王洪民，脫永軍，陳勁堯，白 翔

(1.海軍信息化部，北京100841;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種自組織的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，又稱作多跳網(wǎng)絡(luò)(Multi－h(huán)op Network)或稱自組織網(wǎng)絡(luò)(Self－ organized Network)［1］。自組織網(wǎng)絡(luò)具有分布式、無(wú)中心、自組織、節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)等特點(diǎn)［2］，在軍事通信、野外通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景［3］。短波自組織網(wǎng)絡(luò)和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，其采用的短波信道存在著信道帶寬有限，信道速率低、時(shí)變、衰落和多徑等特性。因此短波鏈路具有誤碼率較高、不穩(wěn)定、存在單向信道和距離無(wú)關(guān)等特性。

因此，如何解決多個(gè)用戶高效、合理地共享有限的短波信道資源這一問(wèn)題，即媒介訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)是短波自組織網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。其好壞直接影響到網(wǎng)絡(luò)容量、時(shí)延等性能指標(biāo)的優(yōu)劣。

短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)分布式控制。在類似于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的有中心的信道接入技術(shù)是由中心控制點(diǎn)來(lái)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間信道的分配。而在自組織網(wǎng)中，沒(méi)有中心控制實(shí)體進(jìn)行全局的資源管理與分配，只能采用分布式的控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)接入的協(xié)調(diào)，增加了協(xié)議設(shè)計(jì)的難度。

2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。自組織網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)通常會(huì)處于移動(dòng)狀態(tài)，并且隨機(jī)地離開(kāi)或加入網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間相互干擾關(guān)系的改變。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)負(fù)荷也在不斷變化，有時(shí)很輕，有時(shí)很重。自組織網(wǎng)的MAC接入?yún)f(xié)議應(yīng)當(dāng)適應(yīng)這些動(dòng)態(tài)變化，以獲得優(yōu)良的性能。

3)隱藏終端和暴露終端問(wèn)題［4］。自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和多跳性帶來(lái)了隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題。隱藏終端是指在接收者通信范圍之內(nèi)，而在發(fā)送者的通信范圍之外的節(jié)點(diǎn)。暴露終端是指在接收者通信范圍之外，而在發(fā)送者通信范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。由于發(fā)送者看不到隱藏終端，所以其存在可能造成數(shù)據(jù)沖突，而暴露終端的出現(xiàn)則可能會(huì)使網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法得到充分的利用。

文中在MACAW(Multiple Access Collision A-voidance for Wireless，無(wú)線多路訪問(wèn)碰撞回避)［5］協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)短波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了短波多路訪問(wèn)碰撞回避協(xié)議HFMACA，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，在短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的研究和設(shè)計(jì)上進(jìn)行了初步的探索。

1 MACAW協(xié)議簡(jiǎn)介

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)協(xié)議是對(duì)MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改進(jìn)，除了保留MACA中的RTS(Request to Send，請(qǐng)求發(fā)送)－CTS(Clear to Send，允許發(fā)送)握手機(jī)制外，還增加了其他的控制信令，包括 ACK(Acknowledgment，數(shù)據(jù)響應(yīng))、DS(Data Sending，數(shù)據(jù)發(fā)送)、RRTS(Request for Request to Send，發(fā)送RTS的請(qǐng)求)，以進(jìn)一步解決隱藏終端和暴露終端帶來(lái)的各種問(wèn)題。

MACAW協(xié)議的主要設(shè)計(jì)原理如下。

1)鏈路層采用5次握手的確認(rèn)機(jī)制:MACAW采用RTS－CTS－DS－DATA－ACK五次握手機(jī)制。如果發(fā)送方超時(shí)沒(méi)有收到接收方回應(yīng)的CTS消息，則重發(fā)RTS消息;如果接收方接收到數(shù)據(jù)，則向發(fā)送方反饋ACK消息，否則反饋CTS消息。發(fā)送方重發(fā)RTS消息時(shí)，如果超時(shí)沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，則退避計(jì)數(shù)器的值增加;如果收到ACK，則退避計(jì)數(shù)器的值減小;如果收到CTS，退避計(jì)數(shù)器的值不變。采用這種方法進(jìn)一步提高了信道的利用率。

