趙 婕

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 咸陽 712000）

1 引言

隨著網(wǎng)絡流量需求和服務質量需求的不斷增加，移動自組織網(wǎng)絡由于其低成本、易組建等優(yōu)勢被廣泛應用在各種場景中，受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注［1-3］。特別是如何在有限的頻譜條件下，提出滿足不同需求的高性能方案成為移動自組網(wǎng)的研究熱點之一。

在移動自組織網(wǎng)絡中，節(jié)點只能監(jiān)聽到自己監(jiān)聽范圍內節(jié)點的傳輸情況，因此，在接收節(jié)點處各節(jié)點的傳輸可能會給彼此帶來干擾。此外，由于無線信道的共享特性，分組傳輸碰撞在分布式網(wǎng)絡中成為一種普遍現(xiàn)象［4］，這嚴重影響了網(wǎng)絡吞吐量和時延。在分布式網(wǎng)絡中，碰撞可分為兩類，分別是同步碰撞［5］和隱藏節(jié)點碰撞［6］。當不少于兩個節(jié)點在同一信道上同時開始傳輸時，發(fā)生同步碰撞；而隱藏節(jié)點碰撞則是由于網(wǎng)絡中隱終端問題引起的。

眾所周知，碰撞問題一直都是移動自組織網(wǎng)絡中MAC層的研究重點［7-9］。綜合以往學者的研究，可將移動自組織網(wǎng)絡中研究碰撞避免的MAC協(xié)議分為四大類，分別是基于中心協(xié)調方案，多頻輔助方案，時隙分配方案和后退調優(yōu)方案?；谥行膮f(xié)調的方案是利用中心協(xié)調器對組中每個節(jié)點進行管理，以達到減少分組碰撞的目的［10］；多頻輔助方案是使用多個頻帶并發(fā)傳輸。由于多頻輔助方案需要額外的基礎設施，這限制了它對普通分布式網(wǎng)絡的可擴展性［11］；時隙分配方案的基本思想是將TDMA和CSMA/CA技術相結合，為不同需求的傳輸保留不同類型的時隙，但是這種時隙方案需要全局同步，并且容易受到時隙漂移的影響［12］；后退調優(yōu)方案就是對以往的退避算法進行優(yōu)化，但隨著網(wǎng)絡負載的增加，由于退避算法的隨機性，方案效率會越來越低［13］。以上四種方案都有優(yōu)缺點，結合場景特色可以發(fā)現(xiàn)基于中心協(xié)調的碰撞解決方案在現(xiàn)實場景中的運用更具有普遍性。為了獲得一個高吞吐量、低碰撞率的基于中心協(xié)調的MAC方案，本文對以往學者的基于中心協(xié)調的方案進行參考并做出相應的改進。

結合以上方案，本文提出一種新的基于動態(tài)空間預留的MAC方案，稱為SR-MAC（Space-Reservation MAC）協(xié)議，以滿足日益劇增的流量需求和服務質量需求。在該方案中，組頭根據(jù)源節(jié)點的傳輸請求，合理的調控節(jié)點在信道中數(shù)據(jù)傳輸時隙上的發(fā)送或接收，以獲得更高的信道利用率和吞吐量。此外，本文通過考慮節(jié)點自身的干擾范圍和網(wǎng)絡的瞬時流量，根據(jù)反饋更合理地估算出空間預留半徑，確保在降低分組碰撞率的同時也能防止網(wǎng)絡中暴露終端問題惡化。

2 信道優(yōu)化模型的建立

因為在實際應用場景中，網(wǎng)絡性能會受很多外界因素影響，并且自組織通信網(wǎng)絡是一個多跳網(wǎng)絡，所以本文通過計算目的節(jié)點所接收到的信干噪比SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）來確定所傳分組鏈路的性能。定義lij為源節(jié)點i∈{1,2,…,N}到目的節(jié)點 j∈{1,2,…,N}，i≠j的單跳鏈路，鏈路lij的長度為dij。那么源節(jié)點i到目的節(jié)點 j的信增益可表示為

其中，m是常數(shù)，β為路徑損耗因子。此外，本文還定義 pi，i∈{1,2,…,N}為源節(jié)點i的發(fā)送功率，那么當源節(jié)點i發(fā)送分組給目的節(jié)點 j時，目的節(jié)點 j在鏈路lij上接收到的期望信道的功率為

