單收發器分布式多跳認知媒體接入控制協議優化設計

高士娟，譚同德，朱清超

(1.鄭州工業應用技術學院 信息工程學院，河南 新鄭 451100; 2.鄭州大學 信息工程學院，鄭州 451100;3.武警工程大學 信息工程學院，西安 710086)

0 引言

認知媒體接入控制協議(Cognitive Media Access Control, C-MAC)是IEEE工作組針對靜態頻譜分配算法中的頻譜“白洞”問題[1]，于2005年提出的新型協議模型，以高吞吐量和信道利用率等優勢，受到國內外學者的廣泛關注，且協議正由中心控制網絡向Ad Hoc類網絡演進[2]。移動自組網(Mobile Ad Hoc NETwork, MANET)[3-4]作為后者的重要分支，其分布式、多跳、移動性、自組織等特點增強了網絡的魯棒性，于是C-MAC和MANET的結合便成為新的研究熱點。

盡管二者在吞吐量等方面取得一定成效，但是協議本身存在收發器數多、單跳局限性、鏈路負載失衡、控制開銷高等缺陷。文獻[5-7]指出C-MAC協議可通過帶內或帶外控制信息的交換實現感知、共享等功能，分別對應以空間分割的公共控制信道(Common Control Channel, CCC)模型和以時間分割的雙相模型(Double Phase model, DP)，前者至少配置兩個射頻裝置用于控制信號和數據傳輸，節點能耗增加，生存周期降低，無法滿足MANET移動性需求，而DP可有效緩解上述不足，但引入了傳輸時延。文獻[2,8]指出現有C-MAC協議依賴接入點或基站等基礎設施，與MANET節點分布式特點不符，并指出對于Ad Hoc類網絡而言，可基于DP模型中的功率節省模式(Power Saving Mode, PSM)機制實現分布式感知操作，但存在同步、共享、能耗等諸多問題。文獻[5,9]在分析了基于PSM機制的C-MAC協議模型中公共控制信道、數據結構、相關實現等基礎上，指出信道預留開銷、額外能耗等問題，并分析了單跳C-MAC協議對應信道空出時間(Channel Vacate Time, CVT)和信道開啟時間(Channel Opening Time, COT)等性能指標，缺乏多跳考量。為改善控制開銷、多跳等性能，Jeon等[10]以節點存儲和計算資源為代價，實現了時延和控制開銷的折中。針對上述問題，課題組同樣進行了相關研究[11-13]，并指出多跳分析的關鍵在于節點之間可用信道數目的實時更新；移動性影響傳輸分組數量，與功率之間存在一定的數學關聯，可用信道可維持時間表示，但信道協商和切換過程仍依賴多收發器，信道之間負載不均衡，且引入浮點型功率比特開銷。

圖1 C-MAC協議模型

鑒于以上研究，本文在PSM基礎上，提出一種適用于MANET，可實現信道協作和數據傳輸功能的單收發器、分布式C-MAC協議優化模型。首先針對收發器限制問題，基于PSM機制，從時域實現C-MAC協議信道感知和數據傳輸功能的分離；其次對節點功率值進行格雷編碼，降低浮點功率值引入的控制開銷比特數；然后基于前期研究，優化信道感知和預留機制，并兼顧公平性，實現信道切換的優化，進一步改善信道負載均衡；最后實現了協議的仿真分析。結果表明，新協議在COT、CVT、吞吐量和信道利用率等方面均得到明顯改善。

1 模型設計

本章針對收發器限制問題，基于PSM機制的不同時間窗口實現C-MAC協議信道感知和數據傳輸功能。在此基礎上，為兼顧移動性和多跳性，定義信道信息字段，并通過功率參數的格雷編碼降低浮點型控制開銷。

