基于智能天線并具有ＱｏＳ保障的Ａｄ ｈｏｃ網絡ＭＡＣ協議

摘 要：基于智能天線技術的發展，提出一種基于智能天線并具有QoS保障的MAC協議。該協議首先把信道劃分為數據信道與控制信道，節點通過業務的優先級與時延來發送預報突發競爭信以保證QoS質量，隨后按照RTS/CTS握手機制預約節點進行數據傳輸，又采用發送Busy Tones來防止聾節點和隱藏終端的問題，大大提高了網絡容量與性能。通過分析與仿真，并且與IEEE 802.11協議以及DMAC協議比較，證明QTDMAC協議在吞吐量以及實時業務時延上都有很大的優越性。

關鍵詞：自組織；智能天線；MAC協議；服務質量

中圖分類號：TN915.04文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)06-2208-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.06.063

MAC protocol based on smart antenna for

QoS-guarenteed services in Ad hoc networks

ZHANG Ying-chao，GUAN Li-li，YE Xiao-ling

（College of Information Control， Nanjing Information Science Technology University， Nanjing 210044， China）

Abstract:Based on the development of smart antenna technology，this paper proposed the MAC protocol with QoS security. The protocol divided the channel into the data channel and the control channel， of which node sent forecast guarantee to compete the channel to protect the QoS through the priorities and time delay of the business. And then according to the RTS/CTS handshake appointment，reserved node for data transmission.Used node could send Busy Tones to prevent the problem of the deafness nodes and hidden terminal nodes， which greatly increased the network capacity and performance.Compared the protocol IEEE 802.1 with DMAC through analysis and simulation， the QTDMAC protocol is proved the superiority in throughput and the real-time delay business.

Key words:Ad hoc;smart antenna;MAC protocol;QoS

近年來在無線Ad hoc網絡中，傳輸多媒體業務已經成為應用與研究的熱點。為了在分布式Ad hoc網絡中支持多媒體業務，MAC協議的服務質量（quality of service，QoS）保證就變得至關重要。但是由于無線Ad hoc網絡自身所具有無中心、自組織、快速展開和移動等特點，使得在移動Ad hoc網絡中實現QoS具有很大的挑戰。

提高無線網絡的服務質量，最直接的方法就是提高信道速率。但是由于Ad hoc網絡節點的移動性、時變衰落信道等諸多因素的影響，提高信道速率往往是比較困難的。由于智能天線技術的迅速發展以及在蜂窩系統中的使用，發現在網絡移動終端中使用智能天線技術能夠大幅度地提高網絡容量、降低干擾、提高通信質量。正是由于它潛在的優越性，智能天線期望能成為下一代無線Ad hoc網絡的一個重要部分，以面對和支持迅速崛起的多媒體應用的特點及其多樣化的服務質素的要求。

但是由于無線局域網IEEE 801.11系列的媒介接入協議沒有考慮天線的方向性，智能天線的方向性在提高信道利用率的同時，也引入了一些新的問題（如聾節點問題與隱藏終端）嚴重影響了網絡性能，不能很好地保障多媒體業務的服務質量。本文根據這些首先提出了提供QoS保障基于智能天線的多址接入協議（QoS supported and termed the busy-tone based directional medium acsess control protocol， QTDMAC）。它能很好地解決隱藏終端和聾節點問題，使網絡性能大幅度提高。其次在保障多媒體業務的QoS上提出把業務分為時延敏感的實時業務和無時延敏感的非實時業務，綜合了區分優先級的競爭和沖突解決機制，最大程度上保障多媒體業務。最后對QTDMAC協議進行了近似的分析與仿真。

1 相關文獻

文獻[1]中提出的D-MAC協議是最早將方向天線應用于Ad hoc網絡的一個協議。該協議是802.11協議在定向通信模式下的擴展，但是D-MAC協議并沒有充分利用智能天線能夠在干擾方向形成零陷，以及具有估計發射機波達角DOA的能力。為了克服在D-MAC中的缺陷，文獻[2]提出了一個輪詢RTS的協議——Circular RTS MAC（CRM），目的節點定向地返回一個CTS給源節點。然而CRM只是預先估計了鄰居節點的位置，防止聾節點。假如目的節點因為碰撞問題沒有及時返回一個CTS，鄰居節點因為收到RTS設定了DNAV認為信道忙，而不能進行其他信息的傳輸。文獻[3]中把DBMTA協議擴展到定向天線上。但是這兩個協議最終既沒解決隱藏終端問題，也沒解決聾節點問題。

