基于FAMA-NCS的高速分组传输网络性能

孙荣平，曹振林，何 矞，何 亮

（1.海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041；2.南昌航空大学，南昌330063；3.海军航空兵学院，河南济源454650）

信道获取多址访问（Floor Acquisition Multiple Access，FAMA）协议是无线自组网络基于竞争机制的MAC协议的一种，它采用RTS-CTS控制分组交互，并使RTS、CTS和数据分组都在同一个信道上传输，这就要求发送分组的节点在发送之前首先获取信道。获得信道后，信道占有节点或者其任何接收节点就能够在该信道上无碰撞的发送数据分组和应答[1-2]。FAMA协议分为FAMA-NPS 和FAMA-NCS，FAMA-NCS 协议能够很好地解决高速数据传输网络对时延的苛刻要求和隐藏终端的问题。

1 FAMA-NCS协议的关键技术

非持续性载波侦听信道获取多址访问协议（FAMA-NCS）类似IEEE802.11MAC 协议，主要包含RTSCTS分组交互机制和非持续性载波侦听机制2方面。

1.1 RTS-CTS分组交互机制

在FAMA-NCS 协议中，RTS（Request to send）和CTS（Clear to send）是指请求发送和允许发送的2个固定长度的短分组。当源节点向目的节点发送数据时，先发送一个RTS 分组，若信道空闲，接收节点接受到RTS分组并向源节点发送CTS分组；当源节点接收到CTS 分组时，立即占用信道并开始发送数据分组[3]。RTS-CTS 分组交互机制能够使邻近节点避免在接收节点发生碰撞，故能很好地解决隐藏终端的问题。

1.2 非持续性载波侦听机制

发送节点发送RTS竞争信道时，若此时信道正在被其他节点占用而导致竞争信道失败，发送节点必须重新安排竞争信道操作，FAMA-NCS采用非持续性的监听信道，即采用退避策略退避一定的时间后再重新获取信道[4]。由于在网络负载较大或传输数据较多的情况下，持续性的获取信道会造成严重的网络拥塞，严重影响网络的传输效率，而非持续性载波侦听能够有效避免持续竞争信道的问题，确保网络拥塞控制在一定范围内。

2 FAMA-NCS协议的时隙分析

FAMA-NCS 协议是基于RTS/CTS 分组交互的信道访问控制协议，其发送是从源节点RTS分组发送时刻t0开始，期间可能碰到其他的RTS分组导致发送失败。在等待时间段τ后，若没有其他节点发送，RTS分组发送成功，根据FAMA-NCS 协议，在RTS 发送成功后，接收节点会立即开始回发CTS 分组，接着源节点发送数据分组[5-6]；其发送过程如图1所示。

图1 FAMA-NCS的发送过程Fig.1 Sending process of FAMA-NCS

对于成功发送一次数据分组所使用的时间为RTS-CTS 分组传输周期和数据分组完成传输产生的时间之和，即

网络在节点检测之前存在τ 秒的信道时延，τ 秒过后，若FAMA-NCS的RTS 分组发送失败，其发送失败周期包括在时刻t0发送到信道的RTS 占用时间和其他节点在Y 秒时间内发送的多个RTS 分组所占用的时间，0≤Y≤τ，则发送失败的平均周期为

Y的累积分布函数为τ-y时间内无RTS 分组到达的概率为FY(y)，则

由于传输信道参数λ的不确定性，设定其符合泊松分布[7]，得出FAMA-NCS中发送成功的概率为：

综上分析可知在一个FAMA-NCS的成功周期和失败周期中，γ+τ为共有时段，故结合发送成功概率PS和失败周期中均值，可得出FAMA-NCS 一个周期的平均长度B为：

成功发送一个数据分组的数据利用率U为

根据上述等式，得出FAMA-NCS的吞吐量A为

3 FAMA-NCS协议的优化

在FAMA-NCS协议中，为了避免竞争节点在其他节点已经抢用信道时占用信道，可采用增加CTS分组长度的方法，使CTS分组长度大于RTS（RTS分组长度应大于传播时延和收发转换所需要的时间之和）分组长度[8-9]。因而CTS分组的长度大于RTS分组的长度，且RTS分组的时间长度大于传播时延和发送、接收过程所产生的时间之和。

如图2所示，节点B正在发送CTS分组，而节点A试图发送RTS 分组且获得信道[10-11]。由于节点A 和B均使用载波侦听，因而节点A必须在节点B开始发送其CTS分组后的τ 秒内发送其RTS分组，否则，节点A将检测到载波而进行退避。若节点B 发送的CTS 分组正好在节点A 开始发送其RTS 分组的时候到达节点A，由于节点B 发送CTS 分组大于RTS 分组与发送至接收转换时间之和，因而节点A能够收到CTS信号进行退避。

图2 节点A在节点B发送CTS分组后发送RTS分组Fig.2 Node A sends RTS packets after Node B sends CTS packet

如图3所示：节点A可以在节点B 开始发送CTS分组前的τ 秒内发送RTS分组；节点B发送的CTS分组将在节点A发送完RTS分组后的2τ 秒到达节点A，节点B 发送的CTS 分组大于RTS 分组与节点收发转换时间之和，所以节点A 能够接收到CTS 分组的尾部，然后进行退避。

图3 节点A在节点B发送CTS分组前发送RTS分组Fig.3 Node A sends RTS packets before Node B sends CTS packet

4 实验结果及分析

对于FAMA-NCS协议的仿真[12]：仿真环境为随机分布的20个节点，最大空中时延0.3 μs，RTS 请求分组长度为200 bit，数据分组长度4 096 bit，信道传输速率256 kbit/s。

由图4看出，随着网络利用率的增加，网络的平均分组时延也会相应地增加，但改进后的时延相对有一定的减少。图5中看出在随着子网数量的增加，由于RTS分组侦听的碰撞率增多，FAMA-NCS的吞吐量会逐渐下降，改进后的吞吐量会因减少RTS分组的碰撞而使下降得更加缓慢，吞吐量相对有一定的提升。

图4 网络利用率Fig.4 Utilization of the network

图5 在不同子网条件下的吞吐量Fig.4 Throughput capacity in a different subnet conditions

5 结束语

本文针对FAMA-NCS 协议对于高速分组数据网络传输要求，通过对FAMA-NCS网络退避算法的报文长度的调整，在时延和吞吐量上实现了网络性能的提升。在今后的工作中，还需进行对其冲突率和延时抖动等其他性能进行理论分析与仿真计算。

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