1.1 單收發器C-MAC協議模型

為滿足PSM工作需求，首先作如下假設：

1)所有節點包含n個帶寬相同的可用信道，信道信息可通過檢測分組能量獲得；

2)節點配置一個半雙工收發器，使得任意時刻僅可完成收發或監聽功能，二者不可兼備；

3)收發器可自動切換信道，切換時延[14]低于224 μs；

4)節點之間已基于時間同步函數(Time Synchronization Function, TSF)算法[15]實現幀同步，確保正確恢復分組對應語義。

基于以上假設，可實現信道感知及交互，但節點配置單收發器，則信道感知和數據傳輸無法實現空間分離。而PSM機制可通過時間分割方式實現上述功能，因此可將面向MANET的單收發器分布式C-MAC協議優化模型的設計等價為PSM機制與控制信道和數據信道的對應關系，結果如圖1所示。

圖1(a)為C-MAC協議流程，不難看出，協議包含信道感知和數據傳輸兩部分。前者基于PSM機制中ATIM(Announcement Traffic Indication Message)窗口實現節點信道狀態信息的收集與共享，為可用信道選擇提供數據基礎，后者利用整個游標間隔實現信道預留及分組傳輸，即基于信道優先級選擇可用信道傳輸分組直至通信完成，是協議的本質，因此當且僅當無數據傳輸時方執行信道感知。圖1(b)為對應PSM具體實現，包含各功能分組及其對應PSM周期。換言之，ATIM窗口對應控制信道，傳輸信道感知及協商控制分組，所有節點在該周期內保持喚醒狀態；DATA窗口對應數據信道，在此關注基于RTS(Ready to Send)/CTS(Clear to Send)/DATA/ACK(Acknowledgement)四次握手虛擬載波監聽(Virtual Carrier Sense, VCS)機制[14]的分組交換模式，為節省能量，僅收發節點保持喚醒狀態，其他鄰節點為假寐(Doze)模式。例如A與B交換數據，則A向B發送ATIM分組執行信道協商，B從本地列表擇優選擇信道通過ATIM-ACK幀向A確認，A隨后通過該信道向B傳輸數據，并廣播自定義ATIM-RES分組通知鄰節點可用/釋放信道。由于存在其他節點同時競爭該信道的概率，因而節點A通過RTS競爭預留信道，并廣播預留時間，B利用CTS應答，二者競爭成功后執行DATA發送及ACK應答，以此循環，直至完成分組傳輸。節點C監聽到A與B在此信道執行數據傳輸，則在ATIM窗口執行信道感知，在DATA窗口保持假寐。不難理解，該C-MAC協議基于時間分割實現了控制信道與數據信道的分離，擺脫了多收發器的依賴性；而且通過重定義ATIM/ATIM-ACK等分組中各字段的語義可實現多跳信道感知、協商和預留，避免引入額外字段，控制開銷較低，在此側重于數據傳輸機制的優化和實現。與現有協議模型相比，新協議的優勢分為兩點：一是數據傳輸過程采用VCS方式，可有效緩解多跳移動環境中的隱藏終端和暴露終端問題；二是增加了ATIM-RES分組，實現了鄰節點之間信道忙閑狀態信息的共享，進一步降低感知時延。

1.2 信道信息字段

節點之間信道信息的交互是確保分組成功傳輸的基礎，其實現依賴于節點信道瞬時忙閑狀態的存儲及基于控制分組的信息共享。在此仍采用文獻[12]中的信道字段定義，沿用CH_STk(i)、RN(i)、S(i)、Rk(i)、Hk(i)和φ(x)等符號表征可用信道，利用Tk(i)、Pkl(i)、Pkn(i)、Pm(i)和Pkt(i)等能量參數表征節點移動性。

