一種基于Ad Hoc網絡的協作MAC方案

盧詩堯，曾桂根

(南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003)

隨著無線通信技術的飛速發展，Ad Hoc網絡［1-2］的應用越來越廣泛，它具有多跳、無中心、自組織等特點。MAC協議作為通信網絡的重要組成部分，決定了網絡中節點接入共享無線信道的方式以及有限頻譜資源的分配，MAC協議性能的好壞直接影響通信網絡的整體性能。由于無線信道衰落、多用戶信道競爭接入等問題，使得傳統Ad Hoc網絡只能適用于負載較輕、距離較短、信道條件較好的環境，一旦上述情況惡化，性能就會大大降低，從而限制該類MAC協議的應用。

協作通信技術起源于20世紀70年代Gamal A E和Cover T關于中繼信道的信息論特性的研究工作［3］，它通過網絡中其他節點的中繼傳輸，在擴大覆蓋范圍、消除盲區和弱區、提高系統容量以及靈活部署等方面獲得顯著優勢。文獻［4］提出了一種支持多速率協作傳輸的 MAC協議CoopMAC，它通過預先選定的高速率節點中繼傳輸，能有效提高系統通信容量，降低網絡延時。但由于不是基于瞬時信道信息，因而不能適應信道和網絡拓撲的不斷變化。文獻［5］中繼利用MAC層的RTS/CTS獲得源與中繼以及中繼與目的之間的信道信息，并根據不同準則(最小準則或調和平均準則)將這兩個信道的信息進行綜合，獲得一個信道量度值，但沒有對這兩種準則的最優性給出理論分析，且所提準則也并非最佳協作中繼的選擇準則。文獻［6］提出了一種基于瞬時信道信息的最佳中繼選擇策略，它引入的固定退避時隙和改進的隨機退避時隙解決了中繼碰撞問題，相比傳統CoopMAC對網絡吞吐量和服務延遲性能都有顯著的提升。但是它忽略了節點的能量因素，而在某些現實環境下移動設備通常是能量有限的。

本文在CoopMAC協議的基礎上，提出了一種基于瞬時信道信息和節點剩余能量的無線MAC協作方案。首先各鄰居節點根據RTS/CTS獲得通信雙方信道信息，然后通過對信道條件和自身剩余能量的綜合分析，考慮是否參與中繼競爭;目的節點決定傳輸方式以及中繼節點的選擇;最后源節點根據目的節點反饋的信息來傳輸數據。

1 CR-MAC協作通信方案

1．1 網絡拓撲結構模型

本文所討論網絡拓撲模型如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構

CR-MAC無需維護中繼節點表，中繼的選擇由各鄰居節點根據信道狀態信息和自身剩余能量來競爭決定。IEEE802.11b協議采用了動態速率漂移技術［7］，可以根據環境噪聲變化對傳輸速率進行自動調整，數據幀傳輸距離和傳輸路徑之間關系如表1所示。

表1 數據幀傳輸距離和傳輸速率對照表

1．2 CR-MAC中繼選擇算法及幀結構

本文在IEEE802.11b的基礎上引入了3種新的控制幀，即 C-CTS(Coop-Clear To Send)，HTS(Help To Send)，CTC(Compete To Send)。C-CTS為協作允許發送幀，HTS為協作請求幀，CTC為協作確認幀，幀格式如圖2所示，它們的持續時間分別表示為 TC-CTS，THTS，TCTC。其他控制幀 ACK，PLCP(物理層匯聚協議頭)，SIFS(最短幀間隔)的持續時間分別表示為TACK，TPLCP，TSIFS;源節點到目的節點、源節點到中繼節點和中繼節點到目的節點的傳輸速率分別表示為Rsd，Rsh，Rhd;數據幀采用直傳方式和協作中繼方式時間分別表示為Tdirect和Tcoop，數據幀長度表示為L。

圖2 C-CTS，HTS，CTC 幀結構圖

具體協作策略如下:

1)源節點向目的節點發送RTS幀，Duration字段設置DurationRTS=TSIFS+TC-CTS，所有能接收到該RTS幀的節點(除目的節點外)根據接收信號強度，估計與源節點間的距離，查表1得到Rsh，并且設置自己的網絡分配矢量NAV為DurationRTS。同時源節點設置超時定時器，如果定時器結束時還未收到目的節點的確認幀C-CTS，那么將進行隨機退避，然后重傳RTS。

2)目的節點收到RTS幀，根據接收信號強度計算得到Rsd，然后回傳確認幀C-CTS，C-CTS幀格式如圖2a所示，它包含了Rsd信息。所有潛在中繼節點既能接收到RTS幀和C-CTS幀，它們通過C-CTS幀的信息獲得Rsd和Rhd。

