殷毓偉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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基于CRAHN網(wǎng)絡(luò)的MAC層競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段幀突發(fā)機(jī)制的研究

殷毓偉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

近年來(lái)，關(guān)于無(wú)線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN)接入的研究較多。該文研究了基于競(jìng)爭(zhēng)型(CP)和時(shí)隙分配型(CFP)兩種機(jī)制混合的混合型MAC層接入機(jī)制，在EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時(shí)段的幀突發(fā)機(jī)制(Frame Bursting EDCA，F(xiàn)-EDCA)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提基于幀突發(fā)機(jī)制的F-EDCA算法的優(yōu)越性。該算法可提高系統(tǒng)性能，尤其是音頻業(yè)務(wù)的QoS性能。

CRAHN；MAC層；EDCA；幀突發(fā)機(jī)制

引用格式：殷毓偉. 基于CRAHN網(wǎng)絡(luò)的MAC層競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段幀突發(fā)機(jī)制的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(11)：62-65，69.

0　引言

CRAHN網(wǎng)絡(luò)(認(rèn)知無(wú)線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))[1]結(jié)合了自組織網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無(wú)線電的特征，可廣泛應(yīng)用于沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)景，如環(huán)境惡劣的山區(qū)、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域[1]。其利用TV頻段的空白來(lái)緩解頻譜緊張的問(wèn)題。這種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以作為現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施易毀性和滿足無(wú)線業(yè)務(wù)對(duì)頻譜資源的渴求性[2]。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議按照信道訪問(wèn)策略劃分為三類(lèi)[3]：競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議(CP)、時(shí)隙分配協(xié)議(CFP)、混合協(xié)議。其中混合MAC協(xié)議是指競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和時(shí)隙分配協(xié)議的綜合，它能綜合競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和時(shí)隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較輕時(shí)體現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較重時(shí)體現(xiàn)出時(shí)隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。

1　相關(guān)概念

本文場(chǎng)景是CRAHN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種多信道分級(jí)分簇混合接入機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。文中研究的重點(diǎn)是改進(jìn)的混合型MAC接入機(jī)制，用以提高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的QoS和多用戶間多業(yè)務(wù)通信。當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，尤其是實(shí)時(shí)性要求較高的音頻業(yè)務(wù)幀較多時(shí)，若全部通過(guò)CFP時(shí)段傳輸，由于CFP時(shí)段時(shí)隙總長(zhǎng)度固定，存在瓶頸，故需要在CP時(shí)段傳輸音頻業(yè)務(wù)幀。這就要求要有CP時(shí)段保障音頻業(yè)務(wù)幀QoS的接入機(jī)制和節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量多跳和隱藏終端問(wèn)題的解決方案。本文在研究了EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時(shí)段的幀突發(fā)機(jī)制(Frame Bursting EDCA，F(xiàn)-EDCA)。F-EDCA旨在改善所提混合型MAC協(xié)議的音頻幀的QoS性能。

2　幀突發(fā)機(jī)制

2.1IEEE 802.11e中EDCA機(jī)制

IEEE 802.11e中的EDCA機(jī)制是基于分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)機(jī)制提出的改進(jìn)型競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA[4]機(jī)制中采用RTS/CTS機(jī)制解決隱藏終端問(wèn)題，MAC層機(jī)制在數(shù)據(jù)幀連發(fā)時(shí)，只需要在第一幀前發(fā)送一次RTS和CTS幀[5]，而不需要每次都發(fā)送RTS/CTS幀。若數(shù)據(jù)接收成功后，接收端返回一個(gè)ACK幀；若RTS幀發(fā)生沖突，發(fā)射端立即將當(dāng)期競(jìng)爭(zhēng)窗口增大一倍，隨機(jī)選擇一個(gè)退避時(shí)間進(jìn)行退避，退避結(jié)束后，開(kāi)始重新發(fā)送RTS幀，競(jìng)爭(zhēng)信道。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA能很好地解決數(shù)據(jù)包相對(duì)大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是對(duì)于當(dāng)傳輸實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)時(shí)，其QoS就得不到保障，時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)較大，丟包率也明顯增加。

