Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)支持QoS保障的多信道MAC協(xié)議

李保婷+周雷+韓沁+趙宏

摘要：提出一種基于多信道的Qos保障方案，結(jié)合業(yè)務(wù)區(qū)分和資源預(yù)留兩種Qos保障策略，保證優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)及時(shí)接入信道；并且建立節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈表，給數(shù)據(jù)通信預(yù)留一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的幀交換，有效地使用了數(shù)據(jù)信道資源。

關(guān)鍵詞：無(wú)線自組織網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量；多信道

近年來(lái)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸多媒體業(yè)務(wù)逐漸成為用戶的基本需求，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中如何提供服務(wù)質(zhì)量（Qos：Qualityof Service）保障已成為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)；MAC子層是自組網(wǎng)QoS體系中最基本的部分，與單信道技術(shù)相比，多信道技術(shù)能較好地解決信道爭(zhēng)用、隱藏終端、暴露終端、入侵終端等問(wèn)題，其具有提高系統(tǒng)吞吐量、降低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)，但是大都不能為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供QoS保障。文章參考動(dòng)態(tài)信道分配信道預(yù)約的思想，結(jié)合業(yè)務(wù)區(qū)分和資源預(yù)留兩種方式，給出了一種提供QoS保障的多信道MAC層協(xié)議，為不同種類的業(yè)務(wù)類型設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)和幀間隔，使高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先預(yù)約數(shù)據(jù)信道，同時(shí)給不同目的地址節(jié)點(diǎn)建立發(fā)送鏈表，并且使用自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行連續(xù)幀交換過(guò)程，以此提高系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延性能，保證多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸。

1 協(xié)議基本思想

把多信道分成N個(gè)數(shù)據(jù)信道和1個(gè)控制信道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配兩個(gè)半雙工收發(fā)模塊，1個(gè)用于控制信道且附加偵聽模塊，1個(gè)用于在多個(gè)數(shù)據(jù)信道間切換使用。通信節(jié)點(diǎn)在控制信道上收發(fā)RTS/CTS/RES幀來(lái)預(yù)約數(shù)據(jù)信道，然后在數(shù)據(jù)信道上收發(fā)DATA/ACK幀來(lái)進(jìn)行通信。業(yè)務(wù)區(qū)分功能是給不同業(yè)務(wù)類型設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)和幀間隔，資源預(yù)留功能是在每次RTS/CTS/RES幀交換中，都預(yù)約好一段時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)，通信節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行連續(xù)的幀交換過(guò)程。下面詳細(xì)說(shuō)明本協(xié)議中的幾個(gè)重要規(guī)則。

1.1 發(fā)送鏈表

協(xié)議中，給不同目的地址節(jié)點(diǎn)分別建立發(fā)送鏈表，鏈表結(jié)構(gòu)如圖l所示；SrvDataElem是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在鏈表中的結(jié)構(gòu)：Pkptr指向業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；Oos是分組優(yōu)先級(jí)的整數(shù)值，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分組（如語(yǔ)音、視頻等）比普通業(yè)務(wù)分組有更高的優(yōu)先級(jí)，Oos數(shù)值越大表示優(yōu)先級(jí)越高；AtTime是高層數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間。

NL[]是鏈表表頭結(jié)構(gòu)：SrvList是以SrvDataElem為元素的數(shù)組首地址；Dest是目的地址；TOos是鏈表優(yōu)先級(jí)權(quán)重值，表示鏈表中分組的平均優(yōu)先級(jí)，由鏈表中分組的Oos和ArTime共同決定，有：

其中Q、T表示Oos和ArTime在鏈表優(yōu)先級(jí)權(quán)值中的比例度量，DataNum表示鏈表中分組個(gè)數(shù)，TQos值定期更新且其值越大表示本鏈表的優(yōu)先級(jí)越高；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照目的地址放入相應(yīng)的發(fā)送鏈表中，相同目的地址分組在同一個(gè)鏈表中，分組的類型和目的地址由相應(yīng)的路由協(xié)議規(guī)定。

