一种基于双忙音多址接入的无线自组网IDBTMA 协议研究

洪 增，王 平，张洪刚

(1.解放军69240部队，新疆 乌鲁木齐830011；2.解放军69242部队，新疆 吐鲁番838000)

0 引 言

目前，无论在民用领域还是军用领域，无线自组织网络的发展非常迅猛，尤其是在无人机集群中的应用越来越广泛[1]。无线自组织网络具有高动态性、节点易失效、突发性流量高[2]等特点，存在多个节点同时接入信道。由于碰撞、空闲侦听等原因可能造成吞吐量显著下降、时延增大等现象，导致信道资源的浪费。为了高效、有序、公平地使用信道资源，适当的媒体接入控制(MAC)协议必不可少，因此对无线自组织网络的接入控制(MAC)协议研究具有非常重要的意义。

本文主要研究内容是在双忙音多址接入(DBTMA)协议的基础上提出了一种改进型的DBTMA(IDBTMA)协议，提高信道利用率和降低网络时延。

1 相关研究

在无线自组织网络MAC协议研究方面有很多的成果，比较典型的有ALOHA协议、CSMA及CSMA/CA协议、DBTMA协议[3]等，ALOHA协议是基于单信道的最简单的发送方主动的竞争类MAC协议，ALOHA 协议非常简单，几乎没有控制数据占用信道资源。在网络负载较轻时，ALOHA协议表现良好，但随着网络负载的加重，碰撞发生的概率不断提高，网络吞吐量变得很低。在ALOHA协议中，由于各个节点的发送是相互独立的，节点间发生碰撞的概率很高。为改善这一情况，提出了载波监听多址协议(CSMA)。在该协议中，发送节点首先对信道进行载波监听，当确定没有其它节点使用信道时再进行发送。CSMA协议不能完全避免碰撞的发生，因为还存在不同的节点同时监听、同时发送的可能性。但相比于ALOHA 协议，CSMA 协议已经使碰撞发生的概率大大降低。CSMA/CA协议是对CSMA协议的增强，是基于碰撞避免(CA)机制的CSMA协议。在CSMA/CA协议中，当节点侦听到信道空闲后并不直接进行发送，而是等待信道保护预定的一段静默时间后才发送，静默期允许最差情况下的传播时延和处理时延。

双忙音多址接入协议(DBTMA)是针对节点高速移动或网络负载较重情况下RTS/CTS帧发生碰撞的概率较大的问题提出的，双忙音多址协议不仅提高了效率，而且使隐含终端和暴露终端问题得到了很好的解决。

虽然ALOHA协议、CSMA及CSMA/CA协议、DBTMA 协议在各自的应用场景解决了一些问题，但是仍有一些缺点需要改进，比如网络环境较差时产生较大的网络时延，握手期间数据信道处于闲置状态，无线信道没有得到充分使用等。

针对ALOHA协议、CSMA及CSMA/CA协议、DBTMA 协议的缺点，本文在双忙音多址接入(DBTMA)协议的基础上进行改进，提出一种新的无线自组织网络协议IDBTMA。

2 IDBTMA 协议

2.1 双忙音多址接入协议(DBTMA)

双忙音多址接入(DBTMA)协议是一种竞争类接入协议，综合了BTMA和RTS/CTS 的优点，能使系统性能得到进一步提高。在控制信道的使用上，双忙音多址接入协议还使用了2个控制信道上的忙音来标示信道的状态[4]。同样，DBTMA协议将信道划分为控制信道和数据信道，控制信道上传输控制分组，数据信道传输数据分组，除此之外，还在控制信道上额外增加了传送忙音BTt和接收忙音BTr，这2个窄带忙音频带彼此分离、互不干扰。控制信道、数据信道及忙音信号的频谱分布如图1所示。

图1 控制信道、数据信道及忙音信号的频谱分布

双忙音多址接入协议的工作流程如图2所示。

图2 双忙音多址接入协议工作流程图

通信过程中的时隙图如图3 所示。在通信期 间，与RTS/CTS握手方法相比，双忙音多址协议不仅提高了效率，而且解决了暴露终端和隐含终端的问题。分析原因：一是在双忙音多址协议中RTS/CTS不再担负预约信道任务，仅用来探测节点状态(是否空闲)；二是隐含终端可以接收到BTr信号，不会与其它节点同时发送数据而产生信道冲突，暴露终端接收不到BTr信号时，虽然不能接收数据，但是可以发送数据。

图3 发送过程时隙图

虽然DBTMA协议使系统效率得到了提高，并且使暴露终端和隐含终端问题得到了较好的解决[3]，但是该协议解仍有一些需要改进的空间。一是信道使用效率方面仍需要提高，主要表现为控制信道在数据信道传送数据时始终处于空闲状态，而控制信道交互时，数据信道也处于空闲状态，一定程度上造成信道资源浪费；二是节点在控制信道相互交互时，没有忙音来提供保护，这就容易造成节点受到其它节点干扰；三是MILD 退避算法随着节点数目持续不断增多时，线性递减变化就会变慢，导致节点的竞争窗口值经常处于不合理的范围之内，网络性能就会变差。

2.2 IDBTMA 协议

与双忙音多址协议相比，IDBTMA 协议依然使用控制信道和忙音信道来完成数据传输工作，不同的是，IDBTMA协议在接收节点使用WTR(want to receive)信号和ACK 确认信号来代替RTS/CTS会话，为了克服控制信道交互没有忙音保护的现象，节点在控制信道相互交互过程中会发送BTr和带有本节点标识符BTr忙音信号，以此来保障数据在信道上能安全发送。

