余紅明，騰潢龍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

一種基于多信道協(xié)作的Ad hoc組網(wǎng)的MAC實(shí)現(xiàn)

余紅明，騰潢龍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

主要介紹了一種更高效的基于Ad hoc多信道協(xié)作的MAC接入方式和全網(wǎng)同步協(xié)議。這種實(shí)現(xiàn)方式能夠增加組網(wǎng)的公共信道資源，減少碰撞，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

Ad hoc 多信道 MAC

1 引言

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一組帶有無(wú)線射頻的可移動(dòng)終端組建的多跳自治系統(tǒng)，具有易部署、自組織、無(wú)需借助基礎(chǔ)設(shè)施等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、災(zāi)害救援和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。但由于網(wǎng)絡(luò)受帶寬資源限制、分布式競(jìng)爭(zhēng)接入和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍匦杂绊?，信道接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議受到極大的挑戰(zhàn)。本文基于Ad hoc組網(wǎng)方式，研究一種更高效的多信道協(xié)作的MAC接入方式和全網(wǎng)同步協(xié)議。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 MAC層協(xié)議在移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的分類(lèi)

在移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用同一個(gè)無(wú)線信道的情況，此時(shí)就需要MAC層協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，避免信道使用的沖突。對(duì)移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，MAC層協(xié)議的主要功能是無(wú)線信道的接入控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間分組傳輸和隨機(jī)接入控制。需要解決以下3個(gè)問(wèn)題：

（1）避免信道使用沖突問(wèn)題；

（2）隱終端的問(wèn)題；

（3）QoS的支持保障等。

經(jīng)過(guò)多年的研究，業(yè)界已經(jīng)提出數(shù)十種Ad hoc的接入控制協(xié)議。目前按照Ad hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入使用的信道數(shù)目來(lái)劃分，可以分為單信道和多信道MAC協(xié)議。

（1）單信道的主要MAC協(xié)議有：MACAW、MARCH、MACA、MACA-BI等協(xié)議；

（2）多信道的主要M A C協(xié)議有：多信道CSMA、DPC、DBTMA、PAMAS等協(xié)議。

2.2 單信道MAC機(jī)制的弊端

由于單信道的MAC采用單個(gè)信道，所有的節(jié)點(diǎn)共用同一個(gè)資源，如果有某個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)，則其他相鄰的節(jié)點(diǎn)就不能使用該信道，必然會(huì)造成擁塞的問(wèn)題，因此單信道方式信道利用率非常低。

如圖1所示，當(dāng)1號(hào)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果4、5號(hào)節(jié)點(diǎn)也需要傳輸數(shù)據(jù)，則會(huì)造成公共信道資源沖突，不能完成傳輸。

圖1 單信道組網(wǎng)情況

如圖2所示，如果此時(shí)采用信道協(xié)調(diào)機(jī)制的多信道組網(wǎng)方式，8、4、9預(yù)約同一個(gè)頻點(diǎn)F2，5、6、7預(yù)約同一個(gè)頻點(diǎn)F3，則可以將頻點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)，不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)有很大的提升（整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用頻分機(jī)制）。

圖2 多信道組網(wǎng)情況

2.3 多信道組網(wǎng)時(shí)間同步方案

（1）多信道協(xié)作方式

在通信系統(tǒng)支持多個(gè)信道的前提下，可以將信道劃分為控制信道（CCH）和多個(gè)業(yè)務(wù)信道（SCH），同時(shí)需要整個(gè)組網(wǎng)保持全網(wǎng)同步。具體如圖3所示：

圖3 多信道時(shí)隙劃分情況

對(duì)于多個(gè)SCH而言，實(shí)際傳輸時(shí)各個(gè)業(yè)務(wù)信道的頻點(diǎn)是分開(kāi)的，這樣能夠保證頻分復(fù)用。

而CCH的意義在于：多信道協(xié)商，就像開(kāi)會(huì)一樣，大家各個(gè)節(jié)點(diǎn)約定時(shí)間一起開(kāi)會(huì)，分配好后續(xù)傳輸資源。如果大家都同意，就結(jié)束會(huì)議；如果不同意，則繼續(xù)協(xié)商、分配。CCH的另一個(gè)作用就是廣播：有重要事情在會(huì)議上廣播一下，大家都能聽(tīng)到。

因?yàn)橐_定什么時(shí)候開(kāi)會(huì)（公共時(shí)隙）、在哪個(gè)地點(diǎn)（公共信道），所以需要全網(wǎng)時(shí)間保持一致，這樣大家都能按時(shí)參加協(xié)調(diào)會(huì)議。

同步好后就開(kāi)始預(yù)約。1號(hào)節(jié)點(diǎn)預(yù)約附近點(diǎn)的時(shí)隙，同意就應(yīng)答一下；如果和其他點(diǎn)的預(yù)約有沖突，則回答不行，并進(jìn)行調(diào)整。此過(guò)程是隨機(jī)的，附近節(jié)點(diǎn)都可以預(yù)約，這樣解決了附近點(diǎn)在下一時(shí)隙頻率可能沖突的問(wèn)題，通過(guò)這個(gè)覆蓋到全網(wǎng)，保證全網(wǎng)頻率錯(cuò)開(kāi)且時(shí)隙不沖突。具體如圖4所示。

全網(wǎng)在CCH上對(duì)后續(xù)在業(yè)務(wù)信道上采用哪個(gè)業(yè)務(wù)信道的哪個(gè)時(shí)隙進(jìn)行預(yù)約。由于是成對(duì)預(yù)約，采用應(yīng)答機(jī)制。應(yīng)答成功后表示預(yù)約成功，后面在業(yè)務(wù)時(shí)隙同時(shí)采用該頻率通信。如果預(yù)約失敗（比如在對(duì)端看到有時(shí)隙沖突的情況），則發(fā)端再重新發(fā)起預(yù)約。如果時(shí)間不夠，則考慮在后面的時(shí)隙發(fā)起預(yù)約。

