分析Ad hoc網絡多信道MAC協(xié)議設計與應用

1、【Word版本下載可任意編輯】 分析Ad hoc網絡多信道MAC協(xié)議設計與應用 無線自組織網絡即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一種不同于傳統(tǒng)無線通信網絡的技術。傳統(tǒng)的無線蜂窩通信網絡，需要固定的網絡設備如基地站的支持，開展數(shù)據(jù)的轉發(fā)和用戶服務控制。而無線自組織網絡不需要固定設備支持，各節(jié)點即用戶終端自行組網，通信時，由其他用戶節(jié)點開展數(shù)據(jù)的轉發(fā)。這種網絡形式突破了傳統(tǒng)無線蜂窩網絡的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署，適合于一些緊急場合的通信需要，如戰(zhàn)場的單兵通信系統(tǒng)。但無線自組織網絡也存在網絡帶寬受限、對實時性業(yè)務支持較差、安全性不高的弊端。目前，國內外有

2、大量研究人員開展此項目研究。 無線自組織網絡（mobile ad-hoc network）是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供應。 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，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。CUL表項有3個元素：CUL.host是A的一個鄰居地址，CUL.ch是被鄰居CUL.host占用的數(shù)據(jù)信道，CUL.rel_time指CUL.ch信道的釋

3、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，雙方可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信道上連續(xù)的DATA/ACK幀交換過程，直到通信完成或者到達預定通信時間。下面說明協(xié)議中的幾個重要規(guī)則。協(xié)議中用到的標識符含義如下表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)參加到相應鏈表中，發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表的構造形式如圖1所示。 Hld_Data_Elem是高層數(shù)據(jù)的表示構造，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)的到達時間。NL是鏈表頭構造，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，des

4、t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，網絡分配矢量NAVc

5、ts必須有效地預測數(shù)據(jù)信道Dj上的通信時間，NAVcts值被設為發(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+NAT_ack+2NAT_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)點區(qū)分到來是否是重復幀，正常情況下此位按0、1交替變化，在重傳時不發(fā)生變化

6、，這樣重傳時設置Seq位不變，對方節(jié)點便知道是重復幀而丟棄它；Itrp域是強制中斷位，正常情況下此位為1，當為0時，表示要求立即停止通信，之后雙方交換ACK幀結束本次通信。 系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)信道上的通信時間，當發(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，強制結束通信，如圖5中所示，目的節(jié)點收到DATA（Itrp（0）時，返回ACK幀，之后結束通信。 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權值的鏈表作為當前發(fā)送

7、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)機空閑。在CUL表中不能有： CUL.host=B且CUL.rel_timeT_curr+（T_rts+T_sifs+T_cts） （b）保證本節(jié)點的數(shù)據(jù)信道收發(fā)機空閑。在CUL表中不能有： CUL.host=A且CUL.rel_timeT_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.ch=Dj且CUL.rel_time=T_curr+（T_rts+T_sifs+T_cts） 再把滿足條件的信道記入FCL表，設置好NAVrt

8、s、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.ch=Dj且CUL.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)機切換到Dj，準備接收DATA幀。 （b）若不滿足，返回CTS（0，T_est）幀，其中T_est是B節(jié)點有空閑信道的估計時間。 （3）當非目的節(jié)點收到RTS幀時，控制信道上執(zhí)行退避，以防止控制信道上發(fā)生沖突，退避時間為：

9、 NAVrts=T_cts+T_res+2T_sifs+2T_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.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.rel_time=T_curr+NAVcts； （b）把數(shù)據(jù)信道收發(fā)機切換到Dj上發(fā)送DATA幀，發(fā)送完設置超時定時器。 （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

10、： （a）向CUL表中增加一表項： CUL.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.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.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.rel_time=T_curr+NAVres （7）當收到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ACK幀后終止通信。 （b）檢查DATA幀的Seq位，確認是否為重發(fā)幀，再根據(jù)情況決定是否丟棄DATA幀。 （c）根據(jù)DAT

11、A幀的Ndl域值，在回復ACK幀后設置超時定時器，若Ndl值為0，表示源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，回復ACK后結束通信。若DATA幀錯誤或定時器超時回復ACK（Ack（0）以示重傳。 （8）當收到節(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)傳輸完成后立即結束本次通信時刻會不會超過NAVcts值表示的時刻，若超過，回復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)議的優(yōu)點在于建立發(fā)送鏈表，結合自動重傳請求技術，實現(xiàn)連續(xù)的幀交換過程，減少了控制幀交換次數(shù)，

12、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 km3 km的范圍內放置50個節(jié)點，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)務分組隨機產生，數(shù)據(jù)分組幀間隔50 ?滋s，實時分組幀間隔20 ?滋s。仿真結果比照如圖7、圖8所示。 DCA協(xié)議中，每條數(shù)據(jù)發(fā)送前需要開展信道預約，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，信道預約可以完成多個分組交換，既大大防止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。 Ad hoc網絡一般有兩種構造：平面構造和分級構造。 在平面構造中，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式構造。 分級構造中，網絡被刈分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高的網絡。在高網絡中，又可以分簇，再次形成更高的網絡，直至。在分級構造中，簇頭結點負責簇間數(shù)據(jù)的轉發(fā)。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。 分級構造的網絡又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網絡中，所有結點使用同一個頻率通信。為了實現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網關結點（