Ａｄ ｈｏｃ網絡中基于ＭＡＣ層擁塞控制的速率自適應策略

（1.南京理工大學 計算機科學與技術學院， 南京 210094； 2.江蘇財經職業技術學院 計算機工程系，江蘇 淮安 223003; 3.淮安工商局 信息中心， 江蘇 淮安 223001）

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摘要：

對現有AAR(adaptive auto rate)協議進行改進，將POCC算法應用于AAR協議，提出了AARCC(AARcongestion control)協議，從而在MAC層實現了擁塞控制的速率自適應機制。AARCC協議源節點根據每時鏈路的總擁塞信息確定當時數據發送速率，適用于動態變化的多跳Ad hoc網絡；本協議只對MAC幀稍作修改并增加一個字節的擁塞指示CI，具有可擴展性和低開銷性。AARCC利用背靠背數據傳輸方式，充分發揮高質量通信信道利用率，能有效緩解控塞程度，從而提高網絡的端到端飽和吞吐量。

關鍵詞：擁塞控制； AAR協議； POCC算法； 干擾集； AARCC協議

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03100505

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MAC layer adaptive rate congestion control strategy in Ad hoc network

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JIANG Daoxia1，2， PAN Shouwei3， XU Jia1， LIU Fengyu1

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（1. Institute of Computer Science Technology， Nanjing University of Science Technology， Nanjing 210094，China； 2.Dept.of Computer Engineering， Jiangsu Vocational Technical College of Finance Economics， Huaian Jiangsu223003， China; 3.Information Center， Huaian Administration for Industry Commerce， Huaian Jiangsu 223001， China)

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Abstract:

This paper proposed an AARCC(adaptive auto ratecongestion control)protocol. It improved the AAR protocol with POCC algorithm and realized the adaptive rate congestion control mechanism.It chose the source nodes data sending rate according to the state of link congestion， and that was suitable for dynamic Ad hoc network. The AARCC protocol just added one Byte for CI(congestion indicator) and made the MAC fame only a small change， so it was a scalable lowoverhead algorithm. The AARCC can enhance the utilization of channel quality by backtoback data transmission， and it can effectively alleviate congestion level and improve endtoend network throughput saturation.

Key words：congestion control； AAR protocol； POCC algorithm； interference set； AARCC protocol

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Ad hoc 與傳統的有線網絡相比，具有無中心、臨時自組織、分布式控制、節點移動、多跳和受限的無線傳輸帶寬等特點。如何建立、維護和選擇路由，提高網絡的可靠性和效率，最大限度地利用受限的無線資源是Ad hoc網絡要解決的根本問題。

在MAC層、網絡層、傳輸層及多層協作、跨層聯合或在傳統的分層之間加入新的擁塞控制層等策略，分級控制網絡流量和通信的可靠性，已成為國內外學者研究的熱點。如在MAC層引入支持擁塞控制的協議[1~6]、改進網絡層路由協議增加擁塞控制功能[7~11]，改進傳統的TCP層擁塞控制算法使之適應Ad hoc網絡 [12，13]，研究數據鏈路層、網絡層與傳輸層協作進行擁塞控制[14，15]。

文獻[1]提出的ACCAR協議是在文獻[4]提出的RBAR的基礎上加入擁塞控制策略，RBAR能夠自動適應物理層速率，調整信道上的數據包傳輸速率，實現在高質量信道上提高吞吐量的目的。但RBAR本身存在缺陷，即RBAR不僅要修改MAC層，而且要修改物理層，影響范圍太大。在數據包中，RSH（保留子頭）和DATA部分用不同的數據傳輸速率，需要重新定義物理層頭，在協議棧中影響區域太大。另外ACCAR協議僅依靠目的節點的瞬時隊列占用比R為判斷擁塞的標準，并用物理層的速率來確定連接傳輸數據包的個數，不能靈活適應動態Ad hoc網絡的特點。本文提出了AARCC協議，用迭代算法計算無線鏈路l的擁塞指示，并用當時鏈路干擾集總擁塞指示來計算源節點的數據發送速率，實現了在MAC層進行擁塞控制的適時速率自適應機制。

1IEEE 802.11協議

802.11的DCF(distributed coordination function，分布式協調功能)[16]是基于CSMA/CA機制的協議，協議采用單一共享信道的模式，通過RTSCTSDATAACK的握手機制完成分布式數據業務的接入過程，基本解決了隱藏終端和暴露終端的問題；同時利用載波偵聽、沖突避免等技術防止單一共享信道中數據包的沖突。DCF的核心機制包括四握手機制、載波檢測（CS）機制、幀間間隔（IFS）和隨機退避規程[17]。