在QoS保障方面先后提出了DPRMA協議。這個協議主要是將PRMA協議推廣到Ad hoc網絡中，主要支持話音業務，無須中心控制，實現簡單的話音業務預約機制。隨后的ADAPT協議將沖突避免的握手機制與同步傳輸相結合，該協議在低負載時接近于競爭協議的性能，而在高負載時接近于分配協議的性能，可以提供有界延時，能夠適應動態的網絡拓撲結構。在智能天線與QoS結合方面，在文獻[4]中提出了QASAMA協議智能天線，根據訓練序列計算出節點的空間特征，動態為上下行業務分配時隙，使每個時隙盡可能多容納數據分組，達到保障QoS的目的。但是除此以外就沒有文獻詳細討論使用智能天線如何進一步保障多媒體業務的QoS。基于以上目的，本文提出了一種利用智能天線解決聾節點和隱藏終端問題，提高了網絡容量和性能，并根據相應的算法動態分配實時業務和非實時業務，以達到多媒體服務質量的保證。

2 QTDMAC協議簡介

2.1 系統模型

本文首先把信道劃分為兩個子信道，即數據信道和窄帶控制信道， FB、RTS/CTS、DATA、ACK等都在數據信道上傳輸，Busy Tones（實質是頻譜分離的正弦波）就在控制信道上傳輸。本文假設所有空閑的接收機都可以接收到來自控制信道或數據信道的信號。

其次網絡中的節點配備了兩種工作方式：每個節點不但配備波束切換天線，而且也能使用普通的全向天線。波束切換天線具有兩種獨立的工作模式，即全向模式和定向模式。各節點具有相同的載波頻率，節點之間以時分雙工（TDD）方式進行通信。當節點空閑時，因為不知道信號傳輸的方向會采取全向偵聽的模式，在全向模式節點能夠以增益G0從各個方向接收信號。當一個信號被感知，節點會記錄信號最大增益的方向，然后轉成定向模式開始接收。在定向模式節點能夠把所有的能量指向特定的方向，這時的增益是GD（GD>G0），定向模式會被用于傳播與接收RTS、CTS、DATA和ACK。定向模式的傳播范圍比全向模式時來得更大，因為傳播范圍是根據天線的增益大小來進行確定的。節點之間有三種傳播范圍:ROO、ROD， RDD(RDD>ROD>ROO)。目的節點在空閑時因為不知道源節點的方位，要采取全向工作的模式來接收RTS，所以最有效的通信距離就是ROD。

在協議中Busy Tones是用來指明通信中的節點，因為其中不含有信息，所以節點配備的全向天線正是用來發送Busy Tones。為了覆蓋更多的傳播范圍，天線的能量也會隨之增大。全向天線僅僅用來發送Busy Tones，在無線網絡中能以較低的消耗進行配置與使用。

2.2 鄰居節點的發現

在設計QTDMAC協議中一個重要的方面就是如何利用天線波束精確確定鄰居節點的方位。在QTDMAC中本文使用了一個有效方法來建立和維持一個定向鄰居節點方位表（directional neighbor location table，DNLT）。這個表建立在路由發現階段，路由控制數據包如RREQ和RREP都幫助了鄰居節點的找尋，每個節點在空閑狀態下采取全向偵聽模式。如果偵聽到任何數據包的信息，無論這個信息是否給予偵聽的節點，都記錄下信息的方向以及波束的方向，記錄入DNLT表中作為辨認鄰居節點的依據。