2)采用DS幀以減少可能由隱藏終端帶來(lái)的沖突:在成功交互RTS和CTS后，由發(fā)送方發(fā)出DS幀，通知隱藏終端本節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)握手成功，減少數(shù)據(jù)幀的沖突。

3)采用RRTS幀提高競(jìng)爭(zhēng)的公平性:當(dāng)暴露終端不斷的收到RTS，而這些RTS消息又不是針對(duì)自己的時(shí)，將一直保持退避狀態(tài)，無(wú)法獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，造成資源使用的不公平現(xiàn)象。為解決此問(wèn)題，已經(jīng)獲得發(fā)送機(jī)會(huì)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，發(fā)起RRTS消息，通知鄰近的暴露終端新的競(jìng)爭(zhēng)期開(kāi)始，收到RRTS的節(jié)點(diǎn)可立即發(fā)送RTS，從而提高了競(jìng)爭(zhēng)效率，此時(shí)協(xié)議采用 RRTS－RTS－CTS－DSDATA－ACK六次握手的交互方式。

4)使用乘法增加線性減少的退避算法:在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，報(bào)文中攜帶本站的退避計(jì)數(shù)器值，收到報(bào)文的站根據(jù)此值在本地設(shè)置相同的退避計(jì)數(shù)器值。當(dāng)傳輸完成后，所有的退避計(jì)數(shù)器恢復(fù)到最小值。同時(shí)使用乘法增加線性減少退避算法(MILD，Multiplicative Increase and Linear Decrease)，計(jì)數(shù)器值以1.5的比例增加，以1的步長(zhǎng)減少。此外，可以為不同的目的站維護(hù)多個(gè)退避計(jì)數(shù)器值。通過(guò)這些措施，在一定程度上解決了公平性問(wèn)題。

從以上分析可以看出，MACAW協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)了較為完備的信令交互機(jī)制，最大可能的避免了數(shù)據(jù)沖突，同時(shí)在競(jìng)爭(zhēng)的公平性方面也有較全面的考慮。但該機(jī)制應(yīng)用在短波通信中時(shí)，則存在控制信息交互次數(shù)太多的缺點(diǎn)，一方面由于無(wú)線設(shè)備的發(fā)送和接收都需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這將顯著地降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，另一方面，由于短波具有誤碼率較高以及時(shí)變的特點(diǎn)，一次通信的流程越復(fù)雜，其失敗的概率也就越高，因此，有必要針對(duì)短板特點(diǎn)對(duì)MACAW協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2 HFMACA協(xié)議研究

2.1 HFMACA協(xié)議基本思想

HFMACA協(xié)議同樣使用控制幀握手來(lái)基本解決隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，并在發(fā)生沖突時(shí)使用MILD退避算法進(jìn)行退避。該協(xié)議在MACAW協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)短波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，在保留了MACAW協(xié)議信道訪問(wèn)控制的機(jī)制的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)間的握手和交互過(guò)程，進(jìn)一步提高了協(xié)議的效率。

2.2 HFMACA協(xié)議運(yùn)行機(jī)制

HFMACA協(xié)議使用了以下四種幀，分別是:請(qǐng)求發(fā)送(RTS，Request to Send)、允許發(fā)送(CTS，Clear to Send)、數(shù)據(jù)發(fā)送(DS，Data Sending)和上層的數(shù)據(jù)(Data)。除了Data外，所有的控制幀都有一個(gè)退避值字段，收到控制幀的非目的節(jié)點(diǎn)均要拷貝下這個(gè)值并退避相應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)通過(guò)RTS－CTSDS－DATA四次握手過(guò)程完成傳遞，消息交換示意圖如圖1所示。