圖1所示為IEEE 802.11的MAC幀格式。圖2顯示了節點在RTSCTSDATAACK四握手傳輸過程及其他節點的NAVS設置。處于傳輸范圍內的節點首先根據所解析的RTS分組頭的信息設置NAV，當解析到CTS后，再根據CTS頭中的信息更新NAV。處于載波偵聽帶內的節點由于無法解析RTS或CTS分組，每偵聽到信道上有分組在傳輸，就把自身的NAV設置為一個固定時間長度，即EIFS。

在最初的無線局域網中，所有幀都以單一的速率發送， 而IEEE 802.11a、802.11b和802.11g標準在物理層都提供多速率能力， 如802.11b中允許使用的速率有1、2、 5.5和11 Mbps; 802.11b和802.11g中提供的速率最高可達54 Mbps。為了利用物理層的多速率能力， 研究者在MAC層[1，4~6]提出了多種速率自適應協議。

2AAR（adaptive auto rate）

AAR協議能按信道質量情況自動改變每個數據包的數據傳輸速率，在ACK或CTS中攜帶下一個數據包的傳輸速率指示。AAR協議將IEEE 802.11 MAC幀（圖1）中的duration域改為ratelength（RL）域，用4 bit表示rate（數據傳輸速率），12 bit表示length（數據包長），如圖3所示。這種修改與IEEE 802.11標準的duration域不沖突，duration域的值本是由rate和length計算而來的，所以RL域能為其他傳輸范圍內的節點設置NAV值提供足夠信息。

在AAR協議中，只用RTS/CTS包修改其他傳輸范圍內的節點的NAV值，而不用DATA/ACK包更新NAV值。所有RTS、CTS、ACK包必須用基本速率傳輸，確保它們被最大范圍內的最多主機接收。當發送一個數據包時，其rate子域值是源主機正在使用的速率值，而length子域值是下一個要傳送的數據包的長度。根據收到的RTS包，目的主機可知當前信道情況和下一個數據包可行的最高速率，然后它發送一個ACK，并在其rate域中設置該速率，并復制最近剛收到的RTS包的length子域值到CTS包的length子域中，其他聽到RTS/CTS包的主機將用基本速率和RTS/CTS中的length子域計算新的NAV值，并將其NAV更新為NAVx+NAVj(x為新，j為舊)，保證源主機和目的主機占用信道時間比傳輸下一個DATA的時間更長。

一旦源主機獲得信道使用權，就可以發送多個數據包，且按不同速率發送不同的數據包。AAR協議能用RTS/CTS包來延長占用信道的時間片，信道質量越好，占用信道的時間越長。假如基本數據傳輸速率是2 Mbps，源節點當前選擇11 Mbps速率傳輸數據，則源節點能用RTS將占用信道時間片延長[11/2]倍，從而傳輸更多的數據包，增加系統的吞吐量。如果源節點已發送完數據，而其占用信道的時間片還沒到，則源節點發送一個RL域為0的RTS幀釋放信道。目的節點收到該RTS后應答一個RL=0的CTS幀，傳輸范圍內的其他節點利用該RTS重新設置其NAV值為CTS+2 SIFS，當收到CTS后再將其NAV設置成SIFS，則其他主機可立即競爭到信道。

AAR協議能有效增加高質量信道的吞吐量，但它沒有考慮網絡擁塞問題。在多跳Ad hoc網絡中節點傳輸數據存在流內競爭和流間競爭，相近的鏈路會互相影響， 每個節點的吞吐量不僅與信道容量有關，還與其鄰居節點的傳輸有關， 很容易造成節點擁塞。此時如果單純使用背-靠-背傳輸，為了利用高質量信道盡可能多地連續發送多個數據幀，很可能會加劇節點的擁塞， 造成網絡資源大量浪費。

如果在網絡層采用隊列管理算法，擁塞時丟棄部分接收的分組， 雖然能避免擁塞， 但部分帶寬仍被丟棄的數據包無謂地占用，而且在網絡層丟包不能提高節點出口速率，不利于快速脫離擁塞狀態。可見，網絡層隊列管理策略不能有效地解決擁塞問題，Ad hoc網絡需要尋求更加合理的擁塞控制機制。

