移動Ａｄ ｈｏｃ網絡改進型ＦＡＭＡ多址接入協議

摘要：提出了一種改進型FAMA(floor acquisition multiple access)協議，用節點競爭失敗次數（無效RTS）對信道爭用情況進行估計，動態調整FAMA協議中的報文序列長度，實現移動節點公平接入，并保障較好的網絡吞吐率。

關鍵詞：媒體訪問控制； 實地捕獲多址接入； 無線自組織網絡

中圖分類號：TP391.9文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0342-03

Ad hoc網絡是一種多跳共享廣播信道，無線終端采用CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance )協議競爭接入信道，利用RTS(request to send)和CTS(clear to send)握手控制信號獲取信道訪問權^[1，2]。移動Ad hoc網絡信道接入協議設計的目的就是最大限度地降低碰撞和提高信道利用率。

美國加州大學圣克魯茲分校J.J.Garcia－Luna－Aceves教授所領導的計算機通信研究小組（The Computer Communications Research Group）在1995年提出了FAMA接入協議^[3]，并陸續發表了許多相關文章^[4~6]。在基于單信道的分布式無線網絡信道接入協議中，FAMA協議是較成功的一種。美軍在無線互聯網網關(wireless Internet gateways，WINGS)中使用的信道接入協議就是FAMA協議。

FAMA協議巧妙利用RTS/CTS握手信號，能夠有效解決隱終端問題。首先，發送者在發送RTS信號之前先監聽信道；然后，借鑒忙音阻塞機制，接收終端發送CTS足以使隱終端暫停發送，進入退避狀態；最后，握手成功并有效傳輸數據。該類協議的基本指導思想是允許一次RTS－CTS握手成功后可以連續發送多個數據報文（稱為報文序列packet train），以此來提高信道的利用率。

文獻[7，8]對移動Ad hoc網絡信道接入的公平性進行了分析研究。此外，還有MARCH(multiple access with reduced handshake)、CATA(collision－avoidance time allocation)、MACA－BI(MACA by invitation)、BTMA(busy－tone multiple access)、SRMA(split－channel reservation multiple access)、GAMA(group allocation multiple access)等協議。這些協議普遍都采用了時延退避策略和RTS/CTS握手機制來解決信道共享問題。

1FAMA接入協議

由于移動Ad hoc網絡工作在無線環境中，信道資源有限，而移動主機一般是由電池提供能量，為了提高信道利用率和節約能量，電臺的發射功率一般較低。降低電臺功率導致了節點的通信距離有限。一個節點發出的信號，網絡中其他節點并不一定都能收到，從而會出現隱終端和暴露終端等問題，使得普通的CSMA協議不能很好地工作。隱終端是指一個終端位于接收者的通信范圍之內，而在發送者的通信范圍之外；暴露終端是指在發送者的通信范圍內，而在接收者的通信范圍之外。圖1中，當節點A向B發送信息時，節點H是隱終端，節點E是暴露終端。隱終端和暴露終端問題的存在導致了報文沖突的發生。

當節點A向B發送信息時，如果節點H也在發送數據，則節點A發送的報文和節點H發送的報文在節點B處產生了碰撞。解決的辦法是：在節點A向B發送數據之前先發送RTS信號；如果節點B空閑并準備好接收，就向節點A應答CTS信號；聽到節點B發射的CTS信號的節點H（隱終端）暫時停止一切發送；節點A開始向B發送數據，從而避免沖突的發生。

圖2為RTS/CTS機制時序圖。RTS/CTS握手機制是移動Ad hoc網絡中廣泛使用的機制。它在很大程度上解決了移動Ad hoc網絡中隱終端和暴露終端問題，極大地提高了網絡性能。

FAMA協議^[4]主要有兩大類，即FAMA－NPS(FAMA with non－persistent packet sensing)^[3]和FAMA－NCS(FAMA with non－persistent carrier sensing)^[4]。FAMA－NPS協議類似于MACA、MACAW。FAMA－NCS協議采用載波偵聽機制，并通過增加CTS控制報文的長度完全消除了隱發送終端問題。FAMA－NCS協議可以被用于移動Ad hoc網絡。