在此基礎上，由于信道可維持時間Tm為當前功率降低到接收功率閾值所需的時間。基于以上字段信息，節點可計算Tm值，并依降序對信道進行優先級排序，而后執行信道感知和數據傳輸。由于節點速度和信道參數具有時變性，Tm符合微積分特性，無疑引入計算時延。考慮到感知周期遠小于數據收發時間，節點速度突變概率較低，該時間間隔內設為定值。由于接收功率與其正相關，同樣可視為均勻變化。令感知周期Ts內功率變化率為定值P′(不同感知周期其值可不同)，若節點遠離時，變化率為(Pkl(i)-Pkn(i))/Ts，反之為(Pkn(i)-Pkl(i))/Ts，即:

P′=|Pkl(i)-Pkn(i)|/Ts

(1)

當節點相互靠近時，Tm為當前功率達到最大功率并降低到閾值功率所需時間的總和，反之Tm等于當前功率降低到閾值功率所需的時間，即:

(2)

根據式(1)和式(2)可得Tm值，按照Tm降序對信道排序、過濾，則Tm越大信道中斷概率越低，被選擇的概率越高，從而避免信道選擇的盲目性。

1.3 功率參數優化編碼

若直接傳輸Tm值，將引入至少2 B浮點型控制開銷，該值相對于分組大小而言不可忽略，需對其進一步處理，在此基于量化編碼機制對其優化。量化規則規定如下：由于Tm小于分組傳輸時間即功率低于最小可傳輸功率Pmin時，分組已無法成功傳輸，(0,Pmin)區間內所有功率便毫無意義；反之較大功率區間均可滿足傳輸需求，且其值越高，維持信道連接的時間越長，直至最大值Pmax?；诖?，將功率值非均勻量化為7段，各區間內取中間值，并對其編碼。鑒于安全性考慮，在此采用格雷編碼[16]，各區間對應比特流如圖2所示。

不難看出，功率位數降低到3 b，可分別用P1、P2、P3表示，則開銷降低了80%，使得預留比特的使用及重定義成為可能，且接收端以此可確定Tm值并實現信道優先級排序。與此同時，量化誤差同樣不可避免，但隸屬于物理層范疇，在此不作深入分析。

圖2 功率參數編碼結果

2 數據傳輸

2.1 信道協作

值得注意的是，對于MANET，其信道協作需考慮多條鏈路以及節點移動性，圖3(a)所示拓撲對應多跳信道協作算法如圖3(b)所示。根據算法流程，信道協商結果為A與E、E與F分別采用信道3和2執行分組傳輸。值得注意的是，若存在多個信道，可基于序號大小優先選擇。通過該步驟，可實時更新節點信道字段信息，進一步實現優先級排序。

圖3 信道協商示意圖

2.2 信道切換優化設計

由于任意時刻存在多個節點成功競爭空閑信道，為降低碰撞概率，在此假定節點之間仍基于載波監聽多址接入碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)機制[14,17]執行分組交換，但從圖3(a)可知，MANET節點具有移動性，存在離開相互覆蓋范圍的可能，此時面臨信道切換問題。同時在此期間其他節點空閑信道可用于分組轉發，則信道列表更新勢在必行，因此數據交換除完成DATA傳輸外，需完成額外兩種功能：一是信道列表更新；二是空閑信道切換。對于前者，在信道監聽空閑基礎上，按照Tm降序排列插入到相應位置，如圖4中信道5。對于后者，目前常用按序搜索，即優先查找高優先級信道，然后次之，以此類推，直至切換成功，如圖4中信道4無法繼續通信時，節點查找信道1，若忙碌，則查找信道3，以此類推，直至成功切換至信道5。

該查找方式可確保信道質量最優，但優先級越高信道使用頻率越高，空閑概率越低，且其他信道使用頻率較低，導致信道資源浪費，破壞信道使用公平性，同時引入查找時延。針對該問題，在此對其作簡單修改，即從本次使用信道之后下一信道標號中選擇滿足Tm要求的信道進行切換：一則提高效率，二則減小信道負荷，三則簡單易行。例如圖4中信道4失效后，直接切換至按Tm排序后的信道5繼續通信。

