Ad hoc網絡雙忙音多址訪問協議的研究與仿真*

喬平安　李峰杰　顏景善

(西安郵電大學計算機學院　西安　710121)

?

Ad hoc網絡雙忙音多址訪問協議的研究與仿真*

喬平安李峰杰顏景善

(西安郵電大學計算機學院西安710121)

摘要由于移動Ad hoc網絡沒有固定控制中心,信道訪問沖突十分嚴重。論文通過對雙忙音多址訪問(DBTMA)協議的仿真,發現當網絡中存在暴露接收節點時,DBTMA協議出現了嚴重的不公平性問題,有些節點甚至可以壟斷信道。論文提出了一種針對DBTMA協議不足進行改進的策略,該策略通過設計一種基于競爭節點數目的自適應競爭窗口調整因子,以達到根據網絡競爭狀況動態調整退避窗口的目的。仿真結果表明,改進后的DBTMA協議有效地解決了原協議存在的不公平性問題。

關鍵詞Ad hoc網絡; 公平性; 調整因子; 退避窗口

Research and Simulation of DBTMA Protocol for Ad hoc Network

QIAO Ping’anLI FengjieYAN Jingshan

(School of Computer Science, Xi’an Univerity of Posts and Telecommunications, Xi’an710121)

AbstractChannel access conflict is very serious as mobile Ad hoc network has no fixed control center. By emulating dual busy tone multiple access(DBTMA) protocol, it is found that when there is receiving node in the network, DBTMA agreement appeared a serious problem of unfairness, some node can even monopolize the channel. An improve strategy is proposed in this paper aiming at the shtorage if the DBTMA protocol. By designing a kind of adaptive contention window adjument factor based on the number of node, in order to adjust the backoff window according to dynamic network competition. The simulation results show that the improved DBTMA agreement effectively solve the unfairness problem exists in orginal agrement.

Key WordsAd hoc network, fairness, adjustment factor, backoff window

Class NumberTP393

1引言

目前在無線Ad hoc網絡的研究工作中,多數采用IEEE802.11DCF[1]作為媒體接入控制(MAC)層協議。該協議大多利用載波監聽技術(CSMA)[2]來減少數據碰撞,但這樣就會帶來隱藏節點和暴露節點的問題,從而影響節點訪問信道的公平性。一些研究表明節點在訪問信道時可能出現單個數據流獨占信道而其他數據流完全處于“饑餓”的狀態,這就是所謂的公平性問題。現有的公平性改進方案大都以退避算法為基礎,文獻[3]提到一種針對信道訪問的乘數遞增線性遞減(Multiplicative Increase Linear Decrease,MILD)退避算法,在一定程度上改善了節點的公平性,但會使節點較長時間處于較大競爭窗口狀態,這樣反而會降低網絡吞吐量。文獻[4]提出一種改進的指數遞增指數遞減算法,遞增和遞減指數參數可以靈活配置,但如何準確配置參數還需認真考慮。

雙忙音多址接入(Dual Busy Tone Multiple Access,DBTMA)協議[5~6]是一種雙信道MAC協議,該協議可以在一定程度上解決隱藏節點和暴露節點[7]問題,其吞吐量性能優于在單信道上使用RTS/CTS分組對話機制的其他MAC協議,以及所有使用單個忙音的MAC協議。然而DBTMA協議中忙音信號與數據信號的傳輸范圍相同,當網絡中存在暴露接收節點時,該協議存在嚴重的不公平問題[8]。

文章分析了Ad hoc網絡中存在暴露接收節點時DBTMA協議的工作原理,提出了一種新的方案以改善DBTMA協議的公平性,該方案提出一種動態感知的退避算法。在保證原有網絡吞吐量的條件下,經過改進后的DBTMA協議能有效地解決DBTMA協議存在的不公平問題,避免出現部分節點對信道的獨占和“餓死”節點現象。

2DBTMA協議描述

2.1暴露節點問題

DBTMA協議把整個帶寬劃分為兩個獨立的信道(數據信道和控制信道),同時增加兩個窄帶忙音,即發送忙音(BTt)和接收忙音(BTr),分別表示節點是否正在發送RTS分組或接收數據分組。忙音信號在數據持續發送期間,傳輸范圍與通信范圍相同[9]。