3擁塞控制算法

3.1擁塞控制基本問題

設Ad hoc網絡拓撲結構可用無向圖G(N，L)來描述。其中，N={1，2，…，N}是無線節點集合；L={1，2，…，L}是無線鏈路集合；Cl是無線鏈路l∈L的傳輸容量；S={1，2，…，S}是分享整個網絡的端到端多跳數據流，每個數據流s∈S的源節點為s并穿過無線鏈路集L(s)L。數據流s中沿著特定無線鏈路的單跳數據傳輸定義為s的子流。設S(l)={s∈S|l∈L(s)}為穿過鏈路l的數據流/源節點集合，每個源節點s都有一個相應的效用函數Us(xs)滿足以下兩種假設:

a）Us(xs)在xmins≤xs≤xmaxs上是單調遞增且嚴格凹的二階連續可微函數。其中xs是源節點s的傳輸速率，xmins>0和xs<∞分別是s允許的最小和最大傳輸速率。

b）Us(xs)的曲率不為0。在Ad hoc網中，通過無線鏈路l的信息子流面臨兩種競爭:(a)所有從無線鏈路l的源節點出發的子流之間相互競爭無線鏈路l；(b)如果無線鏈路l在某些無線鏈路的干擾范圍內，則在這些鏈路上傳輸的信息子流也會競爭無線鏈路l的資源。無線鏈路l的干擾集ISl是指干擾在無線鏈路l上傳輸的信息子流的無線鏈路集合。在這些相互競爭的信息子流中，某個時刻只能有一個信息子流可以真正占用無線鏈路l。因此，在干擾集的所有無線鏈路上傳輸的信息子流的速率總和不能超過無線鏈路l的信道容量，有如下表達式:

∑k∈ISl∑ s∈S(k)xs≤Cl(1)

結合信息流競爭的新特點，將適用于Internet的效用最大化問題推廣，將Ad hoc網絡中擁塞控制問題表達成非線性優化問題，其目標是最大化所有接收端的總效用，形式如下

P：maxx∑sUs(xs)

s.t.∑k∈ISl∑s∈S(k) xs≤C，l∈L(2)

其中x∈X={xs|xmins≤xs≤xmaxs，s∈S}。

在上述問題中，目標函數是關于源速率xs的連續嚴格凹函數，而且不等式限制是凸和緊致的。所以基于優化理論，該問題存在關于源速率xs的惟一最優解。然而，目標函數不是關于路徑速率xs的連續嚴格凹函數，所以該問題關于路徑速率xs的最優解不一定惟一。

文獻[18]中的POCC算法采用罰函數法和廣義梯度法解決了此問題，并得到了分布式迭代形式。在第n 次迭代時無線鏈路l的鏈路擁塞為

CIl(n)=0∑k∈ISl∑s∈S(k)xs(n)-Cl≤0

1其他(3)

其中：xs(n)為在第n次迭代時xs的值。

路徑速率按式（4）更新：

xs(n+1)=xs(n)+α(n)U′s(xss(n))-σ∑m∈L(s)∑l∈ISm]CIl(n)xmaxsxmins(4)

其中:[z]ba=min{max{z，a}，b};α(n)為第n 次迭代時的步長， a(n)>0，limαx→∞(n)=0，∑∞n=1α(n)=∞=0，仿真時第一次步長取0.2；σ為懲罰標度因子，取值要足夠大，如取0.2。如果懲罰程度不足，可擴大10倍。

根據式（3）計算擁塞指示時，需要事先知道鏈路容量Cl，而事實上這很困難。文獻[18]用鏈路l源端的隊列大小來解決這一問題，用在某一特定時間段內鏈路l源端隊列長度變化總和表示 ∑k∈ISl∑s∈S(k)×xs(n)-Cl，如式(5)所示：

∫Tn+1t=Tn(∑k∈ISl∑s∈S(k)xs(t)-Cl(t))dt=∑k∈ISl(ql(Tn+1)-ql(Tn))+(5)

其中：ql(Tn)是鏈路l發送端在Tn時刻的瞬間隊列長度，這個時間也是鏈路l第n次迭代的時間。因此，擁塞指示CIl(n)用鏈路l發送端的隊列長度表示為

CIl(n)=0ql(Tn)≤ηbufferl1其他(6)

其中：bufferl是鏈路l發送端的隊列緩沖區閾值，η在仿真過程中取0.2。當隊列平均長度超過閾值時，CIl(n)立即被置為1，可確保平均隊列長度不明顯超過ηbufferl。為克服隊列中臨時突發數據包，用平均隊列長度代替瞬間隊列長度，式（6）改為

CIl(n)=0qavel(Tn)≤ηbufferl;1其他(7)