因此，當源節(jié)點i通過鏈路lij發(fā)送分組給目的節(jié)點 j時，目的節(jié)點所接收到的SINR可表示為

式（3）中，N為噪聲功率，∑h≠ipkhkj為其他節(jié)點對鏈路lij的干擾。目的節(jié)點接收到的SINR越大，說明這條鏈路性能越好。由于本文主要是針對MAC層的研究，當鏈路中跳數(shù)增加時，將會涉及路由協(xié)議的選擇，所以本文主要研究單跳傳輸情況。本文設定成功接收控制消息和數(shù)據(jù)消息的最小SINR，分別記作ωc和ωd。

3 SR-MAC協(xié)議的基本思想

為了提高無線信道利用率和減少網(wǎng)絡中分組傳輸碰撞，本文提出的MAC協(xié)議主要使用以下策略：

1）利用時隙分配策略，減少同頻碰撞，提高信道利用率；

2）參考網(wǎng)絡瞬時流量和節(jié)點干擾范圍等參數(shù)，合理地估算出空間預留半徑；

3）充分發(fā)揮組頭的協(xié)調性，使各信道的使用更均衡。

將網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的節(jié)點被劃分為多個小組，在每個組中包含一個組頭和若干個組成員（稱為節(jié)點）。其中，組頭位于每個組的中心，為了減少協(xié)議的復雜度，參考文獻［14］中的簇頭選擇算法預先定義組頭。本文把以組頭為中心的覆蓋區(qū)域的半徑定義為 rg，即 rg為組頭的傳輸范圍，其中rg≥max dij∈?dij，其中，?是指網(wǎng)絡中節(jié)點i和節(jié)點 j單跳可達的情況。因此，每個單跳鏈路的源節(jié)點和目的節(jié)點在同一個小組或相鄰小組中。由于在該系統(tǒng)中組頭不需要頻繁移動，因此，不需要頻繁地更新網(wǎng)絡規(guī)劃。此外，本文假設網(wǎng)絡中每個節(jié)點僅配有一個半雙工收發(fā)器，采用全向天線進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并且組頭擁有足夠的能量。

3.1 信道利用率及空間預留策略

本文假設在整個系統(tǒng)中擁有3個可用信道，且每個信道所占帶寬相同。所有節(jié)點在時間上同步，并且時間被分割成等長重復的幀。SR-MAC的幀結構如圖1所示，每幀包含請求時隙，控制時隙和數(shù)據(jù)傳輸時隙三部分。在請求時隙，組內節(jié)點向組頭發(fā)送請求消息；在控制時隙中，組頭根據(jù)接收到的請求將生成的調度信息廣播給節(jié)點，對源節(jié)點和目的節(jié)點進行傳輸調度。數(shù)據(jù)傳輸時隙用于數(shù)據(jù)包和ACK包的傳輸或接收。接下來將對各時隙的傳輸策略進行詳細的介紹。

請求時隙：主要用于源節(jié)點向組頭發(fā)送請求消息，本文將源節(jié)點需要發(fā)送的請求消息放在一個被叫做請求表的數(shù)據(jù)包中發(fā)送，在請求表中包含了組編號、源節(jié)點ID、目的節(jié)點ID和準備發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量等。

控制時隙：用于控制消息的發(fā)送及接收。每個組中的組頭都具有所有組內節(jié)點的地理位置信息。組頭根據(jù)收到的請求消息，查看源節(jié)點所在信道中數(shù)據(jù)傳輸時隙的空閑時隙情況（若源節(jié)點所在信道的空閑時隙數(shù)小于閾值，組頭將告知源節(jié)點切換信道后才可以繼續(xù)分組傳輸），并將生成的調度表在控制時隙以廣播的形式發(fā)送給節(jié)點和共享給相鄰組頭。其中調度表中包含了當前信道及時隙的信息。

數(shù)據(jù)傳輸時隙：在數(shù)據(jù)傳輸時隙，節(jié)點將以CSMA/CA競爭機制進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。在本文，為了保證目的節(jié)點所需要的SINR，本文利用動態(tài)空間預留的思想來改善目的節(jié)點所接收到的SINR，這不僅提高空間頻譜效率，還減小網(wǎng)絡中的分組碰撞概率。如圖2所示，陰影區(qū)域為節(jié)點a向節(jié)點b發(fā)送分組時預留的空間區(qū)域。為了保證節(jié)點b所需要的SINR，在該區(qū)域中沒有安排其它節(jié)點的傳輸。其中，為分組傳輸預留的空間區(qū)域可以在一個小組內，也可以同時跨越幾個小組（如圖2所示）。但是，如果預留空間太小，將不能有效地改善隱終端問題、減少分組碰撞；如果預留區(qū)域太大，又將增加暴露終端問題。因此，在滿足接收節(jié)點的SINR的情況下，通過參考更多的網(wǎng)絡參數(shù)來決定預留區(qū)域的大小，以防止在減小分組碰撞的同時引發(fā)嚴重的暴露終端問題。

