一种按需分配的多信道无线自组网MAC协议

赵袁

（四川大学计算机学院，成都　610000）

一种按需分配的多信道无线自组网MAC协议

赵袁

（四川大学计算机学院，成都610000）

移动Ad Hoc网络；多信道；MAC；按需分配

0　引言

无线网络主要有两种组网方式，一种是有中心的无线网络，另一种是无中心的无线网络。最常见的有中心无线网络就是目前被广泛使用的蜂窝移动通信系统[1]，无中心的无线网络即无线自组网，也叫Ad Hoc网络。相比于有中心无线网络，在无中心无线网络中，每个节点不仅是信源、信宿，同时也是转发数据包的中间结点。在无线自组织网中，无线节点相互连接从而形成一个动态的、临时的、多跳的、自组织的无线网络，每个无线节点既充当信息的发送和接收者，又充当信息转发的角色。诸如无线传感器网络（Wireless Sensor Network）[2]、移动自组织网（Mobile Ad Hoc Network，MANET）[3]、无线 MESH网[4]等。

目前用于无线自组织网的MAC协议主要是基于竞争信道的IEEE802.11协议的各类改进协议，采用CSMA/CA的信道侦听和RTS/CTS机制来最大程度避免信道冲突，但是，当节点密度增大，网络负载高时，信道上的冲突仍会大量增加，网络性能大幅下降。多信道的引入可以有效解决这一问题，理论上，相互正交的信道可以互不干扰的进行通信，从而使得Ad Hoc网络中本处于冲突区域的节点可以在不同的信道上并发的同时通信，有效减少网络冲突。IEEE802.11标准提供了在频率上相分离的多个正交信道，表1列出了IEEE802.11/a/b/g协议信道频谱情况:

表1　802.11/a/b/g信道频谱

从上表可以看出，802.11标准提供了多个正交信道，为多信道技术提供了资源上的保证。

1　问题和研究现状

目前针对多信道的MAC协议已经有了较多的研究，提出了不少针对多信道的MAC协议。文献[5]提出的多信道MAC协议针对传统无线的信道分配，对节点移动性考虑较少。文献[6]提出了基于公共信道和基于收发信机信道进行信道预约和数据发送的多信道协议，提高了MACA协议对移动节点的支持。文献[7]提出了类似于IEEE802.11的MAC协议，将数据业务和控制业务流分别在不同的信道上进行传输，由于只考虑了一个数据信道，网络的并发效率并不高。文献[8]提出了一种对移动主机进行动态信道分配的协议，该协议要求两跳之内的移动主机必须分配彼此互不相同的信道。因此，只要两跳之内的任意一个主机的信道发生了变化，就需要大量地更新消息以保证该条件得以满足。文献[9]提到一种采用异步模式信道接入协议DCA，将网络中的一个信道作为专用控制信道，用于发送RTS、CTS等控制分组并协商通信信道，这种动态信道分配技术，可有效解决数据分组的冲突问题。

本文在总结现有多信道协议的特点和不足的基础上，提出一种按需分配的多信道MAC协议OM-MAC，在有效缓解常见控制信道饱和的问题的同时，解决了暴露终端节点和隐藏终端节点问题，使得信道利用率得到进一步提升。

2　协议设计思想

为使本协议能够正常工作和系统尽可能简化，作以下假定：

（1）网络中各个结点具有N（N>=2）个相互正交的信道，各个信道通信互不干扰。

（2）各个结点具有N个网络接口（网卡），各接口对应工作于一个正交信道上；各结点可同时对各信道进行侦听。

（3）各信道具有相同的传播范围，在某一时刻某节点同时收到不同节点的通信信号将产生信号冲突。

在网络中的N个正交信道中选择一个作为ACK信道，专门传输ACK分组。网络中的各个节点保存一个信道状态表，用来记录本节点的通信范围内除ACK信道以外的各信道使用情况，通过接收各个邻居节点的控制分组来实时更新该表，当有数据需要发送或接收的时候，节点读取该表选择合适的信道进行数据的收发。表2所示为节点A在某时刻的信道状态表。

表2　节点A某时刻的信道状态表

表中Channel_ID表示信道编号，分别从1到N-1（编号为0的信道作为ACK信道），Send表示信道的发送状态，“闲”表示该信道当前可发送数据，“T”表示该信道目前不可发送数据，还需等待T时间之后才可发送。类似的，Receive表示信道的接收状态，“闲”表示该信道当前可用于接收数据，“T”表示该信道目前不可接收数据，还需等待T时间之后才可接收。如表2中所示时刻，编号为0的信道可接收数据，不能发送数据；编号为2的信道可发送数据，不能接收数据，这样的信道称为单向空闲信道；编号为1的信道既能接收数据，也能发送数据，将其称之为空闲信道；编号为N-1的信道既不能发送数据，也不能接收数据，将其称之为忙信道。