圖1　暴露節點

暴露節點是處于發送節點的通信范圍之內而在接收節點的通信范圍之外的節點。如圖1所示,節點B為暴露接收節點。當節點A向節點B發送RTS控制信號時,由于傳輸范圍限制,節點C無法監聽到節點A發送的BTt信號,所以節點C能同時向節點D發送RTS控制信號。此時節點C處于接收節點B的傳輸范圍之內,節點A發送的信息和節點C發送的信息可能在節點B處發生沖突,導致節點B無法正確接收到節點A發送的控制信號,而節點D始終可以正確接收節點C發送來的控制信號,繼而完成數據傳輸任務。所以,DBTMA協議雖然能夠通過數據信道和控制信道避免信號的碰撞,但當網絡中存在暴露接收節點時,控制信號的碰撞仍無法避免,從而帶來嚴重的不公平性。

2.2DBTMA協議仿真與分析

利用NS-2[10]對DBTMA協議進行仿真。采用圖2所示網絡拓撲結構,節點均為靜止狀態,節點間距250m,通信范圍300m。需要指出的是,為了盡量減少其他因素對DBTMA協議公平性的影響,采用恒定比特率(CBR),仿真參數如表1所示。

圖2網絡拓撲結構

為構造暴露接收節點環境,建立節點A向節點B發送數據,節點C向節點D發送數據的通信線路。仿真時間為200s,數據包發送間隔為1ms。為評價數據流之間的公平性,采用文獻[11]提出的公平性指數FI(Faurness Index)來衡量公平性,公平性指數定義為網絡最大鏈路吞吐量Tmax和最小鏈路吞吐量Tmin的比值,即:

表1　仿真參數

顯然,FI=1是最理想情況,每條鏈路吞吐量相同,公平分配資源。FI越大,節點競爭能力越懸殊,不公平性越明顯。表2給出了仿真實驗的吞吐量和公平性指數。

表2　DBTMA公平性仿真數據

注:ThAB表示節點A到節點B的吞吐量。

在圖2中節點A向節點B發送控制信號,節點C向節點B和D發送控制信號,由于節點B同時處于節點A和節點C的通信范圍之中,則節點A和節點C發出的控制信號可能在節點B處沖突。從而導致節點A發送的控制信號無法被節點B正確接收。同時,節點A無法檢測到節點C的發送忙音,所以一直認為控制信道空閑而持續向節點B發送控制信號。

仿真數據表明,由于節點B同時處于節點A和節點C的通信范圍內,使得DBTMA協議出現嚴重不公平性,節點C向節點D發送數據的通信線路幾乎獨占了全部信道。通過對仿真數據的分析,發現DBTMA協議在暴露接收節點場景下存在嚴重的不公平問題。

3DBTMA協議的改進與分析

3.1DBTMA協議的改進策略

針對2.1節所出現的問題以及對原有DBTMA協議的分析與仿真,對DBTMA協議進行改進,引入一種新的能根據網絡中競爭節點的數目自適應調節競爭窗口的動態感知退避(Situational Awareness Backoff,SAB)算法,使退避窗口隨著網絡節點的競爭狀況處于動態變化之中,從而減少部分節點對信道的壟斷,改善協議的公平性。

3.2算法描述

SAB算法的核心思想是:通過建立競爭窗口初始值和退避階數與競爭節點數目的對應關系,從而使調整因子隨競爭節點的數目處于動態變化之中,使競爭窗口可以根據節點的競爭狀態自適應地調整。具體算法如下:

1) 估算網絡競爭節點的數目n。

2) 通過節點數n和CWmin,CWmax建立起競爭窗口CW的變化規律公式如式(1)所示。

(1)

其中a為函數的底數,n為競爭節點數目,競爭窗口初始值為CWint。

3.3仿真與結果分析

利用NS-2對改進的DBTMA協議進行仿真。對圖2所示網絡拓撲結構進行改進,在節點C覆蓋區域內增加n個競爭節點,節點目標地址隨機選擇。傳輸層采用UDP協議,物理層無線結點采用DSSS模型,競爭窗口參CWmin=15,CWmax=1023,仿真時間為200s。

3.3.1參數a的選取

為了使改進DBTMA協議的性能達到最優,SAB算法中對參數a的選取非常重要。針對a的取值問題,仿真了場景中存在不同競爭節點數目n時,a取不同值時Thcd(節點C和D之間的平均吞吐量)的值,仿真結果如表2所示。

表2　a不同值時Thcd的值(單位Kbps)

通過對表2中的數據比較可知,在競爭節點數目n取不同值得情況下,當底數a=3時節點C和D之間的網絡吞吐量最大,因此對SAB算法中a=3。

3.3.2公平性分析

根據3.3.1節分析得出,使SAB算法性能達到最優時參數a=3。在此前提下利用3.1.1節中仿真的網絡結構和仿真參數對改進后的DBTMA協議進行仿真。

表3為改進后DBTMA協議兩條線路吞吐量和公平性指數的仿真結果。從表3可知,不論n取何值兩條通信線路的吞吐量相差無幾,公平性指數FI幾乎趨于最理想狀況。圖3更直觀地顯示了改進前后DBTMA協議兩條線路吞吐量的比較。兩條線路吞吐量幾乎一樣,不存在差值較大的不公平現象。

