摘 要： 提出了一種提供QoS保障的多信道MAC協(xié)議，該協(xié)議把不同種類業(yè)務(wù)劃分優(yōu)先級和幀間隔時間,，以保障優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)較早接入信道,，同時把高層數(shù)據(jù)按目的地址的不同建立發(fā)送鏈表,，采用自動重傳技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的幀交換過程,。仿真結(jié)果表明,，該方法大大提高了數(shù)據(jù)信道利用率，改善了系統(tǒng)性能,。
關(guān)鍵詞： 無線自組織網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)質(zhì)量,；介質(zhì)接入控制協(xié)議,；多信道
無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)是一種具有無中心、自組織,、快速展開和移動等特點的對等式網(wǎng)絡(luò),，又被稱作多跳網(wǎng)絡(luò)(Multi-hop Network)或自組織網(wǎng)絡(luò)(Self-organized Network)[1]。隨著自組網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣化以及逐漸向公用網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域滲透,，服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)保障問題越來越重要,，介質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議是自組網(wǎng)QoS體系中最基本的部分，主要用來管理和協(xié)調(diào)多個用戶共享可用的頻譜資源,，QoS路由和信令都要依賴它,。MAC需要解決兩個問題[2]：如何將頻譜劃分為不同的信道，如何將信道資源分配給不同的用戶,。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議領(lǐng)域,，多信道技術(shù)成為研究熱點，很多的多信道MAC協(xié)議能較好地解決信道爭用,、隱藏終端,、暴露終端[3-4]，與單信道技術(shù)相比,，其具有提高系統(tǒng)吞吐量,、降低時延等優(yōu)點[3-5]，但是大部分不能為實時業(yè)務(wù)提供QoS保障,。本文結(jié)合多信道DCA[5]協(xié)議信道預(yù)約的思想,，給不同種類的業(yè)務(wù)劃分優(yōu)先級和幀間隔，保證優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)較早地預(yù)約數(shù)據(jù)信道,，同時把高層數(shù)據(jù)按目的地址的不同建立發(fā)送鏈表,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的幀交換，改善了系統(tǒng)吞吐量和時延特性,。
1 協(xié)議基本思想
把整個信道分為1個控制信道和n個數(shù)據(jù)信道,，這些子信道互不重疊且?guī)捪嗟龋總€節(jié)點配置兩部半雙工收發(fā)機(jī),，1個用于控制信道,，1個可在n個數(shù)據(jù)信道間切換使用,。通信雙方通過在控制信道上交換RTS/CTS/RES幀來預(yù)約數(shù)據(jù)信道，然后在數(shù)據(jù)信道上交換DATA/ACK幀進(jìn)行通信,。每個節(jié)點(如A)保存信道使用列表CUL[]和空閑信道列表FCL,。CUL[]表項有3個元素：CUL[i].host是A的一個鄰居地址，CUL[i].ch是被鄰居CUL[i].host占用的數(shù)據(jù)信道,，CUL[i].rel_time指CUL[i].ch信道的釋放時間,。FCL表可由CUL[]計算得出。
建立發(fā)送鏈表,，采用自動重傳技術(shù),，雙方可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的DATA/ACK幀交換過程，直到通信完成或者達(dá)到預(yù)定通信時間,。下面說明協(xié)議中的幾個重要規(guī)則,。協(xié)議中用到的標(biāo)識符含義如表1所示。
1.1 發(fā)送鏈表
按目的地址的不同把高層數(shù)據(jù)加入到相應(yīng)鏈表中,，發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,。
Hld_Data_Elem是高層數(shù)據(jù)的表示結(jié)構(gòu)，pkptr指向高層數(shù)據(jù),，qos是描述分組優(yōu)先級的整數(shù)值,，實時(語音、視頻等)分組比數(shù)據(jù)分組優(yōu)先級高,，ar_time是高層數(shù)據(jù)的到達(dá)時間,。NL[]是鏈表頭結(jié)構(gòu)，具有同一目的地址的分組均放在此鏈表中,，Hld_List是鏈表頭指針,，dest是目的地址，T_qos是表示此鏈表中所有分組的平均優(yōu)先級權(quán)值,，由鏈表中所有分組的qos和ar_time值決定：