其中qavel(Tn+1)=wqavel(Tn)+(1-w)ql(Tn+1)。干擾集ISm中所有鏈路的總擁塞指示為∑l∈ISmCIl。

在仿真過程中w取0.35。由上述討論可知，在每個數據流中沒有需要存儲和保留的信息。

3.2算法描述

用分布式算法，在第n次迭代過程中：

1)無線鏈路m的算法描述

a)接收無線鏈路l(l∈ISm)的隊列長度信息，并計算∑k∈ISl(ql(Tn+1)-ql(Tn))+；

b)按式（7）計算鏈路的擁塞指示CIm；

d)將CIm通告給鏈路m的干擾集ISm；

d)將∑l∈ISmCIl通告給此時的數據流fs。

2)源端s的算法描述

a)計算路徑上所有無線鏈路的總擁塞指示信息∑m∈L(s)[∑l∈ISmCIl(n)]；

b)基于式（4）選擇新的路徑速率xs(n+1)；

c)以新的速率xs（n+1) 傳輸信息（DATA）到其路徑上。

針對Ad hoc網絡的擁塞問題， 基于背-靠-背連續傳輸方式， 筆者提出了一種將POCC算法應用于AAR協議的AARCC協議，實現了在MAC層支持擁塞控制的速率自適應機制。

4AARCC：在MAC層支持擁塞控制的速率自適應策略

4.1AARCC策略的幀格式

在AAR協議的MAC幀中增加1Byte的擁塞指示域CI。在數據傳輸過程中， 目的節點需要將鏈路的擁塞信息反饋給源節點，而目的節點可以發送CTS和ACK控制幀。所以對AAR協議的CTS或ACK幀格式稍作修改，如圖4所示。

其中4 bit的rate字段表示當前選擇的DATA幀傳輸速率， 速率選擇基于式(4)；length字段表示下一個要發送的數據分組的大小。CI字段表示擁塞指示信息；其值為∑CIl;l∈ISm。frame control域中有更多分段標志，以便發送多個背—靠—背數據包，直到發送完NT=（當前使用的傳輸速率/基本傳輸速率）個數據包為止。

從源節點到目的節點的路徑可能包含多條鏈路，路徑上的所有節點都要根據隊列長度計算擁塞信息，然后通知其干擾集內所有鏈路，源節點收到該擁塞信息時，計算干擾集中總擁塞指示信息，并計算發送速率，以此一跳一跳地進行擁塞控制。

4.2AARCC的工作原理

Ad hoc網絡中，源節點首先向下一跳節點發送RTS連接請求，下一跳節點根據自己的隊列長度計算擁塞指示，放入CTS幀的擁塞指示域后發送給源節點。源節點接收到含有CI的CTS后，計算總擁塞指示信息，首次計算數據發送速率xs(l)，將xs(l)放入DATA幀，并按xs(l)速率傳輸數據幀。

AARCC協議中，在T時刻連續傳輸的背-靠-背數據幀數量為NT=（當前使用的傳輸速率/基本傳輸速率），并在此基礎上定義節點的發送窗口WT為節點一次可以連續發送的DATA幀的數量。每個節點都有自己的發送窗口， 在每次發送數據分組前發送節點根據CTS或ACK的擁塞反饋信息計算出當前使用的傳輸速率，從而計算出當前發送窗口的值。每發送完一個DATA幀，WT減1，直到WT=0時，節點一次連續發送過程結束。節點在搶占到信道后，通過RTS/CTS幀交互可以計算發送窗口WT，若WT>1，節點設置DATA幀的MAC幀頭中的frame control字段的more fragment標志，直到WT=1。目的節點每收到一個DATA幀，都向源節點發送一個確認ACK，源節點讀取其中的CI字段計算下一個DATA幀的傳輸速率xs(n+1)，這樣保證每個DATA幀以最適合當時信道擁塞情況的數據傳輸速率發送數據。

若數據傳輸過程中，發現預先設定的占用信道時間不足，可用RTS/CTS延長信道占用時間；如果源節點已發送完數據，而其占用信道的時間片還沒到，則源節點發送一個RL域為0的RTS幀釋放信道。目的節點收到該RTS后應答一個RL=0的CTS幀，干擾集中的其他節點利用該RTS重新設置其NAV值為CTS+2SIFS，當收到CTS后再將其NAV設置成SIFS，這樣其他主機可立即競爭到信道。方法與AAR相同。所有RTS、CTS、ACK幀以基本速率傳輸，以確保最大范圍內的主機節點能收到并正確更新其NAV 。