圖4顯示了競爭節點數目不同時公平性指數FI的分布。如圖所示,改進后的DBTMA協議接入信道的公平性指數接近于1且相對穩定。

圖3　改進后DBTMA協議兩條線路吞吐量的比較

圖4　不同競爭節點下公平性指數的變化

nThAB(Kpbs)ThCD(Kpbs)FI31158.3921245.6831.0744956.7811086.4721.1365903.351984.2371.0906698.504748.8721.072

4結語

本文通過對DBTMA協議在暴露接收節點場景下的仿真,發現節點接入信道存在嚴重的公平性問題甚至可能出現壟斷的現象。針對該問題,提出了一種改進方案,設計了一種基于競爭節點數目的窗口調整因子,使競爭窗口可以隨著Ad hoc網絡的信道使用情況而自適應調整。仿真結果表明,該改進方案能有效地改進原DBTMA協議的公平性,使通信線路間的資源能平均分配。

參 考 文 獻

[1] IEEE 802.11-2007. Part Ⅱ: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specification[S]. 2007.

[2] 趙志峰,鄭少仁.Ad hoc網絡載波監聽雙信道接入協議[J].浙江大學學報,2005,39(4):478-482.

ZHAO Zhifeng, ZHENG Shaoren. Carrier sensing based dual channel access protocol for Ah Hoc network[J]. Journal of Zhejiang University,2005,39(4):478-482.

[3] 夏羽.Ad Hoc網絡MAC協議退避算法研究[D].上海:上海交通大學,2012:3-9.

XIA Yu. Research on Backoff Algorithm in MAC protocol for Ad Hoc Nerwork[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University,2012:3-9.

[4] Fan Jing. Performance Analysis of an Adaptive Back-off Scheme for Ad Hoc Networks[C]//Proceedings of IEEE 8th International Conference on Computer and Information Techonolgy Sydney: IEEE,2008:624.

[5] DENG J, HAAS Z J. Dual busy tone multiple access(DBTMA): A multiple access control scheme for ad hoc network[J]. IEEE Transaction Connumication,2002,50(6):975-980.

[6] 陳林星,曾曦,曹毅,等.移動AdHoc網絡:自組織分組無線網絡技術[M].北京:電子工業出版社,2012:81-93.

CHEN Linxing, ZENG Xi, CAO Yi, et al. Mobile Ad Hoc: self-organizing packet radio network technology[M]. Beijing: Electronic Industry Press,2012:81-93.

[7] 蘭麗,單志龍.Ad Hoc網絡中隱藏終端和暴露終端相關問題研究[J].計算機與數字工程,2010,38(7):36-40.

LAN Li, SHAN Zhilong. Analysisi on Relevant Prob-Lems of Hidden Teminal and Exposed Teminal in Ad Hoc Networks[J]. Computer and Digital Engineering,2010,37(7):36-40.

[8] 尤文玨,王成華,等.Ad hoc網絡雙忙音多址接入協議的公平性改進[J].計算機與數字工程,2014,42(2):256-260.

YOU Wenjue, WANG Chenghua, et al. Improving of the DNTMA Protocol Fairness in Ad hoc Network[J]. Computer and Digital Engineering,2014,42(2):256-260.

[9] 蔡雪蓮.無線Ad Hoc網絡接入和路由關鍵技研究[D].西安:西安電子科技大學,2013:23-41.

CAI Xuelian. Study on Multiple Access and Routing Technonlgy in Wireless Ad Hoc Networks[D]. Xi’an: Xi’an Electronic and Engineering University,2013:23-41.

[10] The Network Simulator-ns-2[OL]. http://www.isi.edu/nsnam/ns.

[11] Bharghavan V, Demers A, Sjenker S, et al. MACAW: A media access protocol for wireless LANs[C]//Proceedings of the ACM SIGCOMM Conference on Communications Architectures Protocols and Applications,2010:212-225.

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.024

作者簡介:喬平安,男,副教授,研究方向:數據庫技術、計算機網絡。李峰杰,男,碩士研究生,研究方向:PC客戶端開發。顏景善,男,碩士研究生,研究方向:Web服務器開發。

收稿日期:2015年9月9日,修回日期:2015年10月24日