当结点需要发送或接收数据的时候，查看自己的信道状态表，优先选择空闲信道进行使用，当没有可用的空闲信道时，再根据自己的收发需求选择对应的单向空闲信道，这是由于单向空间信道的存在表示当前节点有邻居节点正在使用该信道进行数据的收或发，也就是说当前节点是其某个邻居节点的暴露终端或者隐藏终端，使用单向空闲信道虽然也能完成数据的收发，但具有相对较大的碰撞风险，同时增加了信道的切换次数，从而使网络时延加大。当既没有空闲节点，也没有可用的单向空闲节点时，节点则暂缓数据的收发，等待有合适的可能信道出现。

本协议在MACAW的RTS/CTS/DATA/DS/ACK的基础上进行改进，最大限度地提高信道并行传输效率，其时序图如图1 所示。

3　协议的具体操作方法

每个节点开机时，都对自己的信道状态表进行初始化，将所有信道的收发状态设置为“闲”。然后开始侦听所有信道，按以下规则进行工作：

（1）当有数据需要发送时，生成一个RTS分组，在该RTS中携带本节点可用于接受分组的信道号，用来通知目标结点回复CTS分组可采用的信道，如果当前没有可用于接收数据的信道，则表明无法完成握手，放弃本次发送。否则，按上一节的规则选择一个空闲信道或发送空闲信道将该RTS分组发送到目标节点，然后等待目标节点回复CTS分组，如果在TCTS+SIFS时间内没有收到CTS分组，则切换另一信道进行发送。当尝试完所有可发送信道仍然不能收到CTS分组，则放弃本次发送。

（2）当节点收到一个RTS分组后，首先判断自己是否是目标节点，如果不是，丢弃分组，否则，查看RTS中携带的接收信道信息。设RTS中携带的可接收信道集合为A，目标节点信道状态表中发送空闲信道集合为B，当前接收到RTS的信道号为i。产生一个CTS分组，信道号i写入CTS中，作为数据分组的发送信道，然后按如下规则选择一个信道回送CTS分组：如果A∩B为空，则表明B的分组无法到达A，握手失败；如果i∈A∩B，则选择信道i；否则，在A∩B任选一个信道。

（3）节点收到CTS分组，首先取出CTS中携带的的数据发送信道号i，然后检查自己是否为目标节点，如果是，则等待SIFS后从信道i发送一个DS分组，再等待SIFS后，开始发送数据分组。如果不是目标结点，则根据CTS中的Duration将信道i的发送状态更新为TDS+TDATA+2×SIFS。

（4）节点收到DS分组，检查自己是否为目标节点，如果是，则丢弃，准备开始接收数据分组。否则，根据DS中的Duration将当前信道的接收状态更新为TDATA+SIFS。

（5）目标节点完成数据分组的接收后，立即在ACK信道回送ACK分组至源节点，表示数据成功接收。

（6）当某个信道的接收状态由T减为0时，并不立即更改该信道的发送状态为闲，而是对该信道进行物理载波监听（Physical Carrier Sensing，PCS），确认信道是否真的空闲，如果是，则更新该信道的发送状态为闲，否则持续监听该信道，直到其真正空闲，然后再更新信道的发送状态为空闲。

图1　OM-MAC协议的时序图

4　协议性能评估和仿真

本文利用网络仿真工具NS3对该协议进行仿真，并与IEEE802.11 RTS/CTS协议进行比较，评估协议性能。仿真中主要考虑2个性能指标:网络总吞吐率和平均分组时延；总吞吐量定义为单位时间内网络传输数据包的总大小，计算公式如下：

平均分组时延定义为平均每个分组从产生到正确接收所需要的时间，计算公式如下：

平均分组时延=

仿真参数设置如表3所示：

表3　仿真参数表

采用不同的发包间隔仿真10次，分别记录IEEE802.11 RTS/CTS在单信道下的总吞吐率和平均分组时延以及OM-MAC在不同信道数（不包含ACK信道）的总吞吐率和平均分组时延。

通过图2 可以看出，当采用OM-MAC的多信道协议后，由于各个信道可以无干扰的并行传输数据，网络的吞吐率有了大幅度的提高，当使用一个数据信道时，OM-MAC协议比IEEE802.11的吞吐率有小幅度的提高，这是由于通过专用信道传输ACK分组减少了部分的网络冲突。当信道数量增至两个以上时，Ad Hoc网络的冲突减少，多信道的并发优势开始显现，网络的吞吐率有了明显的提高。

