一种提供良好QoS保障的Ad Hoc网络MAC协议

杨海东，景 博

(空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安 710038)

对于Ad Hoc网络而言，有效减小语音和视频等实时业务的分组接入时延是其进一步发展和应用的关键。相对于早期竞争类媒体接入控制(MAC)协议，如CSMA、MACAW 和 IEEE 802.11 EDCF［1－2］，动态时隙分配类MAC协议具有调整灵活、信道利用率高、分组冲突少及接入时延可控等特点，适合为实时业务提供接入时延保障，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网络特殊的拓扑结构和运行方式，现有时隙分配类协议依然存在较多问题无法解决，造成接入时延较高，负载能力差。例如:采用嵌入式信令结构的 CATA［3］、HRMA［4］、SRMA/PA［5］协议在预约阶段分组冲突的消除能力较弱，一旦分组冲突，其退避时间将难以确定，同时会浪费相应的数据时隙;而FPRP［6］、RBRP［7］协议虽具有优异的冲突化解能力，但所使用的控制时隙数量过多，造成过高的接入时延;同样，USAP［8］协议在节点接入前需要侦听一个完整循环的管理操作信息包(NMOP)，节点的接入等待时延过长，虽然文献［9－10］通过动态改变帧长以适应网络对变化时隙分配的要求，在一定程度上提升了USAP的信道利用率，却并未从根本上解决节点等待时延过长的问题，且对NMOP信息的冲突问题也未能提出一个较好的解决方案;另外，采用复合式信令结构的MAC－RSV［11］协议虽使用的信令时隙数量较少(3N+2n个)，但由于节点需要持续地进行信道监听，容易出现“侦听中断”和“时延抖动”问题［12］，不利于协议的稳定运行。

为有效减小节点接入时延，提升Ad Hoc网络对实时业务的接入支持，在深入研究时隙分配类多址协议的基础上，文中设计了一种时隙结构简单，却具有较好冲突化解能力和时延保障性能的Ad Hoc网络MAC协议，即时隙重构式(Slot－reconstruction)分组预约协议，简称S－RC协议。

1 时隙重构式分组预约协议—S－RC

鉴于实时性和稳定性等方面的原因，S－RC协议未采用类似USAP、MAC－RSV协议等需要长时间监听信道的复合式信令结构，采用了嵌入式信令结构，此类协议的优点是:只要信道空闲，节点可立即接入，分组接入时延小。然而，其缺点是:当有多个节点竞争信道时，由于控制时隙数量较少，分组冲突将难以避免。因而如何在不增加控制时隙数量的前提下，充分化解分组冲突，进而有效缩短接入时延，成为S－RC协议设计的出发点。

1.1 协议描述

S－RC协议采用帧的形式，每帧由N个时隙构成，每个时隙由预留周期(RB)和数据发送域(TDSC1)两部分组成，如图1所示。其中，预留周期(RB)用于已预约节点发布时隙预留信息，并在 TDSC1域内以DATA－ACK格式发送数据。

当RB周期空闲时，TDSC1域重构为TSCC域和TDSC2域。TSCC域由一对RTS－CTS(NCTS)周期组成，用于实时业务节点对信道进行竞争(预约)，成功竞争的节点随即在TDSC2域发送数据。竞争失败的节点将TDSC2域拆分为TMCC域和EI周期，TMCC域由m个RTS－CTS子时隙组成，用于实时业务节点的再次竞争，而EI周期用于屏蔽新加入的竞争节点。

图1 S－RC协议的时隙结构

以下是S－RC协议实时业务竞争节点的详细信道竞争过程:

(1)节点接入信道前，首先对RB周期进行监听，若RB周期空闲，则收发节点在TSCC域以RTS－CTS(NCTS)方式进行握手，如果握手成功则立即在TDSC2域以DATA/ACK格式发送数据，并实现对该时隙的预约。在TSCC域，如果接收节点侦听到RTS周期不空闲，则发送NCTS分组，以表明有多个发射节点在RTS周期发生了分组碰撞。

(2)若TSCC域握手失败，节点在TMCC域的m个子时隙继续竞争，即随机选择一个RTS－CTS子时隙再次进行握手交互。由于TSCC域仅能实现单一实时业务节点竞争时的成功预约，因此也称为单节点竞争域，而TMCC域也相应称为多节点竞争域。

(3)如果在TMCC域的某一子时隙握手成功，则收发节点分别在随后的子时隙发送忙音BI，以阻止其他节点的竞争。此后，接收节点在后续帧对应时隙的预留周期发送RB分组，从而实现对该时隙的预约。

(4)在当前时隙竞争失败的其他节点，立即在当前及随后时隙的EI周期发送EI分组，以阻止新加入的竞争节点。即只要当前时隙的EI周期不空闲，在下一个竞争域(包括TMCC和TSCC)到来时，新产生的竞争节点将不可接入信道。如此结构可防止由于新节点的加入而使老节点长时间无法接入信道，避免了接入时延的不确定性，有助于提高协议运行的稳定性。

在S－RC协议下，数据报业务节点不具有时隙预约功能，且仅在RB周期和TSCC域的CTS(NCTS)周期均空闲时才允许接入信道。在此情况下，数据报节点在TMCC域的m个子时隙中随机选择一个进行数据发送。此处，CTS(NCTS)周期不空闲，表明在TSCC域有多个节点发生了分组冲突，其必然会在随后的TMCC域继续竞争，所以，此时数据报业务节点是不可接入信道的。