3)各潛在中繼節點根據Rsd，Rsh，Rhd和自身剩余能量信息來決定是否參與協作以及計算退避時間。

(1)若Rsd=11 Mbit/s或5 Mbit/s，說明源節點和目的節點信道狀態良好，不需要協作中繼，源節點采用直傳方式即可。直傳時間如下

(2)若 Rsd=2 Mbit/s，則只有滿足條件 min(Rsh，Rhd)≥5.5 Mbit/s的節點才能參與中繼節點的競爭。退避時間計算分3種情況

式中:α為信道狀態權值系數;(1-α)為節點剩余能量權值系數;En為節點當前剩余能量值;Eno為節點初始能量值;X表示不大于X的最大整數;k值是一個時間常數，而Tmax與k的取值有關。α值由網絡實際情況決定。由上述公式可以看出，當節點剩余能量高于門限值時(此處為初始能量值的30%)，中繼節點的選擇可以忽略能量因素，而只考慮瞬時信道狀態。相反，當節點剩余能量低于門限值，假設k值等于40，可以看到，(Rsh，Rhd)=(11，11)的節點極有可能比(Rsh，Rhd)=(11，5.5)的節點退避時間還長，即高速節點退化為低速節點，避免了信道條件優良的節點因頻繁參與協作而能量快速耗盡，從而改善系統能耗均衡性。

如果節點滿足式(7)，則向目的節點發送HTS幀，幀結構如圖2b所示，Duration字段設置為DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不滿足式(7)，設置自己的NAV為3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不參與協作。

(3)若 Rsd=1 Mbit/s，則只有滿足 min(Rsh，Rhd)≥2 Mbit/s的節點才能參與中繼節點的競爭。退避時間計算分以下5種情況

其中，Tn的計算與式(3)一致。如果節點滿足式(7)，則向目的節點發送HTS幀，Duration字段設置為DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不滿足式(7)，則設置自己的NAV為3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不參與協作。

(4)若多個節點同時滿足式(7)，則退避時間最短的節點優先發送HTS幀，其他節點在自身退避時間內如果偵聽到HTS，則放棄競爭，并根據該HTS幀里的Duration字段更新自己的NAV。具體傳輸流程如圖3所示。

圖3 沒有節點沖突時的傳輸策略

圖4 有節點沖突時的傳輸策略

但也可能出現互為隱終端的幾個節點同時向目的節點發送HTS，從而發生碰撞，這時各節點將隨機退避然后重新參與競爭。這里，如果某個節點兩次競爭失敗，則退出競爭，以減小其余節點的碰撞概率。

4)如果目的節點能夠準確接收HTS信號，將發送CTC幀(結構如圖2c所示)通知所有中繼節點，CTC的Duration字段設置為DurationCTC=3TSIFS+2TPLCP+8L/Rsh+8L/Rhd+TACK。中繼節點根據CTC里的Helper ID來判斷自己是否競選成功，被選中的節點等待接收數據，未被選中的節點將自己的NAV更新為DurationCTC并退避。如果目的節點沒能接收到HTS，說明沒有節點參與競爭，或者有節點參與競爭，但是HTS幀丟失，后者很大原因是節點到目的節點鏈路質量比較差，因此該節點并不是理想的中繼選擇。無論是哪一種，最終目的節點都將等待源節點直傳數據包。有節點沖突時的傳輸策略如圖4所示。

源節點在接收到C-CTS之后開始偵聽信道，若能收到CTC，則以Rsh的速率向最佳中繼發送數據包，然后最佳中繼以Rhd的速率向目的節點轉發數據包。若源節點偵聽到信道連續空閑時間超過2TSIFS+Tmax，說明沒有節點競選成功，以直傳方式向目的節點發送數據包。

5)目的節點接收到數據幀之后如果校驗正確，則回送ACK。源節點發送完數據幀之后，將啟動一個定時器，如果定時器結束時還未收到ACK確認幀，分以下兩種情況處理:

(1)直傳方式下。說明直傳鏈路質量差，短時間內可能不會變好，考慮采用協作方式重傳。如找不到合適中繼，則以直傳方式重傳，重傳次數超過特定值則丟棄該幀。

(2)協作中繼方式下。則首先源節點向選中的中繼節點發送一個詢問幀FLAG幀，來詢問中繼節點是否有收到ACK，這個幀只需對選中的中繼節點作回應，其他節點退避，以防止信道沖突。如果中繼節點有收到ACK，則向源節點發送相同的ACK，并且以后每次收到目的節點回的ACK后都需要再向源節點發送一個相同的ACK;如果沒有收到ACK，說明原來選定的中繼節點不再適合協作中繼傳輸，考慮尋找其他中繼節點進行重傳或直接采用直傳方式重傳。