通过图3 可以看出，当网络负载较小，数据传输量不大的时候，多信道的OM-MAC协议并不能有效减小网络的数据传输时延，这是由于此时的传输时延主要由网络本身特性所引发，例如数据发送速率，无线信道传输出错而导致的分组重传等，网络的信道冲突并不严重。当数据发送量加大，网络负载上升时，单信道的网络将产生大量冲突，引发大量的数据重传，平均分组时延急剧上升。而多信道的OM-MAC可有效减少网络冲突，从而降低网络的平均分组时延。

图2　OM-MAC协议吞吐率对比图

图3　OM-MAC协议平均分组时延对比图

5　结语

本文提出了一种按需分配的多信道无线自组网MAC协议：OM-MAC。该协议在普通信道上进行RTS/ CTS分组实现握手，通过引入DS分组解决握手失败时暴露终端无效等待的问题。通过专用ACK信道发送ACK分组使得暴露终端和隐藏终端得以利用“半冲突”信道实现单向数据传输，最大程度的提高了信道利用率。同时，协议在很大程序上缓解了常见的控制信道饱和问题，使得通过引入更多信道来提升网络性能的方法更加有效。最后，利用网络仿真工具NS3对OMMAC协议进行了仿真评估，并与IEEE802.11协议进行了对比。仿真结果表明，在网络总吞吐率和平均分组时延两项指标上，OM-MAC协议均表现出了良好的性能。同时，通过引入不同数量的信道，协议性能得以较大幅度提升，表现出了良好的拓展性。

[1]谢凯．无线Ad Hoc网络路由判据及多射频信道分配算法研究[D].合肥工业大学,2011.

[2]I.F.Akyildiz,W.Su,Y.Sankarasubramaniam,et al.Wireless Sensor Networks:a Survey[J].Computer Networks,2002,38：393-422.

[3]I.Chlamatac,M.Conti,and J.J-N.Liu,Mobile Ad Hoc Networking:Imperatives and Challenges[J].Ad Hoc Networks,2003,1：13-64.

[4]I.F.Akyildiz，W.Xudong.A Survey on Wireless Mesh Networks[C].Communications Magazine:IEEE,2005,43：23-30.

[5]Bertossi A,Bonuccell M.Code Assignment for Hidden Terminal Interference Avoidance in Multihop Radio Networks[C].IEEE/ACM Transactions on Networks,1995,3（4）：441-449.

[6]Joa-Ng M,LuIT.Spread Spectrum Medium Access Protocol with Collision Avoidance in Mobile Ad Hoc Wireless Network[C].In;Proc.of Eighteenth Annual Joint Conf.of the IEEE Computer and Communications Socienties:IEEE INFOCOM 99,Vol.2,New York,USA,March 1999.776-783.

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[8]Garcia-Luna-Aceves JJ,Raju J Distributed Assignment of Codes for Multihop Packet-Radio Networks[J].In:Proc.Of IEEE MILCOM' 97.Vol.1,Now.1997.450-454.

[9]蔡亮等．多信道通信协议研究进展[J]．科技信息，2010，13-15.

Ad Hoc Network;Multi-Channel;MAC;On Demand Assignment

An On Demand Channel Assignment MAC Protocol for Multi-Channel Ad Hoc Networks

ZHAO Yuan
(College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610000)

赵袁（1988-），男，四川南充人，研究生，研究方向为无线自组网络

2015-12-22

2016-01-10

多信道MAC协议在移动Ad Hoc网络中的应用可大幅提升其MAC层性能。现有的多信道方案大多采用划分控制信道和数据信道的方式来避免冲突，但在网络高负载时会碰到控制信道饱和的瓶颈问题，从而不能充分发挥多信道的优势。由此，提出一种按需分配的MAC协议：OM-MAC。该协议不专门划分控制信道，仅使用一个信道传输ACK，有效减少信号冲突，提高信道使用率。仿真实验证明，该协议在移动自组网中具有良好的通信性能。

The use of multi-channel MAC protocol in mobile Ad Hoc networks can greatly improve the performance of MAC layer.Most of the existing multi-channel schemes adopt the method of dividing control channel and data channel to avoid conflict.But when the network load is high,the bottleneck problem of control channel saturation is encountered,which cannot make full use of the advantages of multi-channel.Therefore,presents an on-demand channel assignment MAC protocol:OM-MAC.This protocol is not specifically divided into control channel,which uses only one channel to transmit ACK.This effectively reduces the signal conflict and improves the channel utilization ratio.Simulation results show that the protocol has good communication performance in mobile Ad Hoc networks.