DNAV是IEEE 802.11中NAV概念的簡單擴展，用來解決在定向環境中隱藏終端的問題。它能夠排除潛在的碰撞方向并設定通信周期，但是不能很好地解決聾節點問題。本文在DNLT表中引入了EDNAV（enhanced DNAV）機制。它包括兩個部分，即DNAV和一個DT表（deafness table）。這個表被用來解決聾節點問題。當節點在一個方向上發送一個數據包，DNAV和DT會被相應地修改，但是接收到數據包的節點只會修改其中的一個。在源節點與目的節點之間的節點，它的DNAV會被更正。一旦RTS/CTS握手機制完成，DT就會被修改，在這樣的情況下，節點能夠確定在接下來的信號傳輸中不在傳輸的信道上。EDNAV是用來區分聾節點和碰撞的階段，這個是僅僅運用DNAV所不能達到的效果，如圖1所示。2.3 QTDMAC協議

在QTDMAC協議中，不但采用了智能天線，而且要對多媒體業務的QoS保障，所以本文為了良好的網絡通信能力提出了兩種機制：（a）在智能天線上采用發射Busy Tones來實現信道的空分復用，并且顯著減少聾節點及隱藏終端的問題；(b)在競爭信道之時采用歐洲定制的HIPERLAN協議中的發送預報突發，并采用文獻[5]中的方法來實行對實時業務和非實時業務的區分接入，從而保障QoS的質量。

Busy Tones分為兩種，即源節點的Busy Tones（transmitting busy tones）BTs和目的節點的Busy Tones（receiving busy tones）BTd。在通信過程中通過對BT的開啟與關閉，通知鄰居節點正在通信的節點來防止信息的可能碰撞。為了區分Tone信號，每個BT都包含三個部分：協議中定義了一組Tone信號和不同發送時間的長度，以及天線的波束方向。對于一個節點i，首先從K個Tone的集合中選擇一個τi，從[1，T]中選擇一個整數時間ti，并記錄下節點發射信號天線的波束，使[τi，ti，beam number]作為標志來標志一個節點。節點可以使用如下函數來得到自己的Tone的頻率和發送時間長度：

τi=（i mod K）+1，ti=（imod T）+1

節點之間可以選擇自己的Tone來發送，可以適當地增加功率來擴大覆蓋的范圍。任何節點只要接收到Busy Tones，就可以一定精度推測出節點的標志，并知道波束形成的方向，關閉這個方向上的通信，以避免可能影響這次通信的數據碰撞。本文運用脈沖調制把編碼的信息加入正弦波，以達到使Busy Tones開和關的目的。

在多媒體方面，現有的網絡主要把業務分為時延敏感的實時業務和無時延敏感的非實時業務。通過區分接入達到QoS的保證。本協議設計了一種獨特的幀結構，以實現分布式動態接入優先級分配/更新策略。幀結構如圖2所示。

本文先把每一幀劃分為O個時隙，然后把每個時隙再劃分為L個微時隙，當偵聽信道空閑為一個窗口時間twin時，SYNC用來實現同步，最后根據業務的優先級不同，傳輸若干個預報突發（FB）微時隙，把L個微時隙分為前m個給實時業務選擇發送FB的起始微時隙，后n個給非實時業務選擇FB的起始微時隙。如果接入節點在偵聽到第r個時隙前均空閑，就從第r個時隙開始發送TFB，長度為K（K的大小和優先級與時延成正比）個，節點根據要發送業務的優先級來確定r。r服從參數t的幾何分布，t的大小和業務的優先級也與時延有關。

節點發送實時業務（式（1））和非實時業務（式（2））的概率為

p(r)=(1-t)tr-1 1≤r≤m

tr-1r=m(1)

p(r)=(1-t)tr-m-1 m+1≤r＜n+m

tn-1r=n+m(2)

在傳輸完TFB之后，再經過最大信號傳播時延，收發轉換時間和目的節點監測時間之和Tobs。如果信道仍然忙，說明有更高優先級業務在傳輸，此次業務傳輸進行退讓；如果信道空閑，就可以獲得信道進行下面的數據傳輸。通過保證較早開始發送比較長TFB來提高具有較高優先級和最早失效分組的節點獲得接入權來達到QoS保證的目的。在業務量增大時，通過增大n和m就能獲得滿意的接入率。隨后通過發送RTS/CTS握手信息達到與節點的預約成功，正式開始傳輸數據。