5性能分析

在AARCC協議中，攜帶擁塞指示和速率信息不需要另外增加控制幀，擁塞指示信息在ACK和CTS幀中用1 Byte的域表示，而傳輸速率信息則放在DATA包中，保證目的節點收到數據包時，知道數據包的發送速率，從而保證了算法的低開銷性。所有RTS、CTS、ACK幀中的rate子域都固定設為基本傳輸速率。

在AARCC協議中，還可以用RTS/CTS數據包來擴展占用信道的時間片，信道質量越好，占用信道的時間越長。假如基本數據傳輸速率是2 Mbps，源節點當前選擇11 Mbps速率傳輸數據，則源節點能用RTS將占用信道時間片擴大[11/2]倍，從而傳輸更多的數據包，增加系統的吞吐量。

當源節點占用信道時間片未到，但已沒有數據發送，源節點將發送一個RL域為0的RTS幀釋放信道。目的節點收到該RTS后應答一個RL域為0的CTS幀，干擾集中的其他節點利用該RTS和CTS后先后兩次設置其NAV值，保證其他節點能立即占用信道。

在AARCC協議中，其他沒有占用信道的節點，不斷用RTS和CTS包來探測當前信道情況，而不是一直處于退避狀態，一旦獲得信道，即用4.2節中介紹的方法發送數據。

AARCC協議根據信道擁塞情況確定源端發送速率，并用迭代法一次次確定最優速率，適用于不斷變化的動態Ad hoc。在Ad hoc網絡中，傳輸誤碼、競爭碰撞、節點移動都會導致丟包與網絡擁塞無關的數據包丟失，TCP采用的基于數據包丟失的擁塞指示會不必要地啟動擁塞控制機制，導致網絡傳輸性能嚴重下降。AARCC的源端算法能克服這種缺陷，從式（4）可以看出，AARCC的源端算法用總擁塞指示信息計算數據發送速率，沒有針對丟包與否調整發送速率，因此傳輸誤碼、競爭碰撞、節點移動導致的丟包不會直接影響源端發送速率的變化。

6仿真分析

實驗使用康奈爾大學開發的JiST/SWANS作為仿真平臺。JiST[20]是一個高效率的離散事件仿真引擎，SWANS[20]則是一個基于JiST平臺的可擴展無線網絡仿真器。相比于NS2 和GloMoSim，JiST/SWANS能仿真更大規模的網絡，同時在仿真的耗費時間和內存上也優于前兩者，具有較好的可擴展性。

本文在JiST/SWANS平臺上實現了AARCC算法，以驗證模型的正確性。仿真中設置場景大小為2 000 m×2 000 m，節點傳輸半徑為625 m，TCP層協議采用AODV。平均每個節點每6 s發送一個數據包，數據包大小默認為1 024 Byte。仿真時間為3 600 s。仿真場景如圖5所示。

通過不斷改變發送速率以模擬不同的負載情況，圖6顯示了IEEE 802.11b和AARCC協議的端到端吞吐量比較曲線。可以看出，在網絡達到飽和時，AARCC協議能使系統的飽和吞吐量維持較高的穩定值，起到了擁塞控制作用。而IEEE 802.11b由于沒有擁塞控制功能，在節點擁塞時競爭惡化，使吞吐量嚴重下降。

圖7顯示了flow1、flow2、flow3三個數據流在AAR和AARCC中的總吞吐量。AAR協議中的節點一旦搶占到信道，即可利用高質量信道連續傳送多個數據包，造成個別數據流“餓死”，如flow2。而AARCC協議中三個數據流的總吞吐量高于AAR，且流間的公平性明顯改進。

7結束語

本文在對無線鏈路MAC層協議IEEE 802.11的DCF、自適應速度控制AAR協議和POCC擁塞控制算法進行介紹和分析的基礎上，對現有的AAR協議的MAC幀進行改進，將POCC算法應用于AAR協議，提出了AARCC協議，從而在MAC層實現了擁塞控制的速率自適應機制。對AAR幀頭的RL域中的R子域重新定義為按式（4）計算出的考慮到鏈路擁塞的速率，并在CTS和ACK包中增加1 Byte的擁塞指示CI域。AARCC協議應用于Ad hoc網絡，能夠很好地利用信道質量，而背-靠-背數據傳輸使得信道質量的利用率更高。源節點根據鏈路擁塞情況確定數據發送速率，而鏈路擁塞信息則是根據當時鏈路上節點的隊列情況用迭代法計算得到，將總擁塞信息用于數據發送速率的計算，適用于動態變化的Ad hoc網絡。本協議只對MAC幀稍作修改并增加一個字節的擁塞指示CI，具有可擴展性和低開銷性，并能有效緩解擁塞程度提高網絡的端到端飽和吞吐量。

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