2.2CP時(shí)段改進(jìn)的F-EDCA機(jī)制

本文在標(biāo)準(zhǔn)EDCA的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出F-EDCA機(jī)制，當(dāng)實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)需要傳輸時(shí)，先采用標(biāo)準(zhǔn)的RTS/CTS方法競(jìng)爭(zhēng)接入信道，當(dāng)獲得訪問(wèn)權(quán)限時(shí)，此后直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不再啟用RTS/CTS過(guò)程，而是不間斷地發(fā)送N個(gè)短幀。在通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送N個(gè)短幀的過(guò)程中，始終被告知應(yīng)該處于等待狀態(tài)，優(yōu)先讓這N個(gè)短幀發(fā)送結(jié)束，才能重新加入競(jìng)爭(zhēng)信道[6]。

詳細(xì)工作流程如下：RTS幀中攜帶的持續(xù)時(shí)間字段(Duration)保留有源節(jié)點(diǎn)要競(jìng)爭(zhēng)信道的信息，利用Duration也能實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)測(cè)的功能。目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS，等待SIFS時(shí)間后，修改確認(rèn)幀CTS含有的Duration，并發(fā)送CTS幀。其他節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽(tīng)MAC幀中的Duration[7]，當(dāng)Duration的值大于本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV時(shí)，則將Duration的值賦給本節(jié)點(diǎn)的NAV。如上所述，數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送N個(gè)短MAC幀，其他節(jié)點(diǎn)遞減其N(xiāo)AV，直至NAV=0，收到短MAC幀時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)出ACK確認(rèn)幀。當(dāng)NAV=0時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)才會(huì)恢復(fù)競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程[8]。

3　算法的設(shè)計(jì)

對(duì)F-EDCA機(jī)制的算法設(shè)計(jì)主要是從源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、其他節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)處理過(guò)程入手。

(1)源節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有實(shí)時(shí)音頻業(yè)務(wù)幀要發(fā)送時(shí)，先采用RTS/CTS方式進(jìn)行信道預(yù)約[9]。發(fā)送RTS幀前，需要計(jì)算源節(jié)點(diǎn)中高優(yōu)先級(jí)的音頻業(yè)務(wù)幀的數(shù)量Vnum。表示此次信道預(yù)約的總時(shí)間Duration字段值按照如下規(guī)則設(shè)定：

當(dāng)1≤Vnum

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×Vnum)+Vnum×(SIFS+TACK+Tdata)

(1)

其中，Tprop為傳播時(shí)延，TCTS和TACK為CTS幀和ACK幀的傳輸時(shí)延，Tdata為數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。

當(dāng)Vnum>N時(shí)，RTS幀含有的Duration字段的Tduration為：

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×N)+N×(SIFS+TACK+Tdata)

(2)

源節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道成功后，連續(xù)發(fā)出Vnum個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀，每完成一次音頻業(yè)務(wù)幀傳輸，源節(jié)點(diǎn)會(huì)收到目的節(jié)點(diǎn)返回的ACK幀，然后才進(jìn)行下一個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀的傳輸，這時(shí)Duration字段的值為：

Tduration=TACK+SIFS+2×(Vnum-1)+(Vnum-1)×(TACK+Tdata+SIFS)

(3)

(2)目的節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的RTS幀后，返回一個(gè)確認(rèn)幀CTS，并根據(jù)RTS中Duration的值修改CTS中Duration的值：

TCTS_duration=TRTS_duration-(TCTS+SIFS)

(4)

其中，TCTS為傳送一個(gè)CTS幀需要的時(shí)間，TRTS_duration為RTS幀中含有的Duration值。

音頻業(yè)務(wù)幀傳輸過(guò)程中，發(fā)送的ACK幀里面含有的Duration值為：

TACK_duration=TData_duration-(TACK+SIFS)

(5)

其中，TACK為傳送一個(gè)ACK幀需要的時(shí)間，TData_duration則是音頻業(yè)務(wù)幀的Duration值。目的節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)接收到的幀中的Duration值來(lái)更新自身的NAV值。

(3)其余節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

其余節(jié)點(diǎn)的處理較為簡(jiǎn)單，只需要依據(jù)接收到的ACK確認(rèn)幀和音頻業(yè)務(wù)幀中的Duration幀，來(lái)更新自身NAV的值，當(dāng)NAV=0時(shí)，重新開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)信道。

