支持QoS保障的Ad hoc网络多信道MAC协议

张香芝，沈明玉

(合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009)

无线自组织网络(Ad hoc)是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等式网络，又被称作多跳网络(Multi-hop Network)或自组织网络(Self-organized Network)[1]。随着自组网业务的多样化以及逐渐向公用网络领域渗透，服务质量QoS(Quality of Service)保障问题越来越重要，介质接入控制(MAC)协议是自组网QoS体系中最基本的部分，主要用来管理和协调多个用户共享可用的频谱资源，QoS路由和信令都要依赖它。MAC需要解决两个问题[2]：如何将频谱划分为不同的信道，如何将信道资源分配给不同的用户。在Ad hoc网络MAC协议领域，多信道技术成为研究热点，很多的多信道MAC协议能较好地解决信道争用、隐藏终端、暴露终端[3-4]，与单信道技术相比，其具有提高系统吞吐量、降低时延等优点[3-5]，但是大部分不能为实时业务提供QoS保障。本文结合多信道DCA[5]协议信道预约的思想，给不同种类的业务划分优先级和帧间隔，保证优先级高的业务较早地预约数据信道，同时把高层数据按目的地址的不同建立发送链表，实现数据信道上连续的帧交换，改善了系统吞吐量和时延特性。

1 协议基本思想

把整个信道分为1个控制信道和n个数据信道，这些子信道互不重叠且带宽相等，每个节点配置两部半双工收发机，1个用于控制信道，1个可在n个数据信道间切换使用。通信双方通过在控制信道上交换RTS/CTS/RES帧来预约数据信道，然后在数据信道上交换DATA/ACK帧进行通信。每个节点(如A)保存信道使用列表CUL[]和空闲信道列表FCL。CUL[]表项有 3个元素：CUL[i].host是A的一个邻居地址，CUL[i].ch是被邻居CUL[i].host占用的数据信道，CUL[i].rel_time指 CUL[i].ch信道的释放时间。FCL表可由CUL[]计算得出。

建立发送链表，采用自动重传技术，双方可实现数据信道上连续的DATA/ACK帧交换过程，直到通信完成或者达到预定通信时间。下面说明协议中的几个重要规则。协议中用到的标识符含义如表1所示。

表1 协议中用到的标识符含义

1.1 发送链表

按目的地址的不同把高层数据加入到相应链表中，发送数据链表的结构形式如图1所示。

图1 发送链表结构图

Hld_Data_Elem是高层数据的表示结构，pkptr指向高层数据，qos是描述分组优先级的整数值，实时(语音、视频等)分组比数据分组优先级高，ar_time是高层数据的到达时间。NL[]是链表头结构，具有同一目的地址的分组均放在此链表中，Hld_List是链表头指针，dest是目的地址，T_qos是表示此链表中所有分组的平均优先级权值，由链表中所有分组的qos和ar_time值决定：

Q、T分别为 qos和ar_time的比例度量值，data_num是当前链表中分组个数，T_qos值由链表中所有分组qos和ar_time值确定且实时更新。

1.2 控制信道规程

在控制信道上交换RTS/CTS/RES帧预约数据信道，RTS/CTS/RES帧格式如图2所示。

图2 RTS/CTS/RES帧格式

RTS帧中的N域表示发送链表中的高层数据个数；Tdl(Total data length)域是N个高层数据的总长度，目的节点可以结合N、Tdl域计算数据信道上的总通信时间。Ndl(next data length)域是节点A当前发送链表中下一个要发送的数据长度，用于节点B设置超时定时器。

要在数据信道上实现连续的帧交换功能，则在控制帧交换过程中，网络分配矢量NAVcts必须有效地预测数据信道Dj上的通信时间，NAVcts值被设为发送链表中的数据正常交换完成所需要的时间，NAVcts的计算过程如下：

源节点的当前发送链表中有4条数据，在数据信道上正常交换时的传输序列如图3所示，由此可以推出：

其中，若帧交换过程中出现异常需要重传，则数据信道上的通信时间将会大于NAVcts值，这种异常情况的处理见下文。

图3 正常的数据信道帧交换图

1.3 数据信道规程

数据信道上交换DATA/ACK帧，DATA/ACK帧格式如图4所示。

图4 DATA/ACK帧格式

DATA帧中的Seq域用于对方节点辨别到来是否是重复帧，正常情况下此位按0、1交替变化，在重传时不发生变化，此位是必要的，因为节点超时定时器发生超时，可能是正确的应答帧在链路上丢失造成的，这样重传时设置Seq位不变，对方节点便知道是重复帧而丢弃它；Itrp域是强制中断位，正常情况下此位为 1，当为 0时，表示要求立即停止通信，之后双方交换ACK帧结束本次通信。

系统记录数据信道上的通信时间，当发生重传时，源节点在发送本条数据时，计算发送链表中下一条数据正常传输结束的时刻会不会超过NAVcts值表示的时刻，如果超过，则把 Itrp位置 0，强制结束通信，如图 5中所示，目的节点收到 DATA(Itrp(0))时，返回 ACK帧，之后结束通信。A中未传完的数据依然留在发送链表中。因此，Itrp位保证了发生错误重传时，数据信道上总的通信时间不大于NAVcts表示的时间，既充分利用了信道资源，又及时释放信道不至于造成冲突。