圖1 HFMACA消息交互示意Fig.1 Message exchange schematic diagram of HFMACA

在圖1中，節(jié)點(diǎn)C在A的通信范圍之外，節(jié)點(diǎn)D在B的通信范圍之外。當(dāng)A給B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方式為RTS－CTS－DS－DATA。RTS和CTS為固定長(zhǎng)度，用于預(yù)約信道。A在收到CTS后先發(fā)送DS通知鄰近站點(diǎn)(D和E)退避，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，基本解決暴露終端和隱藏終端的干擾。除了接收節(jié)點(diǎn)以外，收到幀的節(jié)點(diǎn)拷貝幀中的退避值并設(shè)置定時(shí)器進(jìn)行退避。例如:

1)在A的范圍內(nèi)，B范圍外的節(jié)點(diǎn)D，在收到A發(fā)出的RTS時(shí)，拷貝RTS中退避值并設(shè)置定時(shí)器保持靜默狀態(tài)，以便讓A順利發(fā)送RTS和收到CTS;若收到的是DS，那么拷貝DS中的退避值并設(shè)置定時(shí)器保持靜默狀態(tài)，以便讓A順利發(fā)送DATA。

2)在A的范圍外，B范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)C，在收到B發(fā)出的CTS后知道信道被預(yù)定，拷貝CTS中的值并設(shè)置定時(shí)器保持靜默狀態(tài)，以便讓B順利收到DATA。同時(shí)在A和B范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)E在收到RTS或CTS或DS時(shí)都要設(shè)置定時(shí)器并保持靜默狀態(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便讓AB間的通信順利進(jìn)行。

HFMACA協(xié)議中的退避算法采用的是MILD算法，即乘法遞增線性遞減算法。由于HFMACA協(xié)議采用信道預(yù)約的方法，所以只有發(fā)送RTS時(shí)需要競(jìng)爭(zhēng)信道。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)和業(yè)務(wù)量選擇一個(gè)原始退避時(shí)間間隔x，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，將退避間隔時(shí)間調(diào)整為原退避時(shí)間間隔的 1.5倍，Tinc(x)=min［1.5x，BOmax］，其中的 BOmax為最大退避時(shí)間間隔;每成功完成一次發(fā)送，就將退避間隔時(shí)間調(diào)整為原退避時(shí)間間隔減 1，Tdec(x)=min［x－1，BOmax］。

在該協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)分為4級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)需要優(yōu)先發(fā)出，采用以下方法:對(duì)每一個(gè)優(yōu)先級(jí)，設(shè)定一個(gè)退避時(shí)間間隔增量Δt，優(yōu)先級(jí)越高的退避時(shí)間間隔越短。最高優(yōu)先級(jí)1退避時(shí)間間隔可設(shè)置為0，即 Δt1=0;其它 Δt1＜Δt2＜Δt3＜Δt4。實(shí)際的退避時(shí)間取值為x+Δt;若發(fā)生沖突，退避時(shí)間為T(mén)inc(x)+Δt;若成功完成一次發(fā)送，退避時(shí)間調(diào)整為 Tdec(x)+Δt。

綜上，HFMACA協(xié)議與MACAW協(xié)議相比，主要做出了如下的改進(jìn):

1)MACAW協(xié)議中的ACK一方面用于表示一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的結(jié)束，另一方面用于對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行確認(rèn)。在HFMACA中，由于在DS幀中增加了退避時(shí)間字段，用于保證DATA的傳輸不受干擾，當(dāng)退避時(shí)間結(jié)束后，即可進(jìn)行新一輪競(jìng)爭(zhēng)，而不需要等待ACK消息。需要說(shuō)明的是，HFMACA協(xié)議不提供數(shù)據(jù)的可靠性保證，數(shù)據(jù)的確認(rèn)及是否重傳等由上層應(yīng)用負(fù)責(zé)。

2)去掉了RRTS幀，減小了協(xié)議的復(fù)雜性。雖然由此有可能帶來(lái)資源使用不公平的問(wèn)題，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，該問(wèn)題不算明顯，因此HFMACA協(xié)議適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