圖4 各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙預(yù)約情況

圖5 是各個(gè)節(jié)點(diǎn)間在公共信道和業(yè)務(wù)信道上的信息交互情況：

圖5 各節(jié)點(diǎn)在公共信道上的時(shí)隙預(yù)約情況

（2）網(wǎng)絡(luò)同步基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

全網(wǎng)同步可以采用以下方案：

◆GPS或者北斗實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步；

◆在同步覆蓋距離比較近，不能覆蓋全網(wǎng)的情況下，考慮時(shí)鐘同步機(jī)制。

下面對(duì)時(shí)鐘同步機(jī)制進(jìn)行介紹：

網(wǎng)絡(luò)采用群首的同步機(jī)制：群首產(chǎn)生，在開(kāi)機(jī)后監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，如果多個(gè)超幀沒(méi)有收到網(wǎng)絡(luò)信息，則將自己設(shè)置為群首，由群首來(lái)發(fā)送同步信息。

按建網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為全網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，定義為0級(jí)時(shí)鐘。該時(shí)鐘精度最高，下一跳是1級(jí)時(shí)鐘，低于0級(jí)時(shí)鐘；再下一跳是2級(jí)時(shí)鐘，以此類(lèi)推。具體如圖6所示：

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘層級(jí)關(guān)系

如果各級(jí)時(shí)鐘不加補(bǔ)償機(jī)制，則各級(jí)時(shí)鐘會(huì)有偏差。如圖7所示，此時(shí)全網(wǎng)時(shí)鐘沒(méi)有完全同步。

圖7 網(wǎng)絡(luò)同步的時(shí)間關(guān)系（未補(bǔ)償前）

采用時(shí)鐘補(bǔ)償機(jī)制如下：0級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播0級(jí)時(shí)鐘，1級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到0級(jí)時(shí)鐘，及時(shí)修正自己的時(shí)鐘，同時(shí)在隨機(jī)時(shí)延后應(yīng)答0級(jí)時(shí)鐘，0級(jí)時(shí)鐘接收到數(shù)據(jù)后，檢測(cè)與0級(jí)時(shí)鐘的偏差，廣播發(fā)送1節(jié)點(diǎn)需要修正的偏差，使1級(jí)時(shí)鐘和0級(jí)時(shí)鐘沒(méi)有偏差，1級(jí)時(shí)間同步完成。

1級(jí)和0級(jí)完成同步之后，按上述方法向下廣播1級(jí)時(shí)鐘，使2級(jí)時(shí)鐘同步，以此類(lèi)推，可使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持同步。全網(wǎng)同步以后，則可以區(qū)分是業(yè)務(wù)和公共控制信道，不會(huì)造成信道沖突情況。

時(shí)鐘調(diào)整后的時(shí)序關(guān)系如圖8所示。

2.4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

針對(duì)上述組網(wǎng)搭建仿真環(huán)境，對(duì)組網(wǎng)的時(shí)延和丟包情況進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果如圖9和圖10所示：

圖8 時(shí)鐘調(diào)整后的時(shí)序關(guān)系

圖9 不同組網(wǎng)方式的時(shí)延情況

圖10 不同組網(wǎng)方式的丟包率情況

由此可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，時(shí)延和丟包率在單信道、多信道組網(wǎng)的情況下都有所增加，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)密度增加后信道更加擁擠。但多信道協(xié)作的時(shí)延和丟包率明顯低于單信道，這說(shuō)明多信道協(xié)作方式在Ad hoc自組網(wǎng)上對(duì)QoS有較大的改善。

3 結(jié)論

通過(guò)本文分析可以看出，多信道組網(wǎng)較單信道在組網(wǎng)性能上有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)自組網(wǎng)上具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王金龍,王呈貴,吳啟暉,等. Ad Hoc移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2004.

[2] 王娟,侯整風(fēng),丁涼. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于AODV協(xié)議的安全路由協(xié)議[A]. 全國(guó)第20屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 2009.

[3] J Jubin, J D Tornow. The DARPA Packet Radio Network Protoc[J]. Proceedings of the IEEE, 1987,75(l): 21-32.

[4] 蘇儉,郭偉. 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議綜述[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2008,35(4): 23-27.

[5] 孟洛明. 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2001.

[6] 于鉉. 基于Jini體系結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2003.

[7] 沈曉松,宿景芳,武穆清. 基于ARM的嵌入式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用, 2009(11): 64-66.

[8] 陳林星,曾曦,曹毅. 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[9] 謝世歡,郭偉. 實(shí)現(xiàn)Ad-hoc按需路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2006,26(3): 517-518.

[10] 徐旭. 車(chē)載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2008.★

余紅明：工程師，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，長(zhǎng)期從事軍用通信系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。

騰潢龍：高級(jí)工程師，畢業(yè)于北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，長(zhǎng)期從事軍用通信系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。

MAC Implementation of Ad Hoc Network Based on Multi-Channel Collaboration

YU Hong-ming, TENG Huang-long
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

An efficient MAC and network synchronization protocol based on Ad hoc multi-channel collaboration was introduced, which can increase common channel resource of network, reduce collision and enhance network throughput. It has better engineering application value.

Ad hoc multi-channel MAC

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.006

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0029-04

余紅明,騰潢龍. 一種基于多信道協(xié)作的Ad hoc組網(wǎng)的MAC實(shí)現(xiàn)[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(12): 29-32.

2015-04-07

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn