曹文靜，徐勝紅，施建洪

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001）

由于電磁波的傳播特性，無線通信的傳輸媒介屬于廣播信道類型。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送無線電信號(hào)時(shí)，鄰近的節(jié)點(diǎn)都將接收到這個(gè)信號(hào)。如果在一個(gè)小的空間范圍內(nèi)，有2個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送無線信號(hào)，將會(huì)在它們的接收節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生信號(hào)的相互疊加，造成相互干擾，嚴(yán)重時(shí)將使接收節(jié)點(diǎn)無法正確接收所需要的信息，即發(fā)生信道使用上的沖突。在通信協(xié)議棧中，如何在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間分配無線信道資源屬于MAC層要解決的問題。MAC層控制著節(jié)點(diǎn)在合適的時(shí)候接入無線信道，是分組在信道上發(fā)送和接收的直接控制者。MAC層協(xié)議能否有效地使用無線信道的有限帶寬，直接關(guān)系到信道的利用效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。這也是自從無線自組織網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)至今，對(duì)MAC層協(xié)議的研究經(jīng)久不衰的根本原因。如何分配信道使得信道利用率高？如何分配使得節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)等待的時(shí)間短？如何使分配后不發(fā)生沖突，避免信道資源浪費(fèi)？這些就是MAC層協(xié)議所面臨的問題?？傊瑹o線自組網(wǎng)中MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是：能夠保證信道資源的高效率使用；能夠保證業(yè)務(wù)快速接入信道。

ALOHA[1]是第一個(gè)用于無線傳輸?shù)腗AC層協(xié)議。ALOHA協(xié)議基于隨機(jī)訪問機(jī)制：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，立即發(fā)送數(shù)據(jù)；如果發(fā)生了沖突，該節(jié)點(diǎn)等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間段后，再次發(fā)送數(shù)據(jù)。ALOHA協(xié)議傳輸固定長(zhǎng)度的分組時(shí)，最大吞吐量?jī)H能達(dá)到信道容量的18.4%[2]。

很顯然，節(jié)點(diǎn)首先偵聽其他節(jié)點(diǎn)是否正在發(fā)送，然后再?zèng)Q定自己是否要發(fā)送，可以有效地提高信道利用率，這就是CSMA協(xié)議的基本思想。

ALOHA和CSMA協(xié)議都是一種競(jìng)爭(zhēng)類的MAC層協(xié)議。競(jìng)爭(zhēng)方式是自組網(wǎng)MAC層協(xié)議的主流，而CSMA協(xié)議又是MAC層協(xié)議中的基本協(xié)議。因此，研究其在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的通信性能，對(duì)于指導(dǎo)該協(xié)議在實(shí)際中的具體應(yīng)用具有重要作用。本文基于OPNET仿真軟件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CSMA協(xié)議，研究了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送分組頻率、分組大小等參數(shù)對(duì)CSMA協(xié)議性能的影響。

1 CSMA協(xié)議

目前，對(duì)CSMA協(xié)議的定義及分類多種多樣。根據(jù)信道劃分方式的不同，有時(shí)隙CSMA和非時(shí)隙CSMA；根據(jù)節(jié)點(diǎn)偵聽到信道為忙時(shí)處理方式的不同，有堅(jiān)持CSMA和非堅(jiān)持CSMA；根據(jù)節(jié)點(diǎn)偵聽到信道為空閑時(shí)處理方式的不同，有1堅(jiān)持CSMA和p堅(jiān)持CSMA。以上各類的組合就構(gòu)成了CSMA協(xié)議簇所有可能的情況，如圖1所示[3]。

堅(jiān)持CSMA協(xié)議是指節(jié)點(diǎn)在偵聽到信道為忙時(shí)繼續(xù)偵聽信道，一直偵聽到信道為閑停止。1堅(jiān)持CSMA就是：一旦節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑，就立即發(fā)送數(shù)據(jù)，這種策略的出發(fā)點(diǎn)是抓緊一切有利時(shí)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；p堅(jiān)持CSMA就是：如果節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑了，就以概率p發(fā)送。p堅(jiān)持CSMA也可以不采用以發(fā)送概率控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，而是采用隨機(jī)退避的方法，節(jié)點(diǎn)在偵聽到信道為空閑時(shí)，在（0，MAX）之間選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行退避，同樣可以達(dá)到避免沖突的效果，且其效果還會(huì)優(yōu)于發(fā)送概率的方式[3]。