1.2 控制信道規(guī)程
在控制信道上交換RTS/CTS/RES幀預(yù)約數(shù)據(jù)信道,，RTS/CTS/RES幀格式如圖2所示。
RTS幀中的N域表示發(fā)送鏈表中的高層數(shù)據(jù)個數(shù),；Tdl(Total data length)域是N個高層數(shù)據(jù)的總長度,，目的節(jié)點可以結(jié)合N、Tdl域計算數(shù)據(jù)信道上的總通信時間,。Ndl(next data length)域是節(jié)點A當(dāng)前發(fā)送鏈表中下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度,，用于節(jié)點B設(shè)置超時定時器。
要在數(shù)據(jù)信道上實現(xiàn)連續(xù)的幀交換功能,，則在控制幀交換過程中,，網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAVcts必須有效地預(yù)測數(shù)據(jù)信道Dj上的通信時間，NAVcts值被設(shè)為發(fā)送鏈表中的數(shù)據(jù)正常交換完成所需要的時間,，NAVcts的計算過程如下：
源節(jié)點的當(dāng)前發(fā)送鏈表中有4條數(shù)據(jù),，在數(shù)據(jù)信道上正常交換時的傳輸序列如圖3所示,，由此可以推出：
NAVcts=TdlA+NA×T_ack+2NA×T_prop
其中，若幀交換過程中出現(xiàn)異常需要重傳,，則數(shù)據(jù)信道上的通信時間將會大于NAVcts值,，這種異常情況的處理見下文。
1.3 數(shù)據(jù)信道規(guī)程
數(shù)據(jù)信道上交換DATA/ACK幀,，DATA/ACK幀格式如圖4所示,。
DATA幀中的Seq域用于對方節(jié)點辨別到來是否是重復(fù)幀，正常情況下此位按0,、1交替變化,，在重傳時不發(fā)生變化，此位是必要的,，因為節(jié)點超時定時器發(fā)生超時，可能是正確的應(yīng)答幀在鏈路上丟失造成的,，這樣重傳時設(shè)置Seq位不變,，對方節(jié)點便知道是重復(fù)幀而丟棄它；Itrp域是強(qiáng)制中斷位,，正常情況下此位為1,，當(dāng)為0時，表示要求立即停止通信,，之后雙方交換ACK幀結(jié)束本次通信,。
系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)信道上的通信時間，當(dāng)發(fā)生重傳時,，源節(jié)點在發(fā)送本條數(shù)據(jù)時,，計算發(fā)送鏈表中下一條數(shù)據(jù)正常傳輸結(jié)束的時刻會不會超過NAVcts值表示的時刻，如果超過,，則把Itrp位置0,，強(qiáng)制結(jié)束通信，如圖5中所示,，目的節(jié)點收到DATA(Itrp(0))時,，返回ACK幀，之后結(jié)束通信,。A中未傳完的數(shù)據(jù)依然留在發(fā)送鏈表中,。因此，Itrp位保證了發(fā)生錯誤重傳時,，數(shù)據(jù)信道上總的通信時間不大于NAVcts表示的時間,，既充分利用了信道資源，又及時釋放信道不至于造成沖突,。
2 本文協(xié)議的描述過程
本文協(xié)議的描述過程如下,，其分組交換時序圖如圖6所示,。
(1)節(jié)點(如A)發(fā)送鏈表不全為空時，選擇T_qos權(quán)值最大的鏈表作為當(dāng)前發(fā)送鏈表,，其目的地址為節(jié)點B,，在RTS幀前，節(jié)點A做三項檢查：
(a)保證目的節(jié)點B的數(shù)據(jù)信道收發(fā)機(jī)空閑,。在CUL表中不能有：
CUL[i].host=B且CUL[i].rel_time>T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
(b)保證本節(jié)點的數(shù)據(jù)信道收發(fā)機(jī)空閑,。在CUL表中不能有：
CUL[i].host=A且CUL[i].rel_time>T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
(c)保證本節(jié)點A有空閑的數(shù)據(jù)信道。至少一數(shù)據(jù)信道Dj滿足：
CUL[i].ch=Dj且CUL[i].rel_time<=T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
再把滿足條件的信道記入FCL表,，設(shè)置好NAVrts,、Fcl、N,、Tdl,、Ndl等域，向B發(fā)送RTS幀,。
(2)收到RTS幀后,，B檢查是否有匹配的空閑數(shù)據(jù)信道，能否滿足FCLA與FCLB有匹配項或者對DjEFCLA有：CUL[i].ch=Dj且CUL[i].rel_time<=T_curr+T_cts存在,。
(a)若滿足,，選擇一個空閑數(shù)據(jù)信道(如Dj)，設(shè)置NAVcts等域,，向A返回NAVcts(Dj,，NAVcts)幀。然后把數(shù)據(jù)信道收發(fā)機(jī)切換到Dj,，準(zhǔn)備接收DATA幀,。
