一种改进的自组网动态信道分配协议＊

2012-06-07陈金来王忠思

舰船电子工程 2012年10期

伊鑫陈金来王忠思

（海军蚌埠士官学校蚌埠 233012）

1 引言

自组网（ad hoc networks）MAC协议需要控制节点对无线媒体的占用，一直是自组织网络应用研究的重点和难点之一。MAC协议的性能将直接影响到整个网络的性能，如吞吐量、时延及时延抖动等。采用单一信道面临的一个共同问题是随着节点数的增加，节点间的竞争以及报文的冲突加剧，这使得网络性能急剧下降。在单信道网络中，系统的吞吐量受限于信道带宽，而且难以对QoS进行支持。采用多信道能有效地解决以上问题，由于网络中存在多个相互正交的信道，不同的节点可以同时在不同的信道上进行无碰撞传输，这将使系统地吞吐量得到很大的提升，其灵活的信道接入方式也使得QoS支持更加容易。随着技术的进步，现在已经有可以通过一个DSP控制多达260个信道的无线设备，信道间的切换可以在1μs内完成，因此节点采用廉价而简单的设备就可以构建多信道网络，以满足人们对宽带业务的需求［1］。本文将针对动态信道分配协议（DCA）［2］信道利用率不高的问题，对其进行改进以提高网络的信道利用率。

2 DCA多信道MAC协议

DCA多信道MAC协议是由专用控制信道、两个RF的多信道MAC协议。DCA的设计思想是使用一个固定信道传输控制分组，其他的信道传输数据分组。每一个节点有一个控制收发器和一个数据收发器，可在控制信道和一个数据信道上同时监听。控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题，控制收发器在控制信道上与其它终端交换控制信息，得到接入数据信道的权利；数据收发器动态地切换到一个数据信道上进行数据传输。

DCA协议实现简单，而且不需要网络的同步，可以有效地提高网络的吞吐量，降低了网络时延，通过使用专用的控制信道，使路由发现、路由维护、地址解析等广播信息有效地传输。但是，当信道总数很少时，一个特定的控制信道是非常浪费的。如802.11b只有三个信道，一个专用的控制信道相当于33%的总信道带宽成为了控制开销［2］。基于此，本文对DCA协议进行一些改进，使一些短报文可以在控制信道上进行传输，从而提高了信道的利用率。

3 改进协议的描述

3.1 协议改进的思想

假设网络中有N个节点和M（N＞M）个可用信道，选择其中一个信道为网络中的控制信道，其余M－1个信道为所有节点按需预约的数据信道。每个节点增加一个报文阈值变量Traffic＿on。Traffic＿on用来决定节点是否通过控制信道来发送该报文，报文长度若大于Traffic＿on，按照DCA协议的方式进行信道预约和报文传输，报文长度小于Traffic＿on时，则直接以MACA的方式在公共信道上进行传输，目的节点收到报文后回复ACK。因为短报文发生冲突的概率与握手信号发生冲突的概率相当，而且报文重传的开销不大，所以短报文不通过握手信号进行传输，报文发生冲突时在二进制指数退避后重传。Traffic＿on的选择对网络性能有很大的影响，Traffic＿on太大将影响邻居节点正常预约信道，在具体的网络环境中可调整Traffic＿on的值，从而使网络性能最优。图1为三个数据信道时协议的示意图。

图1 改进后协议信道介入规程

3.2 协议操作方法及步骤

步骤1：初始化

每个节点开机时都要对CUL（可用信道表）和FCL（空闲信道表）表项以及变量Traffic＿on进行初始化。

步骤2：驻留空闲信道

没有数据发送的节点处于空闲状态，控制收发器对控制信道进行监听，并且对CUL和FCL进行维护，此时需要处理如下情况：

如果收到上层要发送的数据或是有需要转发的数据，跳转到步骤3。

如果收到RTS，检查RTS的目的节点是否为本节点，如果是，则根据RTS中的FCL，结合本节点的CUL，选择一个可用信道并通过CTS回复。

如果收到CTS或TC，则根据CTS或TC中预约的信道更新本节点的CUL和FCL。在数据信道的预约过程中，由于RTS的发送使得邻居节点进行回退，因此CTS和TC通常可以无冲突地被正确接收。

收到数据报文，查看数据报文的目的节点是否为本节点，如果是发送本节点的报文，则回复ACK，否则丢弃。

步骤3：数据发送

假设节点i有数据向节点j发送，节点i首先比较报文长度和Traffic＿on，判断此报文是否为短报文，对于长报文，如果节点i有空闲信道可用，则以MACA的方式发送RTS，RTS中携带本节点的FCL和信道预约时长，否则继续驻留控制信道，当邻居节点释放数据信道后，节点进行随机退避以避免其它节点同时竞争此信道，然后再发送RTS。当收到节点j的CTS后，节点i根据CTS中选择的信道，发送TC报文告知邻居节点更新CUL和FCL，数据信道切换至预约信道上发送报文。对于短报文，节点i以MACA的方式在控制信道上发送该报文，如果没有收到目的节点的ACK，则进行二进制指数退避，然后重传。

步骤4：数据接收

节点j收到目的节点为本节点的RTS，更新自己的CUL和FCL，回复携带预约信道的CTS后，数据收发器切换到预约到的信道接收数据。

4 协议性能分析

如图2，本文假设网络中有一个控制信道和三个数据信道，所有的信道带宽相同，则控制信道所占的比例α＝0.25，传输半径R和传播时延τ都设为1，数据包传输时间tdata＝1000τ，RTS和CTS包的传输时间设为5τ，假设短报文和长报文等概率出现，ttrafficOn、tack、ts＿delay、tslot（ttrafficOn、tack、ts＿delay、tslot分别为短报文传输时间、应答报文传输时间、传输时延和短报文传输间隔）设为20τ、5τ、5τ、10τ，图2显示了在平均节点数M1为3的情况下，改进后的协议和DCA协议中信道的吞吐量与数据包发送概率p′之间的关系。

图2 协议吞吐量比较

改进后协议的吞吐量得到了显著的提高，这是因为改进后的协议在控制信道空闲的时候进行短报文的传输，提高了信道的利用率，同时，数据信道并不是同时达到最大的吞吐量的饱和状态，这是因为在DCA协议中，当没有可用数据信道时，控制信道处于空闲状态，而改进后的协议在控制信道空闲状态下发送短报文，所以随着报文发送概率p′的增加，网络的吞吐量还有一定的提升。当报文发送概率继续增大时，报文的冲突的概率增大，网络的吞吐量也随着急剧下降。