當節(jié)點a向節(jié)點b發(fā)送分組時，令rs表示以接收節(jié)點為圓心的預留區(qū)域的半徑。因為在預留區(qū)域內不會安排其它節(jié)點的傳輸，故在目的節(jié)點b的干擾范圍內，預留區(qū)域之外的傳輸所施加在接收節(jié)點上的干擾量具有一個上限值，可以用以下公式表示：

其中，c'取決于網(wǎng)絡當時的節(jié)點密度和流量負載，節(jié)點周期性α根據(jù)網(wǎng)絡的瞬時流量判斷c'的取值；pd為數(shù)據(jù)分組傳輸所需要的功率；hmj表示干擾節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益；ri為目的節(jié)點b的干擾范圍半徑，根據(jù)文獻［15］可知，節(jié)點b的干擾半徑可表示為

那么再根據(jù)式（4），本文可以將目的節(jié)點所接收到的SINR表示為β且

根據(jù)以上推導本文可以得知，當c'增加時，預留區(qū)域增大，減少了干擾節(jié)點個數(shù)，同時也降低了因隱終端問題而引發(fā)的分組碰撞。但是隨著節(jié)點密度的增大，不可能無限制地增大保留區(qū)域的面積。因為這不僅會增加暴露終端問題，還導致空間頻譜復用度急劇降低。因此，在仿真時本文設置預留區(qū)域的半徑不得超過目的節(jié)點的干擾半徑ri。

3.2 網(wǎng)絡分組傳輸碰撞優(yōu)化

根據(jù)空間預留策略，本文不難發(fā)現(xiàn)空間預留的提出在一定程度上減緩了分組碰撞。因此，在本小節(jié)，本文根據(jù)Bianchi's模型［16］及三階馬爾可夫鏈的遍歷特性，推導并分析了吞吐量。

為了簡化模型，本文考慮了飽和負載的網(wǎng)絡中有限個站點，即一個節(jié)點在傳輸隊列中總是有一個分組。同時也認為數(shù)據(jù)包只是由于沖突而被丟棄。本文假設節(jié)點發(fā)送分組的概率為τ，那么節(jié)點的分組碰撞概率Pc可用式（8）表示。

而在給定時間內，信道中沒有分組傳輸（即信道空閑）的概率Pu可用式（9）表示：

其中，k和n分別為信道個數(shù)和節(jié)點總個數(shù)。同樣，節(jié)點在信道中成功傳輸分組的概率Ps可表示為

根據(jù)式（8）、（9）、（10）和吞吐量的定義，本文可以得出信道l的吞吐量ψl及整個網(wǎng)絡的吞吐量ψ分別為

其中，E[p]分組的負載大小，σ為時隙時長，Ts為信道l中分組成功傳輸?shù)钠骄鶗r長，Tc為信道l上分組發(fā)生碰撞的平均時長。為了討論分組碰撞概率對網(wǎng)絡吞吐量的影響，本文將式（11）簡化為

由于Ts，Tc，E[p]和σ都可看作是常數(shù)，故不難看出網(wǎng)絡吞吐量取決于參數(shù) y，二者成反比關系，即隨著參數(shù)1 y的增加，網(wǎng)絡吞吐量ψl呈上升趨勢。

從式（8）和式（14）中本文可以得出，當分組碰撞概率Pc減小時，節(jié)點發(fā)送分組的概率τ增大，參數(shù)1 y也增加。因此本文可以得出分組碰撞概率Pc與網(wǎng)絡吞吐量成反比關系，即空間預留策略的使用，能在一定程度上有效提升網(wǎng)絡吞吐量。

4 仿真與結果分析

在對整個系統(tǒng)的碰撞問題進行分析時，本文借助NS-2仿真工具，從網(wǎng)絡流量負載、碰撞率、吞吐量和時延等方面展開仿真工作。仿真場景設為800m×800m，網(wǎng)絡中初始節(jié)點個數(shù)為50，并且除組頭之外的節(jié)點隨機分布在網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域。本文把本文提出的MAC協(xié)議與基于中心協(xié)調方案的LRS協(xié)議和PMAC協(xié)議進行對比。其中每個源節(jié)點的數(shù)據(jù)包根據(jù)泊松分布產(chǎn)生，所有的控制消息以速率Rs在控制時隙中傳輸，數(shù)據(jù)消息以速率Rd在數(shù)據(jù)時隙傳輸。由于PMAC協(xié)議是通過綜合多種方案來提升網(wǎng)絡性能，所以為了突顯出動態(tài)空間預留對網(wǎng)絡性能的影響，在仿真時，均采用CSMA/CA競爭機制進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。本文通過以下三個指標來評估三種MAC協(xié)議。