圖4 信道切換示意圖

3 性能分析

3.1 參數設置

假設節點為手持設備，對應中低速運動場景，速率限定為0～10 m/s，頻率為300 Mb/s，分組傳輸速率為11 Mb/s。對于MANET而言，網絡層選擇動態源路由(Dynamic Source Routing, DSR)協議[18]，應用層選擇恒定比特流(Constant Bit Rate, CBR)，競爭窗口(Contention Window, CW)初始化為最小值32。其他參數與IEEE工作組文檔規范保持一致，具體參數設置如表1所示，并利用軟件NS2[19]對協議各項性能指標進行仿真。

表1 仿真參數設置

3.2 性能分析

在多跳MANET中，C-MAC協議的性能包括兩方面：一是節點之間的相互影響，在此仍沿用CVT和COT性能指標[20-21]；二是引入認知功能對MAC協議性能的提升，在此考慮吞吐量、控制開銷和信道負載。網絡控制開銷與文獻[12]基本相同，在此不作分析。以上性能指標均為隨機變量，取其10次平均值，所需樣本均基于NS2中trace文件獲得。為更好地說明算法的優勢，在此對比分析PSM機制和新協議(分別記為優化前和優化后)各項性能指標，所得結果如圖5～8所示。

從圖5可以看出，PSM和新協議中不同信道對應CVT略有差異，如前者信道1和信道8對應CVT平均值分別為110 ms和35 ms，后者對應值分別為102 ms和30 ms，CVT差值降低了13 ms，表明新協議對主用戶(Primary User, PU)的影響進一步降低，且信道1對PU的影響高于信道8。產生該現象的原因很多，如PU產生的窗口時間(ATIM與DATA不同)，節點分組類型及大小(DATA分組大于ATIM分組)等?？v向而言，新協議中各信道CVT最大值和最小值差值低于PSM機制，協議性能得到改善。同理從圖6可以看出新協議對應COT略優于PSM機制，如后者信道7和信道6平均值分別為60 ms和120 ms，而前者對應值分別為55 ms和105 ms，且二者波動范圍略高于CVT。原因在于PU為授權用戶，其優先級高于認知用戶(Cognitive Radio, CR)，因此信道空閑時以PU為主，甚至犧牲CR性能指標確保PU信道可用性。

圖5 平均CVT

圖6 平均COT

從圖7可以看出，整體而言，隨著信道數目的增加，吞吐量整體遞增，增幅越來越大；但并非線性增長，存在飽和上限值，達到平衡狀態后保持不變，而且新協議吞吐量高于PSM機制對應值。原因在于隨著仿真時間的增加，參與通信的節點逐漸增多，吞吐量隨之增加；但達到網絡飽和時，通信節點或分組數增加，伴隨著碰撞概率和重傳次數的增加，從而限制了吞吐量的繼續增長，因此吞吐量基本保持不變。

圖7 不同信道數對應吞吐量

對于信道負載時間，在此與文獻[10]所得結果進行對比。從圖8(a)可以看出，雖然原協議一定程度上提高了信道利用率，但負載仍集中于信道1、3、4、8，而其他信道空閑時間比例相對較高，信道負載時間差值達到150 s，導致信道分配不均衡，也是網絡吞吐量受限的重要原因之一。而新協議(圖8(b))引入了新的信道選擇和切換規則，信道1～8的負載時間最大差值不超過50s，緩解了信道之間的分配不均衡，性能得到改善。

圖8 改進前后各信道負載時間

4 結語

本文基于PSM機制中ATIM和DATA窗口對應的時間分割功能，面向MANET，提出一種單收發器、多跳、分布式C-MAC協議優化模型。在此基礎上，對控制開銷和信道負載均衡均進行了優化，并通過COT、CVT、吞吐量和信道負載等性能的仿真驗證了協議的可行性。但仍存在問題尚得展開研究：一是節點行為(自私或惡意)對協議的影響；二是信道感知與物理感知的性能對比分析；三是多信道隱藏終端問題；四是節點能量對協議的影響。

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