1.2 协议特点

为有效减小接入延迟，增加信道利用率，S－RC协议采用了以下的接入策略:(1)充分利用空闲时隙。当数据信道空闲时，将其转化为控制信道加以利用，以此增强分组冲突消除能力，提升信道利用率及空间复用度。(2)采用了嵌入式信令结构，单竞争节点在成功握手后可直接使用剩余的数据时隙，同时可以为实时业务分组提供尽可能小的首次信道接入时延。(3)为实时业务和数据报业务设置不同的接入等级。接入次序依次是已预约节点、实时业务竞争节点和数据报业务节点，即系统采用了层次型的信道接入方式。(4)采用新节点接入使能控制，收敛性和稳定性较好。EI分组的采用，可有效提高接入时延的可控性。

2 协议性能分析

2.1 系统模型及假设条件

假设信道是理想无差错的对称信道，节点可区分出信道空闲、信号碰撞以及正确接收等情况，在无数据发送时各节点处于接收状态。每个节点每时隙最多发送一个业务分组，每个业务分组占用一个数据时隙。设系统每帧的时隙总数为N，邻节点个数为M，多节点竞争域子时隙的个数为m，系统状态为k，k为一帧中已预约时隙个数(0≤k≤N)。

由于各节点业务的随机性和独立性，可设每一节点新的实时业务分组的到达数服从参数为的过程，即有

Pξ(λt)=，可得系统总的业务到达率，i=1，2，3，…，设λ1= λ2= λ3= … = λM，则 λa=Mλi。

2.2 帧预约成功率

由上述假设条件，可得在单位时隙内新到达的实时业务分组数的分布概率为

式中，Ts为单位时隙的长度。

因此，在单位时隙内无新分组发送、有1个新分组发送和有i，i＞1个新分组发送的概率分别为

可得，实时业务节点在TSCC域和TMCC域成功竞争的概率分别为

因此，在一个单位时隙内，实时业务节点成功竞争的概率为

在一帧时间内，实时业务节点成功竞争的概率为

将一组典型值 N=20，M=40，=5，m=10，k=12带入上式计算得ΦF=0.892，可见，S－RC协议的帧预约成功率在通常情况下较高。

2.3 信道接入时延

设节点从数据产生开始直到第w个时隙才竞争成功，则在信道未饱和的条件下分组的首次接入时延

式(6)中第一项为单节点竞争时节点成功接入的时延统计平均值，第二项为多节点竞争时节点成功接入的时延统计平均值。其中，Pfail(w－1)为连续w－1个时隙信道被占用或不成功的概率，Psucc_SCC为在第w个时隙单节点竞争域成功接入的概率，Psucc_MCC(w)为在第w个时隙多节点竞争域成功接入的概率，Pi为信道的时隙占用率

3 网络性能仿真

鉴于实时业务的高QoS需求，以下仅对实时业务竞争节点的接入性能进行仿真。假定每个实时业务所含的数据分组数PL(Packet Length)服从p=0.01的截短几何分布，PL的最大值为1 000，且新预约分组在全部到达分组中所占比例为1/10，即λ0=λ/10。其他仿真参数设置如表1所示，其中节点最大通信距离为25 km。

表1 仿真参数设置

图2为帧分组预约成功率η在不同到达率λ条件下的仿真结果，参考组为FPRP协议(M=N=20)和CATA(N=20)协议。由下图可见，在相同负载条件下，FPRP协议的预约成功率最高，S－RC协议次之，CATA协议最低。在λ≤0.5的网络负载条件下，SRC协议的帧分组预约成功率普遍＞0.8，而CATA协议仅在λ≤0.1时才有此性能，即便在λ=0.8时，SRC的预约成功率η仍可达到0.5，可见，S－RC协议在重载条件下表现出了良好的冲突分解和信道接入能力。虽然与FPRP协议相比，S－RC协议的冲突分解能力还有一定差距，但并不代表FPRP协议优于SRC协议，因为从协议结构上看，FPRP协议使用的控制时隙数量远大于S－RC协议，因此其时延性能不如S－RC协议。

图3为平均分组接入时延在不同到达率λ条件下的仿真结果。由图可见，在λ≤0.8条件下，S－RC协议的平均分组接入时延均在60 ms以下，之后随着λ值的加大，时延τ也随之加大，但始终小于CATA协议。即S－RC协议的分组接入时延可在一个较宽的载荷范围内(0≤λ≤0.8)保持在一个较低的水平，这可以为实时业务提供较好的传输支持。相比而言，CATA协议在高载荷条件下时延性能急剧恶化，仅在λ＜0.3时才能提供≤50 ms的接入时延。而FPRP协议无论载荷高低，均包含一个80 ms以上的固定时延，这是由其复杂的控制时隙所造成的，因为仅考虑控制时隙部分的传播时延，分组接入时延就至少为5×M×N×100=500 ms。由此可见，相对于另两种协议而言，S－RC协议具有更好的负载适应性和时延接入性能。

4 结束语

对于Ad Hoc网络时隙分配类MAC协议而言，为实现较低的分组接入时延，不能使用过多的控制时隙，但却需要快速而有效的冲突分解算法，这始终是一对难以解决的矛盾。文中所设计的时隙重构式分组预留协议(S－RC)，通过将空闲的数据时隙转化为控制时隙加以利用，从而达到增强分组冲突消除能力，减小信道接入时延的目的。由于采用了层次型的接入方式，协议可更好的满足时延敏感业务的传输需求。此外，协议对新的竞争节点采用了接入使能控制，可有效解决接入时延的收敛性问题。数学分析和网络仿真表明，无论在低负载和重负载条件下，S－RC协议均保持了良好的时延接入性能，为Ad Hoc网络MAC层的QoS支持提供了一种新的实现方法。

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