短波自组织网络HFMACA协议研究

王洪民，脱永军，陈劲尧，白 翔

(1.海军信息化部，北京100841;2.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

无线Ad Hoc网络是一种自组织的对等式网络，又称作多跳网络(Multi－hop Network)或称自组织网络(Self－ organized Network)［1］。自组织网络具有分布式、无中心、自组织、节点可移动等特点［2］，在军事通信、野外通信、应急通信等领域有广泛的应用前景［3］。短波自组织网络和其他无线网络相比，其采用的短波信道存在着信道带宽有限，信道速率低、时变、衰落和多径等特性。因此短波链路具有误码率较高、不稳定、存在单向信道和距离无关等特性。

因此，如何解决多个用户高效、合理地共享有限的短波信道资源这一问题，即媒介访问控制(MAC)协议的设计是短波自组织网中的关键技术之一。其好坏直接影响到网络容量、时延等性能指标的优劣。

短波自组织网MAC协议的难点主要体现在以下几个方面:

1)分布式控制。在类似于蜂窝移动通信系统中使用的有中心的信道接入技术是由中心控制点来协调节点间信道的分配。而在自组织网中，没有中心控制实体进行全局的资源管理与分配，只能采用分布式的控制机制来实现网络中节点接入的协调，增加了协议设计的难度。

2)网络拓扑结构的动态变化。自组织网中的节点通常会处于移动状态，并且随机地离开或加入网络，这就导致节点间相互干扰关系的改变。同时，网络中的业务负荷也在不断变化，有时很轻，有时很重。自组织网的MAC接入协议应当适应这些动态变化，以获得优良的性能。

3)隐藏终端和暴露终端问题［4］。自组织网络中节点的移动性和多跳性带来了隐藏终端和暴露终端的问题。隐藏终端是指在接收者通信范围之内，而在发送者的通信范围之外的节点。暴露终端是指在接收者通信范围之外，而在发送者通信范围之内的节点。由于发送者看不到隐藏终端，所以其存在可能造成数据冲突，而暴露终端的出现则可能会使网络资源无法得到充分的利用。

文中在MACAW(Multiple Access Collision A-voidance for Wireless，无线多路访问碰撞回避)［5］协议的基础上，针对短波网络的特点进行了改进，提出了短波多路访问碰撞回避协议HFMACA，并对其进行了仿真分析，在短波自组织网MAC协议的研究和设计上进行了初步的探索。

1 MACAW协议简介

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)协议是对MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改进，除了保留MACA中的RTS(Request to Send，请求发送)－CTS(Clear to Send，允许发送)握手机制外，还增加了其他的控制信令，包括 ACK(Acknowledgment，数据响应)、DS(Data Sending，数据发送)、RRTS(Request for Request to Send，发送RTS的请求)，以进一步解决隐藏终端和暴露终端带来的各种问题。

MACAW协议的主要设计原理如下。

1)链路层采用5次握手的确认机制:MACAW采用RTS－CTS－DS－DATA－ACK五次握手机制。如果发送方超时没有收到接收方回应的CTS消息，则重发RTS消息;如果接收方接收到数据，则向发送方反馈ACK消息，否则反馈CTS消息。发送方重发RTS消息时，如果超时没有收到数据，则退避计数器的值增加;如果收到ACK，则退避计数器的值减小;如果收到CTS，退避计数器的值不变。采用这种方法进一步提高了信道的利用率。

2)采用DS帧以减少可能由隐藏终端带来的冲突:在成功交互RTS和CTS后，由发送方发出DS帧，通知隐藏终端本节点与目的节点握手成功，减少数据帧的冲突。

3)采用RRTS帧提高竞争的公平性:当暴露终端不断的收到RTS，而这些RTS消息又不是针对自己的时，将一直保持退避状态，无法获得发送数据的机会，造成资源使用的不公平现象。为解决此问题，已经获得发送机会的节点在发送完数据后，发起RRTS消息，通知邻近的暴露终端新的竞争期开始，收到RRTS的节点可立即发送RTS，从而提高了竞争效率，此时协议采用 RRTS－RTS－CTS－DSDATA－ACK六次握手的交互方式。

4)使用乘法增加线性减少的退避算法:在发送数据报文时，报文中携带本站的退避计数器值，收到报文的站根据此值在本地设置相同的退避计数器值。当传输完成后，所有的退避计数器恢复到最小值。同时使用乘法增加线性减少退避算法(MILD，Multiplicative Increase and Linear Decrease)，计数器值以1.5的比例增加，以1的步长减少。此外，可以为不同的目的站维护多个退避计数器值。通过这些措施，在一定程度上解决了公平性问题。

