周期(RB)和數(shù)據(jù)發(fā)送域(TDSC1)兩部分組成，如圖1所示。其中，預(yù)留周期(RB)用于已預(yù)約節(jié)點發(fā)布時隙預(yù)留信息，并在 TDSC1域內(nèi)以DATA－ACK格式發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)RB周期空閑時，TDSC1域重構(gòu)為TSCC域和TDSC2域。TSCC域由一對RTS－CTS(NCTS)周期組成，用于實時業(yè)務(wù)節(jié)點對信道進(jìn)行競爭(預(yù)約)，成功競爭的節(jié)點隨即在TDSC2域發(fā)送數(shù)據(jù)。競爭失敗的節(jié)點將TDSC2域拆分為TMCC域和EI周期，TMCC域由m個RTS－CTS子時隙組成，用于實時業(yè)務(wù)節(jié)點的再次競爭，而EI周期用于屏蔽新加入的競爭節(jié)點。

圖1 S－RC協(xié)議的時隙結(jié)構(gòu)

以下是S－RC協(xié)議實時業(yè)務(wù)競爭節(jié)點的詳細(xì)信道競爭過程:

(1)節(jié)點接入信道前，首先對RB周期進(jìn)行監(jiān)聽，若RB周期空閑，則收發(fā)節(jié)點在TSCC域以RTS－CTS(NCTS)方式進(jìn)行握手，如果握手成功則立即在TDSC2域以DATA/ACK格式發(fā)送數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對該時隙的預(yù)約。在TSCC域，如果接收節(jié)點偵聽到RTS周期不空閑，則發(fā)送NCTS分組，以表明有多個發(fā)射節(jié)點在RTS周期發(fā)生了分組碰撞。

(2)若TSCC域握手失敗，節(jié)點在TMCC域的m個子時隙繼續(xù)競爭，即隨機選擇一個RTS－CTS子時隙再次進(jìn)行握手交互。由于TSCC域僅能實現(xiàn)單一實時業(yè)務(wù)節(jié)點競爭時的成功預(yù)約，因此也稱為單節(jié)點競爭域，而TMCC域也相應(yīng)稱為多節(jié)點競爭域。

(3)如果在TMCC域的某一子時隙握手成功，則收發(fā)節(jié)點分別在隨后的子時隙發(fā)送忙音BI，以阻止其他節(jié)點的競爭。此后，接收節(jié)點在后續(xù)幀對應(yīng)時隙的預(yù)留周期發(fā)送RB分組，從而實現(xiàn)對該時隙的預(yù)約。

(4)在當(dāng)前時隙競爭失敗的其他節(jié)點，立即在當(dāng)前及隨后時隙的EI周期發(fā)送EI分組，以阻止新加入的競爭節(jié)點。即只要當(dāng)前時隙的EI周期不空閑，在下一個競爭域(包括TMCC和TSCC)到來時，新產(chǎn)生的競爭節(jié)點將不可接入信道。如此結(jié)構(gòu)可防止由于新節(jié)點的加入而使老節(jié)點長時間無法接入信道，避免了接入時延的不確定性，有助于提高協(xié)議運行的穩(wěn)定性。

在S－RC協(xié)議下，數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)節(jié)點不具有時隙預(yù)約功能，且僅在RB周期和TSCC域的CTS(NCTS)周期均空閑時才允許接入信道。在此情況下，數(shù)據(jù)報節(jié)點在TMCC域的m個子時隙中隨機選擇一個進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。此處，CTS(NCTS)周期不空閑，表明在TSCC域有多個節(jié)點發(fā)生了分組沖突，其必然會在隨后的TMCC域繼續(xù)競爭，所以，此時數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)節(jié)點是不可接入信道的。

1.2 協(xié)議特點

為有效減小接入延遲，增加信道利用率，S－RC協(xié)議采用了以下的接入策略:(1)充分利用空閑時隙。當(dāng)數(shù)據(jù)信道空閑時，將其轉(zhuǎn)化為控制信道加以利用，以此增強分組沖突消除能力，提升信道利用率及空間復(fù)用度。(2)采用了嵌入式信令結(jié)構(gòu)，單競爭節(jié)點在成功握手后可直接使用剩余的數(shù)據(jù)時隙，同時可以為實時業(yè)務(wù)分組提供盡可能小的首次信道接入時延。(3)為實時業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)設(shè)置不同的接入等級。接入次序依次是已預(yù)約節(jié)點、實時業(yè)務(wù)競爭節(jié)點和數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)節(jié)點，即系統(tǒng)采用了層次型的信道接入方式。(4)采用新節(jié)點接入使能控制，收斂性和穩(wěn)定性較好。EI分組的采用，可有效提高接入時延的可控性。

2 協(xié)議性能分析

2.1 系統(tǒng)模型及假設(shè)條件

假設(shè)信道是理想無差錯的對稱信道，節(jié)點可區(qū)分出信道空閑、信號碰撞以及正確接收等情況，在無數(shù)據(jù)發(fā)送時各節(jié)點處于接收狀態(tài)。每個節(jié)點每時隙最多發(fā)送一個業(yè)務(wù)分組，每個業(yè)務(wù)分組占用一個數(shù)據(jù)時隙。設(shè)系統(tǒng)每幀的時隙總數(shù)為N，鄰節(jié)點個數(shù)為M，多節(jié)點競爭域子時隙的個數(shù)為m，系統(tǒng)狀態(tài)為k，k為一幀中已預(yù)約時隙個數(shù)(0≤k≤N)。

由于各節(jié)點業(yè)務(wù)的隨機性和獨立性，可設(shè)每一節(jié)點新的實時業(yè)務(wù)分組的到達(dá)數(shù)服從參數(shù)為的過程，即有