1.2 信道規(guī)程

在控制信道上收發(fā)RTS/CTS/RES幀來(lái)預(yù)約數(shù)據(jù)信道，幀格式如下所示：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送鏈表非空時(shí)，選擇TQos值最大的鏈表且其目的地址為B。在控制信道空閑時(shí)，等待一段間隔時(shí)間，執(zhí)行退避后發(fā)送RTS幀。TOos越大，此間隔時(shí)間越小，以保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)較早接入信道。RTS幀中設(shè)置NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl域，其中NAVrts表示網(wǎng)絡(luò)分配矢量，以將控制信道的使用情況告知鄰居節(jié)點(diǎn)；Fcl是節(jié)點(diǎn)A的空閑數(shù)據(jù)信道列表；N表示發(fā)送鏈表的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)；Tdl表示N個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)N、Tdl字段計(jì)算數(shù)據(jù)信道上的通信占用時(shí)間。Ndl是節(jié)點(diǎn)A發(fā)送鏈表中下一條數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，節(jié)點(diǎn)B可以根據(jù)該字段設(shè)置超時(shí)定時(shí)器值。在節(jié)點(diǎn)B接收到RTS幀時(shí)，將幀中的Fcl值與自己的FCL表進(jìn)行匹配，在有匹配空閑數(shù)據(jù)信道的情況下返回CTS（Dj，NAVcts）幀，其中Dj是一個(gè)隨機(jī)選擇的匹配信道號(hào)，NAVcts用來(lái)將數(shù)據(jù)信道Dj的使用情況告知鄰居節(jié)點(diǎn)；在無(wú)匹配空閑數(shù)據(jù)信道時(shí)，B返回CTS（0，TEst）幀，這里的TEst表示節(jié)點(diǎn)B的CUL表中出現(xiàn)空閑信道的最小時(shí)間：

TEst=min{i，CUL[i].RelTime-TCurr-TSifs-TCts}。

A節(jié)點(diǎn)在收到CTS（Dj，NAVcts）幀后發(fā)送RES（Dj，NAVres）廣播幀，Dj表示選定的空閑數(shù)據(jù)信道號(hào)，NAVres是網(wǎng)絡(luò)分配矢量，用于將信道Dj的使用情況告知鄰居節(jié)點(diǎn)。A節(jié)點(diǎn)在收到CTS（0，Test）幀后退避TEst時(shí)間，之后需要等待一個(gè)幀間隔時(shí)間再發(fā)送RTS幀。

在數(shù)據(jù)信道上收發(fā)DATA/ACK幀進(jìn)行通信，DATA/ACK幀格式如下所示：

DATA幀中有Ndl、Itrp、Seq字段，Ndl是發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表中下一條DATA幀的長(zhǎng)度，用于對(duì)端節(jié)點(diǎn)計(jì)算超時(shí)定時(shí)器值；Seq用于對(duì)方節(jié)點(diǎn)辨別接收幀是新幀還是重復(fù)幀，正常時(shí)此字段值按0、1交替變化，重傳時(shí)值不變；Itrp表示強(qiáng)制中斷，正常時(shí)此字段值1，為0時(shí)表示需要立即中止通信，之后雙方收發(fā)ACK幀結(jié)束本次通信；強(qiáng)制中止通信可以保證在重傳發(fā)生時(shí)，通信時(shí)間小于NAVcts值。ACK幀中有Ack字段，為1時(shí)表示確認(rèn)接收到幀，為0時(shí)表示收到的幀錯(cuò)誤或者未收到。

2 協(xié)議過(guò)程描述

每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)（A節(jié)點(diǎn)）有兩張表：信道使用列表（cuL）和空閑信道列表（FcL）。CUL表中有三個(gè)元素，CUL口.Host表示A的一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，CUL[].ch是和鄰節(jié)點(diǎn)CUL[].Host的數(shù)據(jù)信道，CUL[].RelTime指CUL[].ch信道的釋放時(shí)間，F(xiàn)CL表由CUL計(jì)算得出。下面詳細(xì)描述協(xié)議過(guò)程，分組收發(fā)時(shí)序如圖2所示。

（1）節(jié)點(diǎn)A發(fā)送鏈表非空時(shí)，選擇TQos值最大的鏈表作為發(fā)送鏈表，目的地址為節(jié)點(diǎn)B，在發(fā)送RTS幀前，節(jié)點(diǎn)A做以下檢查：

①節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)信道收發(fā)模塊空閑。在CUL表滿足：

CUL[i].Host=B且CUL[i].RelTime>TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

②本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信道收發(fā)模塊空閑。在CUL表滿足：

CUL[i].Host=ARCUL[i].RelTime>TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

③本節(jié)點(diǎn)A有空閑的數(shù)據(jù)信道。最少有一個(gè)數(shù)據(jù)信道Dj滿足：

CUL[i].Ch=Dj且CUL[i].RelTime<=TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

將符合條件的信道記到FCL表，設(shè)定NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl等字段值，向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS幀。

（2）接收RTS幀后，節(jié)點(diǎn)B檢查是否有匹配的空閑數(shù)據(jù)信道，需要FCL與FCL有匹配項(xiàng)或Dj FCL時(shí)CULlil.ch=Dj且CUL[i].RelTime<=TCurr+TCts存在。