从以上分析可以看出，MACAW协议的优点是设计了较为完备的信令交互机制，最大可能的避免了数据冲突，同时在竞争的公平性方面也有较全面的考虑。但该机制应用在短波通信中时，则存在控制信息交互次数太多的缺点，一方面由于无线设备的发送和接收都需要一定的转换时间，这将显著地降低数据传输的效率，另一方面，由于短波具有误码率较高以及时变的特点，一次通信的流程越复杂，其失败的概率也就越高，因此，有必要针对短板特点对MACAW协议进行简化。

2 HFMACA协议研究

2.1 HFMACA协议基本思想

HFMACA协议同样使用控制帧握手来基本解决隐藏终端和暴露终端的问题，并在发生冲突时使用MILD退避算法进行退避。该协议在MACAW协议的基础上，针对短波网络的特点进行了改进，在保留了MACAW协议信道访问控制的机制的基础上，简化了节点间的握手和交互过程，进一步提高了协议的效率。

2.2 HFMACA协议运行机制

HFMACA协议使用了以下四种帧，分别是:请求发送(RTS，Request to Send)、允许发送(CTS，Clear to Send)、数据发送(DS，Data Sending)和上层的数据(Data)。除了Data外，所有的控制帧都有一个退避值字段，收到控制帧的非目的节点均要拷贝下这个值并退避相应时间。数据通过RTS－CTSDS－DATA四次握手过程完成传递，消息交换示意图如图1所示。

图1 HFMACA消息交互示意Fig.1 Message exchange schematic diagram of HFMACA

在图1中，节点C在A的通信范围之外，节点D在B的通信范围之外。当A给B发送数据时，发送方式为RTS－CTS－DS－DATA。RTS和CTS为固定长度，用于预约信道。A在收到CTS后先发送DS通知邻近站点(D和E)退避，然后发送数据，基本解决暴露终端和隐藏终端的干扰。除了接收节点以外，收到帧的节点拷贝帧中的退避值并设置定时器进行退避。例如:

1)在A的范围内，B范围外的节点D，在收到A发出的RTS时，拷贝RTS中退避值并设置定时器保持静默状态，以便让A顺利发送RTS和收到CTS;若收到的是DS，那么拷贝DS中的退避值并设置定时器保持静默状态，以便让A顺利发送DATA。

2)在A的范围外，B范围内的节点C，在收到B发出的CTS后知道信道被预定，拷贝CTS中的值并设置定时器保持静默状态，以便让B顺利收到DATA。同时在A和B范围内的节点E在收到RTS或CTS或DS时都要设置定时器并保持静默状态足够长的时间，以便让AB间的通信顺利进行。

HFMACA协议中的退避算法采用的是MILD算法，即乘法递增线性递减算法。由于HFMACA协议采用信道预约的方法，所以只有发送RTS时需要竞争信道。首先根据节点数和业务量选择一个原始退避时间间隔x，当检测到冲突时，将退避间隔时间调整为原退避时间间隔的 1.5倍，Tinc(x)=min［1.5x，BOmax］，其中的 BOmax为最大退避时间间隔;每成功完成一次发送，就将退避间隔时间调整为原退避时间间隔减 1，Tdec(x)=min［x－1，BOmax］。

在该协议中网络数据的优先级分为4级，优先级高的数据需要优先发出，采用以下方法:对每一个优先级，设定一个退避时间间隔增量Δt，优先级越高的退避时间间隔越短。最高优先级1退避时间间隔可设置为0，即 Δt1=0;其它 Δt1＜Δt2＜Δt3＜Δt4。实际的退避时间取值为x+Δt;若发生冲突，退避时间为Tinc(x)+Δt;若成功完成一次发送，退避时间调整为 Tdec(x)+Δt。

综上，HFMACA协议与MACAW协议相比，主要做出了如下的改进:

1)MACAW协议中的ACK一方面用于表示一次数据传输过程的结束，另一方面用于对数据本身进行确认。在HFMACA中，由于在DS帧中增加了退避时间字段，用于保证DATA的传输不受干扰，当退避时间结束后，即可进行新一轮竞争，而不需要等待ACK消息。需要说明的是，HFMACA协议不提供数据的可靠性保证，数据的确认及是否重传等由上层应用负责。