2.3 HFMACA協(xié)議性能分析

(1)網(wǎng)絡(luò)容量

HFMACA協(xié)議采用了基于RTS－CTS的請(qǐng)求應(yīng)答握手機(jī)制來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)，網(wǎng)絡(luò)的容量和業(yè)務(wù)量的多少以及頻繁程度密切相關(guān)。在業(yè)務(wù)量較少，且發(fā)送頻度較低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以支持大量用戶同時(shí)在網(wǎng)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)不需要額外的開(kāi)銷和協(xié)議，開(kāi)機(jī)即入網(wǎng)。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增加或網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的業(yè)務(wù)比較平均時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的概率大大增加，雖然可以通過(guò)退避機(jī)制來(lái)在一定程度上解決沖突問(wèn)題，但是勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，業(yè)務(wù)傳輸?shù)某晒β室矔?huì)大大下降。因此，在需要保證業(yè)務(wù)的成功率和業(yè)務(wù)頻度的條件下，網(wǎng)絡(luò)的容量不可能太大。

經(jīng)過(guò)仿真分析，信道誤碼率在10－3量級(jí)，速率2 400 b/s，業(yè)務(wù)長(zhǎng)度1 KB時(shí)，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目、業(yè)務(wù)密度與業(yè)務(wù)成功率之間的關(guān)系如表1所示。表1中的業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時(shí)間指的是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)間隔時(shí)間發(fā)起1 K字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)發(fā)送的時(shí)間點(diǎn)將在業(yè)務(wù)間隔時(shí)間到時(shí)附近±5%波動(dòng)。

表1 用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)密度與業(yè)務(wù)成功率間關(guān)系Table 1 Relationship between user number，traffic density and traffic success rate

可以看出，用戶數(shù)量增加后，隨著業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時(shí)間縮短，業(yè)務(wù)性能下降。如果網(wǎng)絡(luò)需要支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，且要求業(yè)務(wù)成功率為80%左右，則網(wǎng)絡(luò)只能支持稀疏業(yè)務(wù)，即業(yè)務(wù)發(fā)送的間隔時(shí)間不能低于20 min。

(2)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延

在HFMACA網(wǎng)絡(luò)中，如果只考慮發(fā)送成功的業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延。這個(gè)時(shí)延將會(huì)是節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的時(shí)間+業(yè)務(wù)在信道上傳輸?shù)臅r(shí)間。根據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)的原則，節(jié)點(diǎn)在第一次競(jìng)爭(zhēng)失敗時(shí)，將會(huì)退避一段時(shí)間再次競(jìng)爭(zhēng)，如果3次競(jìng)爭(zhēng)失敗，則本次業(yè)務(wù)失敗。

因此，對(duì)于HFMACA網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延將會(huì)是一個(gè)相對(duì)比較固定的數(shù)值，最小是:TRTS+TCTS+TDS+TData，約為3.6 s，而最大是 3 × (TRTS+TCTS+TDS)+T退避1+T退避2+TData，這個(gè)時(shí)間主要取決于原始退避時(shí)間，可能會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

當(dāng)信道誤碼率在10－3量級(jí)，業(yè)務(wù)長(zhǎng)度為1 KB時(shí)，32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)在不同速率，不同業(yè)務(wù)發(fā)送間隔時(shí)間下，業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延情況如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延Table 2 Traffic delay(unit:second)

可以看出，業(yè)務(wù)發(fā)送頻率大于10 min時(shí)，業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延基本保持平穩(wěn)，進(jìn)一步減少業(yè)務(wù)間隔時(shí)間后，時(shí)延明顯增大。

3 結(jié)語(yǔ)

MAC層接入?yún)f(xié)議的作用是使多個(gè)用戶高效、合理地共享有限的信道資源。短波自組織網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、分布式控制、鏈路誤碼率較高、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，其MAC層接入?yún)f(xié)議的設(shè)計(jì)面臨許多新的挑戰(zhàn)。文中針對(duì)短波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)MACAW協(xié)議進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，提出了短波無(wú)線多路訪問(wèn)碰撞回避協(xié)議HFMACA，并對(duì)其容量、業(yè)務(wù)成功率、業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延等性能進(jìn)行了仿真分析，對(duì)短波自組織網(wǎng)MAC協(xié)議的研究和設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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［2］于宏毅.無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)［M］.人民郵電出版社，2005:23.YU Hong－yi.Wireless Mobile Ad Hoc Network［M］.Posts and Telecom Press，2005:23.

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