4　仿真結(jié)果與分析

用MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC協(xié)議的評(píng)估。假設(shè)每個(gè)工作節(jié)點(diǎn)機(jī)的通信距離為半徑50 000 m，場(chǎng)景有80個(gè)工作節(jié)點(diǎn)機(jī)隨機(jī)分布在20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)，每個(gè)超幀周期為80 ms。

4.1節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止時(shí)的通信仿真

假設(shè)節(jié)點(diǎn)速度很慢或者需要通信的節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止，為了不考慮隱藏終端的影響，本仿真驗(yàn)證只考慮單跳情況。仿真中設(shè)定的數(shù)據(jù)幀為實(shí)時(shí)性音頻業(yè)務(wù)幀，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)EDCA[10]機(jī)制(正常使用RTS/CTS機(jī)制)、不使用RTS/CTS情況下的EDCA機(jī)制和本文所提的F-EDCA機(jī)制這三種情況的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行QoS性能評(píng)估。比較結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　三種機(jī)制平均時(shí)延的比較

圖2　三種機(jī)制平均時(shí)延抖動(dòng)的比較

由圖1可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)變多時(shí)，三種機(jī)制的時(shí)延都遞增，且F-EDCA始終是三種機(jī)制中時(shí)延最小的一個(gè)，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于9時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時(shí)延都急劇增加，且標(biāo)準(zhǔn)EDCA的時(shí)延開(kāi)始明顯大于noRTS-EDCA[11]，但是F-EDCA的時(shí)延增加得仍然比較緩慢，F(xiàn)-EDCA平均時(shí)延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的平均時(shí)延減少了36%左右。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延。

由圖2可知，三種機(jī)制時(shí)延抖動(dòng)都是隨著音頻業(yè)務(wù)流數(shù)遞增而遞增[12]，但是F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA都較低，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于15時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)都急劇增加，但是F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)增加得仍然比較緩慢。此外當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于16時(shí)[13]，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)開(kāi)始超出音頻業(yè)務(wù)時(shí)延抖動(dòng)的指標(biāo)要求，而F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終小于1 ms，符合時(shí)延抖動(dòng)的指標(biāo)要求。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延抖動(dòng)[14]。

圖3　音頻業(yè)務(wù)的丟包率

圖3是對(duì)音頻業(yè)務(wù)的丟包率的分析情況。由圖可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)增加時(shí)，三種機(jī)制的丟包率都遞增，F(xiàn)-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA。隨著音頻業(yè)務(wù)流的增加，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA音頻業(yè)務(wù)的丟包率急劇增加，而F-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率增加得極為緩慢，且都小于0.7%[15]，符合音頻業(yè)務(wù)丟包率的指標(biāo)。因?yàn)樵贔-EDCA機(jī)制中，預(yù)約信道成功后，在發(fā)送多個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀期間，其他節(jié)點(diǎn)被告知停留在等待狀態(tài)，不會(huì)再參與信道競(jìng)爭(zhēng)，故音頻業(yè)務(wù)幀不容易丟包。

綜上所述，F(xiàn)-EDCA機(jī)制在速度較慢或者相對(duì)靜止情況下，很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了丟包率、時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延。

4.2節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)的通信仿真

節(jié)點(diǎn)仍然處于20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)移動(dòng)，設(shè)置了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)速度分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s和40 m/s，設(shè)置8條音頻業(yè)務(wù)幀進(jìn)行仿真，進(jìn)行10次仿真取其平均值。使用標(biāo)準(zhǔn)EDCA、A-EDCA(自適應(yīng)EDCA)和F-EDCA機(jī)制進(jìn)行比較。如圖4、圖5所示。

圖4　節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)音頻業(yè)務(wù)的平均時(shí)延

圖5　節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)音頻業(yè)務(wù)的平均時(shí)延抖動(dòng)

由圖4可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí)，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，且平均時(shí)延都遞增，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA平均時(shí)延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA的平均時(shí)延減少了45%左右。因而得出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延。

由圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí)，三種機(jī)制的時(shí)延抖動(dòng)都遞增，但是F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA。F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA減少了39%左右，且F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終小于1 ms。因而得出F-EDCA音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延抖動(dòng)降低很多。