假設在QTDMAC協議中每個節點有四個狀態，即空閑狀態（IDLE）、CTS等待狀態（WCTS）、發送數據狀態（SDATA）和等待數據狀態（WDATA）。協議流程如圖3所示，有A、B、C、D、E、F六個節點，每個節點天線有四個波束方向。當節點A、B、C同時有業務需要傳輸時，首先通過預報突發微時隙的競爭，假設節點A的實時業務因為最高的優先級以及最早的失效分組能最早的競爭到信道，節點B和C都進行退避。

信道預約成功之后，此時節點A數據如果需要發送給節點D，首先查詢DNLT表找到目的節點并檢測EDNAV來檢測天線波束的可行性。因為信道空閑節點A首先使用2號天線波束發送一個RTS給節點D，節點A隨后進入WCTS階段，節點D在空閑狀態下接收到RTS之后就把波束集中指向節點A的方向，并用3號天線波束回復一個CTS幀，并進入WDATA階段，這時節點D會打開BTd（τb，tb，3），節點A在WCTS階段收到CTS幀之后立即打開BTs（τa，ta，2），并進入發送數據狀態SDATA。握手機制完成之后，信道預約成功，就可以在數據信道傳輸數據。節點D在接收到數據后返回一個ACK幀，此時節點A便會關閉BTs重新進入空閑狀態，節點D在接收到數據之后也會關閉BTd重新進入空閑狀態，如果在傳播途中出現數據碰撞而導致CTS或者ACK幀不能在最大的時間范圍內發送到源節點，發送節點就會自動關閉BTs進入空閑狀態等待下一次數據傳輸。接收節點也是同樣的情況。假如節點E在A與D通信過程中想與A通信，以為在Tones信號的覆蓋范圍，通過檢測接收到的Busy Tones信息能確定A與D在通信，并且知道節點D在使用3號波束收發信息，節點E就會關閉在這個方向上的數據傳輸，以免造成數據碰撞。

QTDMAC協議完全解決了聾節點以及隱藏終端的問題。本文還是以圖3為例首先是聾節點問題：節點F不在B與C的同一個波束范圍內，當節點B與C在通信過程中，節點F是無法通過物理載波偵聽機制得到信道的狀態，如果節點F向B發送數據 ，節點B將無法接收到節點F的數據，從而導致節點的數據丟失，F可能因此多次嘗試發送數據，所以F就是B的聾節點。采用Busy Tones后節點F能知道B與C正在通信，而停止想B發送數據，解決了聾節點問題。其次是隱藏終端問題：節點D與B互為隱藏終端，當節點A與B在通信過程中，通過發送Busy Tones節點D就能阻止這個方面上的通信，解決了因為不能接收到RTS/CTS分組而引起的隱藏終端問題。但是節點D與E可以正常通信，真正實現了空分復用，大大提高了網絡信能和信道速率。

3 QTDMA協議的性能仿真

本文對QTDMAC協議的性能進行仿真，并與IEEE 802.11協議和單純的DMAC協議在QoS的吞吐量、QoS的時延以及QoS的實時業務和非實時業務的性能方面作了比較。此Opent仿真模型建立在100 m×100 m，在其中放置了100個節點，信道內節點移動的速率為2 Mbps，發送數據包大致在1 500 bit左右，通信請求的到達按照泊松分布。 

仿真結果如圖4~7所示。

通過仿真可以看出，當結合智能天線和預報突發之后，不但減少了Ad hoc網絡中的數據碰撞，并且使實時業務具有更高的優先級。在圖4和5上能清晰地看到，即使許多節點在同一網絡的情況下，仍然有較高的吞吐量和時延。從圖6和7中比較實時和非實時業務的發送成功率，發現即使在多個節點的情況下均能基本達到百分之百的成功率，大大優于IEEE 802.11和DMAC協議。

4 結束語

本文提出了一種基于智能天線并具有QoS保障的MAC協議，與傳統的協議相比不但加入了智能天線提高空分復用的

能力，而且結合預報突發和Busy Tones，保證了實時業務與非實時業務的發送成功率，對端到端延時和分組交付成功率比較敏感的QoS系統網絡層提供了良好的支持，對今后的研究具有一定的參考價值。

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