以上兩種情況都需要再次進行中繼選擇，這里的中繼選擇可以和一開始節點間建立連接的中繼選擇策略不同，這里重點考慮重傳成功率。具體的重傳策略不是本文的研究重點。

2 仿真結果與分析

2．1 仿真參數分析與設置

本文網絡拓撲結構如圖1所示，所有節點隨機分布在以目的節點為圓心，半徑為100 m的圓內。網絡內數據包投放速率為500 packet/s，每個數據包傳輸速率與傳輸距離有關，到達節點的時間t服從泊松分布，即

式中:n為發送節點數。這里，假設網絡滿負載運行，并且數據傳輸在各個節點間平等分布。

本文采用對數-距離損耗模型來模擬無線信道，即

式中:n為路徑損耗指數，本文取值3;L(d0)為距離天線1 m處的路徑損耗，典型值為30 dB。

假設節點發送功率恒定為Pt，則接收功率

接收端誤碼率與接收信噪比密切相關，當接收端只有一路信號時，此時沒有碰撞，則接收信噪比定義為

當有n路信號同時到達接收端時，則會在接收端發生碰撞。對于每路信號來說，其能否被正確接收取決于自身SINR(信號與干擾加噪聲比)。第j路信號信干噪比定義為:

當滿足SINRj＞SNRthreshold時，則能正確解碼。

參照文獻［8］，本文仿真要求接收端誤比特率達到10-5，各種調制方式及其SNRthreshold值關系如表2所示。

表2 調制方式與信噪比對照表

仿真在MATLAB上完成，數據參數如表3所示。

表3 仿真參數

2．2 性能評價指標

2.2.1 飽和吞吐量［9］

網絡吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，節點能夠接收的最大速率。在仿真中，系統的吞吐量等于單位時間內傳輸成功的有效數據單元

式中:Lt為時隙長度;L為數據包長度;Ptr為任一隨機時隙內有節點發送數據包的概率;Ps為數據包正確發送的概率;Ts為一個數據包正確傳輸的平均時間;Tc為數據包碰撞消耗的平均時間，Ts和Tc的計算都需要同時考慮協作和非協作兩種情況。

仿真時，網絡滿負載運行，即任意時刻至少有一個節點有數據包等待發送，這里不考慮RTS/CTS幀的碰撞問題。

2.2.2 網絡生存時間［10］

根據不同的網絡場景，可以有不同的網絡生存時間度量標準。為方便描述，本文采用一種最為常用的度量方法，即以首個節點耗盡能量的時刻計算網絡生存時間。由于本文主要對比RCHC-MAC和CR-MAC算法的網絡生存時間，因此在這里不考慮直傳的情況，只考慮中繼節點在協作傳輸時的生存時間。以下仿真取k=40，α=0.5，則一個(11，11)的節點在剩余能量處于20% ～30%時直接退化為一個(11，5.5)的節點，其余情況同理。

2．3 仿真結果分析

圖5給出了數據包長度為1 024 byte情況下，飽和吞吐量與節點數目之間的關系。

由圖5可以看出，兩種協作MAC算法RCHC-MAC和CR-MAC的吞吐量明顯高于傳統IEEE 802.11b MAC，這是因為在直傳低速狀況下，協作MAC算法可以尋找高速中繼節點進行協作傳輸。而隨著節點數的增多，鏈路質量差的節點尋找到高速中繼節點的概率增大，飽和吞吐量隨之增大。

圖5 飽和吞吐量與節點數之間的關系

另外，CR-MAC由于考慮了節點剩余能量，當中繼節點剩余能量低于門限值時，高速節點退化為低速節點，鏈路質量差的節點尋找到高速中繼節點的概率降低，因而從圖中可以看出，飽和吞吐量相比RCHC-MAC略有下降，但是差別并不明顯。

圖6給出了網絡生存時間與節點數目之間的關系。

圖6 網絡生存時間與節點數之間的關系

由圖6可以看出，兩種協作MAC算法的網絡生存時間都隨節點數的增多而呈上升趨勢，這是因為節點數越多，可選的信道條件好的中繼節點也就越多，單個中繼節點頻繁被選中的幾率就越低。而隨著節點數超過一定值，網絡生存時間的增長開始變緩慢，再多的節點，只會帶來較小的性能增益，而復雜度大大增加。還可以看出，CR-MAC算法的性能要明顯優于RCHC-MAC，例如當節點數N=25時，前者的網絡生存時間是后者的兩倍之多，這說明考慮了剩余能量因素，對延長網絡生存時間有重大意義。

3 結束語

CR-MAC算法綜合考慮瞬時信道信息和節點剩余能量，在網絡吞吐量性能略微下降的情況下，大大增加了網絡生存時間;新算法無需維護中繼節點列表，節省了網絡各節點的存儲資源;針對不同的直傳速率有不同的中繼選擇策略和重傳機制;動態選擇中繼節點，適用于有突發業務的自組織移動網絡。

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