1）吞吐量，其定義為網(wǎng)絡中所有節(jié)點每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量的總和。

2）碰撞率，其定義為沖突數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)包總數(shù)之比。

3）時延，其定義為一個分組從源節(jié)點到目的節(jié)點所需要的時間。

在仿真過程中，本文參考文獻［17］和［18］進行仿真參數(shù)的設置，詳情如表1所示。其中，dm為源節(jié)點到目的節(jié)點間距離的最大值。整個仿真過程進行了200次，計算出各指標的平均值，使整個仿真結果更準確。

表1 仿真參數(shù)設置

圖3顯示了隨著網(wǎng)絡流量負載增加，三個協(xié)議（SR-MAC、LRS和PMAC）平均分組碰撞率的變化情況。由圖3可知，本文提出的SR-MAC協(xié)議的分組碰撞概率小于LRS協(xié)議和PMAC協(xié)議。這是因為空間預留策略會為正在通信的兩個節(jié)點預留一定的范圍，減少了接收節(jié)點周圍的干擾節(jié)點個數(shù)，因此SR-MAC協(xié)議的碰撞概率遠小于LRS協(xié)議的碰撞概率。其次，在本文所提的空間預留策略中，節(jié)點周期性的判斷網(wǎng)絡的瞬時流量，使得計算出空間預留半徑能隨著網(wǎng)絡流量動態(tài)的改變。因此，相比于具有固定空間預留半徑的PMAC協(xié)議而言，SR-MAC協(xié)議能更合理地計算出空間預留半徑，防止網(wǎng)絡流量增大時因預留空間過小而引起隱終端碰撞問題。

圖4 顯示了隨著網(wǎng)絡流量負載增加，三個協(xié)議（SR-MAC、LRS和PMAC）吞吐量的變化情況。從圖4可知，本文提出的SR-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量大于LRS協(xié)議和PMAC協(xié)議。這是由于SC-MAC協(xié)議中組頭通過協(xié)調的方案使多信道的使用更加均衡。此外，動態(tài)的空間預留半徑有效地防止了暴露終端問題和隱終端問題。隨著流量負載的增加，網(wǎng)絡中的吞吐量在不斷上升，當流量負載達到一定值時，吞吐量的增長趨勢趨于平緩。這是由于在有限的頻譜下，網(wǎng)絡競爭不斷增加所致。

圖5 顯示了隨著網(wǎng)絡中節(jié)點個數(shù)增加，平均端到端時延的變化情況。從圖5可知，本文提出的SC-MAC協(xié)議的端到端時延小于LRS協(xié)議，卻大于PMAC協(xié)議。對于LSR協(xié)議而言，SR-MAC協(xié)議提出了空間預留技術，減小了分組重傳的概率，并且不需要對碰撞等級進行劃分，不需要對碰撞解決數(shù)據(jù)包進行更新和維護，因此減小了網(wǎng)絡中平均端到端傳輸時延。但相比于PMAC協(xié)議，SR-MAC協(xié)議中節(jié)點每次發(fā)起一個新傳輸時需要對自身的請求包進行更新，并且節(jié)點需要周期性地獲取當前時段的網(wǎng)絡流量的狀況，計算出動態(tài)空間預留半徑，因此增加了計算的復雜度。所以本文所提協(xié)議的時延略大于PMAC協(xié)議。

5 結語

本文提出了一種基于動態(tài)空間預留的MAC協(xié)議。在該方案中，將網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的節(jié)點劃分為多個小組，組頭周期性地調度其小組內節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸或接收。相鄰組頭間共享調度信息，以最大限度地提高信道利用率，同時避免傳輸碰撞。對于每個調度的發(fā)送或接收，通過考慮接收節(jié)點的干擾范圍和網(wǎng)絡瞬時流量，動態(tài)地預留一定的空間以減少隱終端引起的傳輸碰撞。本文將提出的MAC協(xié)議與基于協(xié)調方案的LRS、PMAC協(xié)議進行比較，仿真結果表明，本文提出的方案實現(xiàn)了更高的吞吐量和較小的分組碰撞率。但是，由于本文最初目的是減小網(wǎng)絡中分組傳輸?shù)呐鲎猜?，所以降低了時延這個指標參數(shù)的要求。然而，在許多特殊場景中常常有很多消息需要更及時的傳輸，因此本文下一步工作應該是在保證低碰撞率的情況下，還能對特殊消息進行更快、更有效的傳輸。