Pξ(λt)=，可得系統(tǒng)總的業(yè)務(wù)到達(dá)率，i=1，2，3，…，設(shè)λ1= λ2= λ3= … = λM，則 λa=Mλi。

2.2 幀預(yù)約成功率

由上述假設(shè)條件，可得在單位時隙內(nèi)新到達(dá)的實時業(yè)務(wù)分組數(shù)的分布概率為

式中，Ts為單位時隙的長度。

因此，在單位時隙內(nèi)無新分組發(fā)送、有1個新分組發(fā)送和有i，i＞1個新分組發(fā)送的概率分別為

可得，實時業(yè)務(wù)節(jié)點在TSCC域和TMCC域成功競爭的概率分別為

因此，在一個單位時隙內(nèi)，實時業(yè)務(wù)節(jié)點成功競爭的概率為

在一幀時間內(nèi)，實時業(yè)務(wù)節(jié)點成功競爭的概率為

將一組典型值 N=20，M=40，=5，m=10，k=12帶入上式計算得ΦF=0.892，可見，S－RC協(xié)議的幀預(yù)約成功率在通常情況下較高。

2.3 信道接入時延

設(shè)節(jié)點從數(shù)據(jù)產(chǎn)生開始直到第w個時隙才競爭成功，則在信道未飽和的條件下分組的首次接入時延

式(6)中第一項為單節(jié)點競爭時節(jié)點成功接入的時延統(tǒng)計平均值，第二項為多節(jié)點競爭時節(jié)點成功接入的時延統(tǒng)計平均值。其中，Pfail(w－1)為連續(xù)w－1個時隙信道被占用或不成功的概率，Psucc_SCC為在第w個時隙單節(jié)點競爭域成功接入的概率，Psucc_MCC(w)為在第w個時隙多節(jié)點競爭域成功接入的概率，Pi為信道的時隙占用率

3 網(wǎng)絡(luò)性能仿真

鑒于實時業(yè)務(wù)的高QoS需求，以下僅對實時業(yè)務(wù)競爭節(jié)點的接入性能進(jìn)行仿真。假定每個實時業(yè)務(wù)所含的數(shù)據(jù)分組數(shù)PL(Packet Length)服從p=0.01的截短幾何分布，PL的最大值為1 000，且新預(yù)約分組在全部到達(dá)分組中所占比例為1/10，即λ0=λ/10。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中節(jié)點最大通信距離為25 km。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖2為幀分組預(yù)約成功率η在不同到達(dá)率λ條件下的仿真結(jié)果，參考組為FPRP協(xié)議(M=N=20)和CATA(N=20)協(xié)議。由下圖可見，在相同負(fù)載條件下，F(xiàn)PRP協(xié)議的預(yù)約成功率最高，S－RC協(xié)議次之，CATA協(xié)議最低。在λ≤0.5的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，SRC協(xié)議的幀分組預(yù)約成功率普遍＞0.8，而CATA協(xié)議僅在λ≤0.1時才有此性能，即便在λ=0.8時，SRC的預(yù)約成功率η仍可達(dá)到0.5，可見，S－RC協(xié)議在重載條件下表現(xiàn)出了良好的沖突分解和信道接入能力。雖然與FPRP協(xié)議相比，S－RC協(xié)議的沖突分解能力還有一定差距，但并不代表FPRP協(xié)議優(yōu)于SRC協(xié)議，因為從協(xié)議結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)PRP協(xié)議使用的控制時隙數(shù)量遠(yuǎn)大于S－RC協(xié)議，因此其時延性能不如S－RC協(xié)議。

圖3為平均分組接入時延在不同到達(dá)率λ條件下的仿真結(jié)果。由圖可見，在λ≤0.8條件下，S－RC協(xié)議的平均分組接入時延均在60 ms以下，之后隨著λ值的加大，時延τ也隨之加大，但始終小于CATA協(xié)議。即S－RC協(xié)議的分組接入時延可在一個較寬的載荷范圍內(nèi)(0≤λ≤0.8)保持在一個較低的水平，這可以為實時業(yè)務(wù)提供較好的傳輸支持。相比而言，CATA協(xié)議在高載荷條件下時延性能急劇惡化，僅在λ＜0.3時才能提供≤50 ms的接入時延。而FPRP協(xié)議無論載荷高低，均包含一個80 ms以上的固定時延，這是由其復(fù)雜的控制時隙所造成的，因為僅考慮控制時隙部分的傳播時延，分組接入時延就至少為5×M×N×100=500 ms。由此可見，相對于另兩種協(xié)議而言，S－RC協(xié)議具有更好的負(fù)載適應(yīng)性和時延接入性能。

4 結(jié)束語

對于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)時隙分配類MAC協(xié)議而言，為實現(xiàn)較低的分組接入時延，不能使用過多的控制時隙，但卻需要快速而有效的沖突分解算法，這始終是一對難以解決的矛盾。文中所設(shè)計的時隙重構(gòu)式分組預(yù)留協(xié)議(S－RC)，通過將空閑的數(shù)據(jù)時隙轉(zhuǎn)化為控制時隙加以利用，從而達(dá)到增強分組沖突消除能力，減小信道接入時延的目的。由于采用了層次型的接入方式，協(xié)議可更好的滿足時延敏感業(yè)務(wù)的傳輸需求。此外，協(xié)議對新的競爭節(jié)點采用了接入使能控制，可有效解決接入時延的收斂性問題。數(shù)學(xué)分析和網(wǎng)絡(luò)仿真表明，無論在低負(fù)載和重負(fù)載條件下，S－RC協(xié)議均保持了良好的時延接入性能，為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層的QoS支持提供了一種新的實現(xiàn)方法。

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