①如滿足，選擇一個(gè)空閑的數(shù)據(jù)信道，設(shè)置NAVcts等字段，向A返回NAVcts（Dj，NAVcts）幀，再把數(shù)據(jù)信道收發(fā)模塊切到Dj，準(zhǔn)備DATA幀的接收。

②如不滿足，返回CTS（0，TEst）幀，TEst是B節(jié)點(diǎn)有信道空閑的最小預(yù)測(cè)時(shí)間。

（3）非目的節(jié)點(diǎn)在控制信道接收到RTS幀后，執(zhí)行退避，以免控制信道上繼續(xù)發(fā)生沖突，退避時(shí)間為：

NAVrts=TCts+TRes+2*TSifs+2*TProp

（4）B收到CTS（Dj，NAVcts）幀后，節(jié)點(diǎn)A執(zhí)行：

①向CUL表中增加一項(xiàng)：CUL[i].Host=B；CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].RelTime=TCurr+NAVcts：

②將數(shù)據(jù)信道收發(fā)模塊切換到Dj，再發(fā)送DATA幀，然后設(shè)置超時(shí)定時(shí)器。

③發(fā)送廣播幀REs（Dj，NAVres），其中：NAVres=NAVcts-TSifs-TRes-TProp。

若收到的是CTS（TEst）幀，則A退避TEst時(shí)間重新發(fā)送RTS幀。

（5）非源節(jié)點(diǎn)c收到B發(fā)送的CTS（Dj，NAVcts）幀時(shí)：

在CUL表中增加一項(xiàng)：CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].Host=B；CUL[i].RelTime=TCurr+NAVcts。

若收到CTS（TEst）時(shí)，不用處理。

（6）非目的節(jié)點(diǎn)接到A的廣播幀RES（Dj，NAVres）后：

在CUL表中加一項(xiàng)：CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].Host=B；CUL[i]l.RelTime=TCurr+NAVres。

（7）在收到A發(fā)送的DATA幀后，B返回ACK幀：

①檢查DATA的Itrp位，若為0，則回送ACK幀并且中止通信。

②檢查DATA的Seq位，檢查是否重發(fā)。

③檢查DATA的Ndl字段，在回送ACK幀后設(shè)定超時(shí)定時(shí)器；Ndl為0時(shí)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)完畢，回送ACK后中止通信。

若DATA幀有錯(cuò)誤或定時(shí)器超時(shí)，回送CK（Ack（0））以表重傳。

（8）在收到節(jié)點(diǎn)B的ACK幀后，節(jié)點(diǎn)A回送DATA幀：

①如ACK幀的Ack位是0，則重傳DATA，其中的seq位不改變。

②計(jì)算下一條數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的時(shí)刻是否會(huì)超過(guò)NAVcts值表示的時(shí)刻，若會(huì)，則將回復(fù)的DATA幀Itrp位置1，就此結(jié)束通信。

如ACK幀錯(cuò)誤或定時(shí)器發(fā)生超時(shí)，則重傳DATA幀。

綜上所述，本協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是建立了發(fā)送鏈表，在數(shù)據(jù)信道上采用自動(dòng)重傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的幀收發(fā)過(guò)程，減少控制幀的收發(fā)次數(shù)；既提高了數(shù)據(jù)信道的通信效率，又降低了控制信道的沖突。

3 仿真分析

利用Opnet10.0網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)本協(xié)議進(jìn)行仿真分析，在3000×3000m的范圍內(nèi)設(shè)定了50個(gè)節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)放置，節(jié)點(diǎn)間的最大通信距離為300m，數(shù)據(jù)信道數(shù)量為6，仿真分析時(shí)間是400s，采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法，其他的仿真參數(shù)如表1所示。各幀頭及報(bào)文的長(zhǎng)度是：MAC頭大小為144bits，PHY頭大小為192bits，RTS報(bào)文大小為160bits，CTS報(bào)文大小為112bits，RES報(bào)文大小為112bits。對(duì)于每個(gè)到達(dá)MAC層的高層數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閷?shí)時(shí)分組長(zhǎng)度較大，支持對(duì)其分割、重組。

下面從吞吐量和時(shí)延特性兩個(gè)方面分析文章協(xié)議的性能。吞吐量反映了系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的能力，仿真中用歸一化吞吐量作為衡量系統(tǒng)吞吐量性能的指標(biāo)，其定義為：

歸一化吞吐量=單位時(shí)間內(nèi)的吞吐量/信道容量

在相同場(chǎng)景下，同時(shí)運(yùn)行多信道DCA協(xié)議和文章協(xié)議，比較其吞吐量和平均時(shí)延指標(biāo)情況，如圖3、圖4所示。由此可知，本協(xié)議提供了更大的吞吐量和更低的時(shí)延。