(b)若不滿足，返回CTS(0,，T_est)幀,，其中T_est是B節(jié)點有空閑信道的最小估計時間。
(3)當(dāng)非目的節(jié)點收到RTS幀時,，控制信道上執(zhí)行退避,，以避免控制信道上發(fā)生沖突，退避時間為：
NAVrts=T_cts+T_res+2×T_sifs+2×T_prop
(4)收到B的CTS(Dj,，NAVcts)后,，節(jié)點A執(zhí)行：
(a)向CUL表中增加一表項：
CUL[i].host=B；
CUL[i].ch=Dj,；
CUL[i].rel_time=T_curr+NAVcts,；
(b)把數(shù)據(jù)信道收發(fā)機(jī)切換到Dj上發(fā)送DATA幀，發(fā)送完設(shè)置超時定時器。
(c)發(fā)送廣播幀RES(Dj,，NAVres),，其中：
NAVres=NAVcts-T_sifs-T_res-T_prop。
若收到的是CTS(T_est)幀,，則A退避T_est時間重新發(fā)送RTS幀,。
(5)非源節(jié)點C收到B返回的CTS(Dj，NAVcts)幀時：
(a)向CUL表中增加一表項：
CUL[i].host=B,；
CUL[i].ch=Dj,；
CUL[i].rel_time=T_curr+NAVcts
若收到的是CTS(T_est)，不做任何處理,。
(6)非目的節(jié)點收到來自A的廣播幀RES(Dj,，NAVres)時，向CUL表中增加一項：
CUL[i].host=B,；
CUL[i].ch=Dj,；
CUL[i].rel_time=T_curr+NAVres
(7)當(dāng)收到A的DATA幀時，B返回ACK幀：
(a)檢查DATA幀的Itrp位是否為0,，若是,，則回復(fù)ACK幀后終止通信。
(b)檢查DATA幀的Seq位,，確認(rèn)是否為重發(fā)幀，再根據(jù)情況決定是否丟棄DATA幀,。
(c)根據(jù)DATA幀的Ndl域值,，在回復(fù)ACK幀后設(shè)置超時定時器，若Ndl值為0,，表示源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，回復(fù)ACK后結(jié)束通信。若DATA幀錯誤或定時器超時回復(fù)ACK(Ack(0))以示重傳,。
(8)當(dāng)收到節(jié)點B的ACK幀時,，A回DATA幀：
(a)若ACK幀中Ack位為0，則重傳上一條DATA幀,，其中Seq位保持不變,。
(b)計算下一條數(shù)據(jù)傳輸完成后立即結(jié)束本次通信時刻會不會超過NAVcts值表示的時刻，若超過,，回復(fù)DATA幀中Itrp位置1,，就此終止通信。
若ACK幀錯誤或者定時器超時,，則重傳上一條DATA幀,。
本協(xié)議最大的優(yōu)點在于建立發(fā)送鏈表，結(jié)合自動重傳請求技術(shù)，實現(xiàn)連續(xù)的幀交換過程,，減少了控制幀交換次數(shù),，既增加數(shù)據(jù)信道上的通信時間，又減少了控制信道上的沖突,。
4 仿真結(jié)果分析
在相同的場景中,，從吞吐量、分組平均時延兩方面比較本文協(xié)議和DCA協(xié)議的性能,。仿真條件：在3 km×3 km的范圍內(nèi)放置50個節(jié)點,，最大通信距離為300 m，仿真時間為400 s,，分組長度1 024 B,，發(fā)包率服從Poisson分布，其中實時業(yè)務(wù)分組隨機(jī)產(chǎn)生,，數(shù)據(jù)分組幀間隔50 ?滋s,，實時分組幀間隔20 ?滋s。仿真結(jié)果對比如圖7,、圖8所示,。
DCA協(xié)議中，每條數(shù)據(jù)發(fā)送前需要進(jìn)行一次信道預(yù)約,，而本文協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信道上的連續(xù)幀交換過程,，一次信道預(yù)約可以完成多個分組交換，既大大避免了控制信道上的沖突,，又提高了數(shù)據(jù)信道上的平均通信時間,，系統(tǒng)的吞吐量和平均時延特性得到明顯改善。同時,，本文協(xié)議給實時業(yè)務(wù)規(guī)定較高的優(yōu)先級和較小的幀間隔時間,，可以保證先于普通數(shù)據(jù)分組接入信道，平均時延顯著低于數(shù)據(jù)分組,，因此可以從一定程度上為實時業(yè)務(wù)提供QoS保障,。
本文提供了一種支持QoS保障的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議，給不同種類的業(yè)務(wù)劃分不同的優(yōu)先級和幀間隔,，以保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)較早地接入信道,。同時把高層數(shù)據(jù)按其目的地址的不同建立發(fā)送鏈表。采用自動重傳技術(shù),，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的幀交換過程,，大大減少了控制信道上的沖突，提高了數(shù)據(jù)信道上的平均通信時間,，系統(tǒng)吞吐量和時延特性得到明顯改善,。
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