FAMA協議有兩個特點^[5]：一是通過延長RTS和CTS控制報文的長度來消除控制報文的沖突，較好地解決了隱終端問題；二是允許一次RTS－CTS交互成功后，節點可連續發送多個報文，從而增加了網絡的吞吐量。

圖3給出了占主導地位的CTS控制信號時序圖^[6]。其中CTS信號持續時間比RTS長。當接收方響應發送方的RTS信號而開始發送CTS信號時，在CTS范圍內的任何節點無論是否正在發送RTS，將至少偵聽到占統治地位的CTS分組的一部分（圖3中的δ部分）。這些節點將推遲對信道的爭用，實現了無碰撞數據報文傳輸。FAMA－NCS協議解決了隱終端問題，但暴露終端問題仍然存在。

為了實現FAMA－NCS協議，對每個節點定義了五種狀態^[3，4，6]，即初始狀態（start）、無源狀態（passive）、遠程狀態（remote）、退避狀態（backoff）和傳輸狀態（transmit）。

每個移動節點首先初始化進入start狀態，并等待一段時間。等待時間為發送最大信息包所占用信道的來回時間總和，保證了正在占用信道的相鄰節點免于沖突地接收完數據。當節點沒有檢測到載波時，轉移到passive狀態；否則，轉移到remote狀態。

在passive狀態，若節點偵聽到載波，就轉移到remote狀態。如果信道空閑，并且有發送數據請求，就轉移到transmit狀態。

在transmit狀態，若發送RTS后收到了CTS應答，則傳輸數據；如果在規定時間沒有收到CTS應答，則轉移到backoff狀態。如果沒有發送數據請求，就轉移到passive狀態。

在remote狀態，如果在backoff退避時間沒有偵聽到載波，且有發送數據請求，就轉移到transmit狀態；如果偵聽到載波，就轉移到remote狀態。

在backoff狀態，如果信道空閑，且有數據要發送，就轉移到passive狀態。如果偵聽到載波，就轉移到backoff狀態。

FAMA－NCS狀態轉移圖如圖4所示。

2改進型FAMA多址接入協議

在FAMA協議中，CTS比RTS要長，CTS主導了RTS而占統治地位。RTS寬度大于最大信道傳輸時延和收發處理時間之和，CTS寬度大于RTS和信道往返時間之和。占統治地位的CTS起到了忙音阻塞（busy tone）信號的作用。在節點成功搶占到信道使用權后，節點能夠免于碰撞的連續傳輸多個報文序列。FAMA－NCS連續報文傳輸機制如圖5所示。

FAMA－NCS連續報文序列傳輸機制步驟如下：

a)通過RTS－CTS控制信號搶占到信道使用權；

b)對發送節點：如果需要連續傳輸報文序列，在報文頭部加入more標記，發送報文，跳轉到步驟d)；

c)對發送節點：收到CTS應答信號，如果需要連續傳輸報文序列，在報文頭部加入more標記，發送報文；

d)對接收節點：收到數據后，如果報文頭部有more標記，發送CTS信號；否則，停止發送CTS，終止本次接收過程。

FAMA－NCS協議連續報文傳輸機制中，只要通過RTS－CTS控制信號搶占到信道使用權，無論當前信道空閑或者繁忙，都試圖傳輸自定義最大長度的報文序列。當信道比較繁忙時，搶占到信道的節點長期霸占信道，造成節點接入公平性很差。本文從信道估計入手，在信道比較空閑時，連續傳輸較多的報文序列；在信道競爭比較激烈時，連續傳輸較少的報文序列。其主要目的是既要保障較高的吞吐率，又要改善接入公平性。

在基于RTS/CTS握手機制的MAC協議中，在網絡負荷較大時，節點為了獲得信道訪問權，需要多次發送RTS報文才能將數據報文發送出去。當源節點向目標節點發送RTS后，在給定時間沒有收到目標節點回送的CTS，此時源節點可能正在忙，或者RTS信號在目標節點處發生了碰撞，或者CTS信號在源節點處發生了碰撞，或者其他可能的情況。

3結束語

在移動Ad hoc網絡中，信道接入公平性和吞吐率是MAC協議需解決的重要問題。分析表明，提出的方法提高了FAMA協議的性能，保證網絡在高負荷或者低負荷的情況下，均能有較高的信道利用率；提高了網絡吞吐量，又能夠保證節點接入信道的公平性。

參考文獻：

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