圖1 CSMA協(xié)議簇

總之，堅(jiān)持CSMA的缺點(diǎn)通常是過于“貪婪自私”，如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)要同時(shí)發(fā)送，將必然導(dǎo)致沖突。而p 堅(jiān)持CSMA 則是堅(jiān)持CSMA中較為折中的策略。本文以p堅(jiān)持CSMA為研究對(duì)象，在OPNET軟件平臺(tái)下，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)p堅(jiān)持CSMA協(xié)議，并基于仿真實(shí)驗(yàn)，分析其在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的性能。

2 基于OPNET的p 堅(jiān)持CSMA協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

OPNET采用了層次化的建模機(jī)制，它將建模工作劃分為網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)層和進(jìn)程層3個(gè)層次。網(wǎng)絡(luò)模型反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、地理布局、以及移動(dòng)性等；節(jié)點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)著實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的各種計(jì)算和通信設(shè)備；而進(jìn)程模型則以有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)成的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來描述節(jié)點(diǎn)所含進(jìn)程的行為，如協(xié)議和算法等。因此，對(duì)無線自組網(wǎng)建模與仿真的主要任務(wù)就是設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)和進(jìn)程模型[4-7]，CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)模型與進(jìn)程模型。

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)模型用于定義每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊完成一部分節(jié)點(diǎn)的行為，如數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)等。為實(shí)現(xiàn)CSMA協(xié)議，節(jié)點(diǎn)完成如下主要內(nèi)容：

1)產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組；

2)數(shù)據(jù)分組將以廣播方式傳播；

3)僅在鏈路空閑時(shí)發(fā)送分組；

4)如果鏈路處于繁忙狀態(tài)，則到達(dá)分組將按FIFO排隊(duì)；

5)排隊(duì)的分組在鏈路空閑時(shí)，退避隨機(jī)時(shí)間段后，且鏈路仍然空閑時(shí)，進(jìn)行廣播發(fā)送。

如圖2所示，節(jié)點(diǎn)模塊包括6個(gè)模塊，其中：gen代表數(shù)據(jù)源產(chǎn)生模塊，其processor module屬性設(shè)置為simple_source；radio_tx代表無線發(fā)送機(jī)；radio_rx代表無線接收機(jī)；tx_pro代表CSMA協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊，它接收來自gen的數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送到radio_tx中；sink代表接收和銷毀radio_rx接收分組的模塊；a_0代表天線。radio_rx要通過統(tǒng)計(jì)線與tx_pro相連以監(jiān)督鏈路的busy狀態(tài)變化，并設(shè)置falling edge trigger為enabled，表示下降沿觸發(fā)。

圖2 節(jié)點(diǎn)的模塊組成結(jié)構(gòu)

2.2 進(jìn)程設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)模型中每個(gè)模塊是由一個(gè)進(jìn)程模型實(shí)現(xiàn)。這里主要設(shè)計(jì)tx_pro模塊的進(jìn)程——CSMA協(xié)議。

1)確定邏輯事件及狀態(tài)分解。

邏輯事件是調(diào)用進(jìn)程所需要的事件。由于事件本身只是仿真內(nèi)核管理的一個(gè)調(diào)度表，仿真核心必須通過中斷的形式將仿真控制權(quán)交給進(jìn)程，所以，每個(gè)邏輯事件需要選擇一個(gè)合適的中斷類型。CSMA對(duì)應(yīng)的邏輯事件有分組到達(dá)、介質(zhì)空閑和退避結(jié)束，如表1所示。

表1 CSMA邏輯事件與中斷類型

狀態(tài)代表一個(gè)進(jìn)程的模塊，是對(duì)發(fā)生事件的反應(yīng)。狀態(tài)之間是互斥和互補(bǔ)的，進(jìn)程在某一時(shí)刻只能處于一個(gè)狀態(tài)中，而所有的狀態(tài)則構(gòu)成了進(jìn)程狀態(tài)空間的全集。隨著仿真的進(jìn)行，進(jìn)程在狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)移。根據(jù)表1，進(jìn)程應(yīng)當(dāng)有3個(gè)狀態(tài)：空閑、介質(zhì)忙、退避，如表2所示。

表2 CSMA狀態(tài)分解

2)建立事件應(yīng)答表及狀態(tài)圖。

根據(jù)CSMA的運(yùn)行機(jī)制，可建立如表3的事件應(yīng)答表，該表描述了進(jìn)程在當(dāng)前狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)生了某個(gè)事件，所應(yīng)采取的行動(dòng)以及轉(zhuǎn)移到的下一個(gè)狀態(tài)。