2)去掉了RRTS帧，减小了协议的复杂性。虽然由此有可能带来资源使用不公平的问题，但当网络规模较小时，该问题不算明显，因此HFMACA协议适用于小规模的网络。

2.3 HFMACA协议性能分析

(1)网络容量

HFMACA协议采用了基于RTS－CTS的请求应答握手机制来竞争信道使用权，网络的容量和业务量的多少以及频繁程度密切相关。在业务量较少，且发送频度较低时，网络可以支持大量用户同时在网，同时节点入网不需要额外的开销和协议，开机即入网。但是当网络业务量增加或网络中各点的业务比较平均时，网络中各个节点发生碰撞的概率大大增加，虽然可以通过退避机制来在一定程度上解决冲突问题，但是势必会浪费大量的时间，业务传输的成功率也会大大下降。因此，在需要保证业务的成功率和业务频度的条件下，网络的容量不可能太大。

经过仿真分析，信道误码率在10－3量级，速率2 400 b/s，业务长度1 KB时，网络用户数目、业务密度与业务成功率之间的关系如表1所示。表1中的业务发送间隔时间指的是网络中所有节点根据业务间隔时间发起1 K字节大小的数据，业务发送的时间点将在业务间隔时间到时附近±5%波动。

表1 用户数量、业务密度与业务成功率间关系Table 1 Relationship between user number，traffic density and traffic success rate

可以看出，用户数量增加后，随着业务发送间隔时间缩短，业务性能下降。如果网络需要支持32个节点，且要求业务成功率为80%左右，则网络只能支持稀疏业务，即业务发送的间隔时间不能低于20 min。

(2)业务传输时延

在HFMACA网络中，如果只考虑发送成功的业务的传输时延。这个时延将会是节点竞争信道的时间+业务在信道上传输的时间。根据协议设计的原则，节点在第一次竞争失败时，将会退避一段时间再次竞争，如果3次竞争失败，则本次业务失败。

因此，对于HFMACA网络来说，业务传输时延将会是一个相对比较固定的数值，最小是:TRTS+TCTS+TDS+TData，约为3.6 s，而最大是 3 × (TRTS+TCTS+TDS)+T退避1+T退避2+TData，这个时间主要取决于原始退避时间，可能会在一定范围内波动。

当信道误码率在10－3量级，业务长度为1 KB时，32个节点的网络在不同速率，不同业务发送间隔时间下，业务传输时延情况如表2所示。

表2 业务传输时延Table 2 Traffic delay(unit:second)

可以看出，业务发送频率大于10 min时，业务传输时延基本保持平稳，进一步减少业务间隔时间后，时延明显增大。

3 结语

MAC层接入协议的作用是使多个用户高效、合理地共享有限的信道资源。短波自组织网络具有节点移动、分布式控制、链路误码率较高、不稳定等特点，其MAC层接入协议的设计面临许多新的挑战。文中针对短波网络的特点，对MACAW协议进行了适当改进，提出了短波无线多路访问碰撞回避协议HFMACA，并对其容量、业务成功率、业务传输时延等性能进行了仿真分析，对短波自组织网MAC协议的研究和设计具有一定的参考意义。

［1］RAMANATHAN R，REDI J.A Brief Overview of Ad Hoc Networks:Challenges and Directions［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(05):20 －22.

［2］于宏毅.无线移动自组织网［M］.人民邮电出版社，2005:23.YU Hong－yi.Wireless Mobile Ad Hoc Network［M］.Posts and Telecom Press，2005:23.

［3］候祥博，王一强，杨金政.移动Ad Hoc网络技术研究及应用［J］.通信技术，2009，42(08):16 －20.HOU Xiang － bo，WANG Yi－ qiang，YAN Jin － zheng.Mobile Ad Hoc Network Technology and Its Application［J］.Communication Technology，2009，42(8):16 －20.

［4］马继燕.无线Ad hoc网络异步MAC层接入协议研究［J］.数字通信世界，2008(04):54－56.MA Ji－yan.The Research of Asynchronous MAC Access Protocol for Wireless Ad Hoc Network［J］.Digital Communication World，2008(04):54－56.

［5］LUNDY G M，ALMQUIST M，ORUK T.Specification，Verification and Simulation of a Wireless LAN Protocol:MACAW［C］//IEEE Military Communications Conference Proceedings.USA:IEEE，1998:565 －569.