綜上所述，F(xiàn)-EDCA機(jī)制在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下，也很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多信道分級(jí)分簇混合接入機(jī)制的CRAHN網(wǎng)絡(luò)的CP時(shí)段進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)型F-EDCA(突發(fā)幀)接入機(jī)制，方案簡(jiǎn)單高效，解決了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)音頻業(yè)務(wù)的Qos惡化情況，有效地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos性能。仿真結(jié)果表明，無(wú)論節(jié)點(diǎn)在相對(duì)靜止還是運(yùn)動(dòng)的情況下，都很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos，降低了時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延，證實(shí)了所提方案的優(yōu)越性。

[1] 曾桂根. 認(rèn)知無(wú)線電 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué), 2012.

[2] 李瑾,劉玉清,袁紅，等.資源受限的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)協(xié)作激勵(lì)機(jī)制研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(16):42-44.

[3] 羅穎,林茂松,江虹，等.基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TCP增強(qiáng)算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(5):97-100,107.

[4] DOMENICO A D, STRINATI E C, BENEDETTO M D. A survey on MAC strategies for cognitive radio networks[J]. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2012, 14(1): 21-44.

[5] KRUNZ M, MANZI D. Channel access and traffic control for dynamic-spectrum networks with single-transmit, dual-receive radios[J]. Computer Communications, 2011, 34(8): 935-947.

[6] NG P C, EDWARDS D J, LIEW S C. A novel dual channel MAC protocol for IEEE802.11 Ad-Hoc networks[C].INFOCOM 2006, 25th IEEE International Conference on Computer Communications, 2006: 1-2.

[7] WANG M, CI L, ZHAN P, et al. Multi-channel MAC protocols in wireless ad hoc and sensor networks[C].Computing, Communication, Control, and Management, 2008 ISECS International Colloquium on. IEEE, 2008: 562-566.

[8] KONDAREDDY Y R, AGRAWAL P. Synchronized MAC protocol for multi-hop cognitive radio networks[C].Communications, 2008. ICC'08. IEEE International Conference on. IEEE, 2008: 3198-3202.

[9] FULLMER C L， GAREIA-LUNA-AEEVES J J.Floor acquisition multiple access for packet-radio networks[C].Proc.ACM SIGCOMM 95,Cambridge,MA.1995,10(25):262-273.

[10] BHARGHAVAN V. Performance analysis of a medium access protocol for wireless packet networks[J].Wireless Networks,2004,9(10):519-529.

[11] KENTARO D,TAKESHI T,HIDEYOSHI T.Adaptive MAC protocol for high-load inter-vehicle communication[C].Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications, Montreal, Canada,2005:138-145.

[12] SHAH M A,SAFDAR G A, MAPLE C.DDH-MAC:a novel dynamic de-centralized hybrid MAC protocol for cognitive radio networks[C].Proceedings of the Roedunet International Conference 2011， Luton,UK,2011:1-6.

[13] JHA S C, PHUYAL U,RASHID M M,et al.Design of OMC-MAC:an opportunistic multi-channel MAC with QoS provisioning for distributed cognitive radio networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(10):3414-3425

[14] MASRUB A,AI-RAWESHIDY H， ABBOD M.Cognitive radio based MAC protocol for wireless ad hoc networks[C].Proceedings of the Developments in E-Systems Engineering, Dubai,2011:465-469.

[15] Ma Liangping,Han Xiaofeng,SHEN C C.Dynamic open spectrum sharing MAC protocol for wireless ad hoc networks[C].Proceedings of the 1st IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks,Baltimore,USA,2005:203-213.

Research on MAC layer competition time frame breaking mechanism based on CRAHN network

Yin Yuwei

(School of Communications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Communications, Nanjing 210003, China)

In recent years, the research about access of wireless Ad Hoc Networks (Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN) is more and more. The access mechanism of this article is based on contention period (CP) and the time contention-free period (CFP), which is hybrid MAC layer access mechanism. On the premise of EDCA mechanism is studied, frame breaking mechanism (Frame Bursting EDCA, F-EDCA) in CP time is presented. The simulation results show that the proposed algorithm is superior, it improves the system performance, especially the QoS of audio performance.

CRAHN; MAC layer; EDCA; frame breaking mechanism

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.020

2016-01-15)

殷毓偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向:下一代網(wǎng)絡(luò)。