表3 CSMA事件應(yīng)答表

根據(jù)表3，進(jìn)一步得到狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 CSMA進(jìn)程狀態(tài)圖

3 性能仿真

3.1 仿真性能參數(shù)定義

后面的仿真實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)了2個(gè)性能度量參數(shù)：點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延和接收數(shù)據(jù)量[8-9]。

1)點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延(單位：s)：表示分組到達(dá)接收隊(duì)列的時(shí)刻與分組被目的方成功接收的時(shí)刻之間的時(shí)間差。

2)接收數(shù)據(jù)量(單位：packet)：表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)接收分組的總量。

3.2 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

本仿真中涉及到的環(huán)境參數(shù)有：網(wǎng)絡(luò)范圍、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、單節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍、信道傳輸速率、仿真時(shí)間、分組產(chǎn)生頻率、分組長(zhǎng)度。其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分組產(chǎn)生頻率和分組長(zhǎng)度 3個(gè)參數(shù)隨仿真場(chǎng)景的不同而不同。環(huán)境參數(shù)的設(shè)置如下：

1)網(wǎng)絡(luò)范圍為10 km×10 km；

2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為可在{2，20，55}中任選；

3)單節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍為5 km；

4)信道傳輸速率為1 024 bps；

5)仿真時(shí)間為1 h；

6)分組產(chǎn)生時(shí)間間隔概率為可在{exponential(2.0)，exponential (10.0)，exponential (100)}中任選；

7)分組長(zhǎng)度為可在{const(10)，const(100)，const(1024)}中任選。

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

下面設(shè)置了7個(gè)場(chǎng)景，這些場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分組產(chǎn)生頻率和分組長(zhǎng)度設(shè)置不同，見表4。通過對(duì)這些場(chǎng)景的仿真來研究網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分組產(chǎn)生頻率和分組長(zhǎng)度這 3個(gè)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

表4 場(chǎng)景仿真參數(shù)設(shè)置

場(chǎng)景1、場(chǎng)景2和場(chǎng)景3中的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延和接收數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4和5所示。

圖4 場(chǎng)景1、場(chǎng)景2、場(chǎng)景3的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延仿真結(jié)果

圖5 場(chǎng)景1、場(chǎng)景2、場(chǎng)景3的接收數(shù)據(jù)量仿真結(jié)果

由圖4和圖5可見，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目和分組產(chǎn)生時(shí)間間隔概率不變的情況下，分組越大，則延時(shí)越大，接收數(shù)據(jù)分組量越少。

場(chǎng)景1、場(chǎng)景4和場(chǎng)景5中的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延和接收數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6和7所示。

由圖6和圖7可見，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目和分組長(zhǎng)度不變的情況下，分組產(chǎn)生頻率越低，則網(wǎng)絡(luò)延時(shí)越小，接收數(shù)據(jù)分組量越少。

場(chǎng)景5、場(chǎng)景6和場(chǎng)景7中的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延和接收數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8和9所示。

圖6 場(chǎng)景1、場(chǎng)景4、場(chǎng)景5的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延仿真結(jié)果

圖7 場(chǎng)景1、場(chǎng)景4、場(chǎng)景5的接收數(shù)據(jù)量仿真結(jié)果

圖8 場(chǎng)景5、場(chǎng)景6、場(chǎng)景7的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延仿真結(jié)果

圖9 場(chǎng)景5、場(chǎng)景6、場(chǎng)景7的接收數(shù)據(jù)量仿真結(jié)果

由圖8和圖9可見，在分組產(chǎn)生頻率和分組長(zhǎng)度不變的情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多，則網(wǎng)絡(luò)延時(shí)越大，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩，接收數(shù)據(jù)分組量越多。

以上仿真結(jié)果反映了CSMA協(xié)議性能與節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分組產(chǎn)生頻率和分組長(zhǎng)度等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系，該結(jié)果與理論分析結(jié)果是一致的。

4 結(jié)束語

本文基于OPNET，實(shí)現(xiàn)了CSMA協(xié)議，設(shè)計(jì)了不同網(wǎng)絡(luò)條件下的仿真實(shí)驗(yàn)，研究了幾個(gè)主要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)CSMA協(xié)議通信性能的影響。仿真結(jié)果表明：CSMA協(xié)議的通信性能和多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)緊密相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)通信性能要求，來確定是否選用CSMA信道接入?yún)f(xié)議。

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