2 本文协议的描述过程

本文协议的描述过程如下，其分组交换时序图如图6所示。

(1)节点(如 A)发送链表不全为空时，选择 T_qos权值最大的链表作为当前发送链表，其目的地址为节点B，在RTS帧前，节点A做三项检查：

(a)保证目的节点B的数据信道收发机空闲。在CUL表中不能有：

(b)保证本节点的数据信道收发机空闲。在CUL表中不能有：

(c)保证本节点A有空闲的数据信道。至少一数据信道Dj满足：

再把满足条件的信道记入FCL表，设置好NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl等域，向 B 发送 RTS 帧。

(2)收到RTS帧后，B检查是否有匹配的空闲数据信道，能否满足FCLA与FCLB有匹配项或者对DjEFCLA有：CUL[i].ch=Dj且 CUL[i].rel_time＜=T_curr+T_cts存在。

(a)若满足，选择一个空闲数据信道(如 Dj)，设置NAVcts等域，向 A返回NAVcts(Dj，NAVcts)帧。 然后把数据信道收发机切换到Dj，准备接收DATA帧。

(b)若不满足，返回 CTS(0，T_est)帧，其中 T_est是 B节点有空闲信道的最小估计时间。

(3)当非目的节点收到RTS帧时，控制信道上执行退避，以避免控制信道上发生冲突，退避时间为：

NAVrts=T_cts+T_res+2×T_sifs+2×T_prop

(4)收到 B的 CTS(Dj，NAVcts)后，节点 A 执行：

(a)向CUL表中增加一表项：

(b)把数据信道收发机切换到Dj上发送DATA帧，发送完设置超时定时器。

(c)发送广播帧 RES(Dj，NAVres)，其中：

若收到的是CTS(T_est)帧，则A退避T_est时间重新发送RTS帧。

(5)非源节点C收到B返回的 CTS(Dj，NAVcts)帧时：

(a)向CUL表中增加一表项：

若收到的是CTS(T_est)，不做任何处理。

(6)非目的节点收到来自A的广播帧RES(Dj，NAVres)时，向CUL表中增加一项：

(7)当收到A的DATA帧时，B返回ACK帧：

(a)检查 DATA帧的 Itrp位是否为 0，若是，则回复ACK帧后终止通信。

(b)检查DATA帧的Seq位，确认是否为重发帧，再根据情况决定是否丢弃DATA帧。

(c)根据DATA帧的Ndl域值，在回复ACK帧后设置超时定时器，若Ndl值为0，表示源节点数据发送完毕，回复ACK后结束通信。若DATA帧错误或定时器超时回复ACK(Ack(0))以示重传。

(8)当收到节点B的ACK帧时，A回DATA帧：

(a)若ACK帧中Ack位为0，则重传上一条DATA帧，其中Seq位保持不变。

(b)计算下一条数据传输完成后立即结束本次通信时刻会不会超过NAVcts值表示的时刻，若超过，回复DATA帧中Itrp位置1，就此终止通信。

若ACK帧错误或者定时器超时，则重传上一条DATA帧。

本协议最大的优点在于建立发送链表，结合自动重传请求技术，实现连续的帧交换过程，减少了控制帧交换次数，既增加数据信道上的通信时间，又减少了控制信道上的冲突。

4 仿真结果分析

在相同的场景中，从吞吐量、分组平均时延两方面比较本文协议和DCA协议的性能。仿真条件：在3 km×3 km的范围内放置50个节点，最大通信距离为300 m，仿真时间为 400 s，分组长度1 024 B，发包率服从 Poisson分布，其中实时业务分组随机产生，数据分组帧间隔50 μs，实时分组帧间隔 20 μs。 仿真结果对比如图 7、图8所示。

DCA协议中，每条数据发送前需要进行一次信道预约，而本文协议实现了数据信道上的连续帧交换过程，一次信道预约可以完成多个分组交换，既大大避免了控制信道上的冲突，又提高了数据信道上的平均通信时间，系统的吞吐量和平均时延特性得到明显改善。同时，本文协议给实时业务规定较高的优先级和较小的帧间隔时间，可以保证先于普通数据分组接入信道，平均时延显著低于数据分组，因此可以从一定程度上为实时业务提供QoS保障。

本文提供了一种支持QoS保障的Ad hoc网络多信道MAC协议，给不同种类的业务划分不同的优先级和帧间隔，以保证高优先级业务较早地接入信道。同时把高层数据按其目的地址的不同建立发送链表。采用自动重传技术，实现了数据信道上连续的帧交换过程，大大减少了控制信道上的冲突，提高了数据信道上的平均通信时间，系统吞吐量和时延特性得到明显改善。

[1]郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]RAMANATHAN R，REDI J.A brief overvirew of Ad hoc network:challenges and directions[J].IEEE Communication Magazine， 2002，40(5):20-22.

[3]SO J，VAIDYA N.A multi-channel MAC for Ad hoc wireless networks[J].Dept.of Electrical and Computer Engineering，2003(1):254-257.

[4]JIN K T，CHO D H.Multi-code MAC for multi-hop wireless ad hoc network[C].Vehicular Technology Conference 2002 Proceedings， USA.2002，2:1100-1104.

[5]WU Shih-Lin， TSENG Yu-Chee， LIN Chih-Yu， et al.A new multi-channel MAC protocol with on-demand channel assignment for mobile Ad hoc networks[C].Dallas:in Proc.of the International Symposium on Parallel Architectures，Algorithms and Networks(I-SPAN)，2000:232-237.