IDBTMA 协议工作流程如图4所示。

图4 IDBTMA 协议工作流程图

一次通信过程时隙图如图5所示。

在通信过程中，节点通过信道发送数据的过程称为泊松过程。在发送过程中，信道状态的检查不会存在误检，暴露终端、误码现象及报文处理时间在信道传输数据时可以忽略不计，故系统参数假设如下：单位WTR信号和ACK确认信号的长度同为γ，单位数据报文长度、信道时延、数据平均成功到点率分别为δ、τ、λ，在T0时间内数据总的成功到点数为Z，信道利用率为S，数据在信道传输的周期由占用期和空闲期构成构成，其中占用期是指在占用期时间内信道上始终有数据发送和接收，反之称之为空闲期。可以得出如下公式：

图5 收发过程时隙图

式中：为通信过程中数据成功传输所花费的时间。

在同一个模块内，数据和忙音实现收发，因此网络节点必须以固定的间隔周期来检测通信信道状态(忙音或空闲)。在这里设忙音的误码率为P e，因此得到网络节点检测信道为空闲错误的概率P b为：

在系统中，数据在信道中被传输，网络节点成功接收一个数据报文的过程简要表示为：首先WTR被传输成功，其次信道上数据报文传输成功，最后ACK 确认符回执成功。于是成功接收数据报文的概率P s为：P s=数据被成功接收的概率=WTR 被成功接收的概率。

在发送节点所在通信范围内，接收WTR 成功的概率是指在其接收WTR 期间，只有1个数据报文到达的概率。当然稳定性这一因素的影响不能不考虑到，于是得到：PWTR=WTR被成功接收的概率=(在τ内只有1个WTR到达)/(在τ内有WTR到达)的概率。

可以得到：

WTR 被成功接收后，如果接收数据也成功，其它网络节点在检测信道状态时不会出现误检测的情况，那么WTR被接收成功，成功接收数据的概率为：PDATA=(数据被成功接收)/(WTR被成功接收)的概率=其它有数据需要接收的节点未检测到信道空闲的概率。

数据一旦接收成功后，那么成功接收确认信号ACK 的条件是：隐含终端的报文数据在最大传输时延τ内没有到达或者信道内没其报文，原因是在通信网络内，隐含终端与非隐含终端的比为η，于是得到隐含报文的到达率为λ×η，成功接收数据后，接收确认信号ACK 成功的概率为：PACK=在τ内没有WTR 到达的概率。

于是得到：

可以得到：

成功传输1个数据报文的时间包括：传输WTR 花费的时间，传输数据报文花费的时间，传输确认信号ACK花费的时间以及信道时延，于是接收数据成功的时间T S为：

未成功接收数据的时间包括信道上WTR 冲突时间、确认信号ACK冲突时间以及数据报文冲突的时间，由三者之和构成。而冲突时间又由信道时延和冲突报文的叠加长度二者之和组成。考虑到数据在信道上送达的过程为泊松过程，所以可以近似认为冲突报文的叠加为平均分布，于是分别得到WTR 冲突时间为，确认信号ACK 的冲突时间为，数据报文冲突时间为，所以：

当然，数据在信道上传输成功花费的时间和传输不成功花费的时间之和称之为信道的占用期。那么信道占用期表示为：

在信道上传输数据成功的时间为：

前面提到网络节点必须以固定的间隔周期来检测通信信道状态(忙音或空闲)，这里固定的间隔是指1个符号周期，通过1个符号周期才能检测信道状态是否为空闲，因此信道状态为空闲的时间是由M个长度为T0的时隙组成，则M的平均值为：

式中：P0=在T0内无WTR 到达的概率=e-G。

另外，在接入信道前，网络节点需要在连续n个符号周期内检测信道状态为无忙音。因此，信道的空闲期为：

综上，可以得出信道的利用率为：

3 模拟仿真

本文设计场景为无人机集群以相似角速度的环状航行[5]，仿真了在不同网络负载下ALOHA协议、CSMA/CA 协议及IDBTMA协议的信道利用率和平均时延，使用OPNET 软 件[6]仿真结果分析如下：当信道速率为2 Mbps，数据分组长度服从参数为1 024 bytes的指数分布，每个网络节点发送功率参数设置为默认且均为数据源，无线传播时延参数设置为1μs，接收数据报文功率门限参数设为默认值，缓存区内存参数设置为250 Mb。ALOHA 协议，CSMA/CA协议，IDBTMA协议在不同包到达率情况下的信道占用率如图6 所示：包产生率在200 packets/s 以 下 时，ALOHA、CSMA/CA、IDBTMA 3个协议性能接近。此时，信道资源未被充分利用，碰撞发生的概率较低。随着包产生率的提高，信道利用率达到峰值。由于改进型DBTMA 能够避免由于隐藏终端和暴露终端产生的碰撞的发生，因而IDBTMA协议的信道占用率性能明显优于ALOHA、CSMA/CA 协议。

图6 信道利用率随网络流量的变化

在网络流量较低的情况下，碰撞发生的概率极低，延时主要由控制信息的交换、节点处理信息耗时造成。CSMA/CA的控制信息交换机制比改进型DBTMA协议控制信息交换机制简单，因而CSMA/CA 协议的时延小于IDBTMA协议。ALOHA 协议几乎没有控制信息，时延比前两者都要小。但随着流量的增大，碰撞成为决定时延大小的主要因素，IDBTMA 协议优秀的碰撞回避机制，使其平均时延小于ALOHA 和CSMA/CA 协议。

平均时延随网络流量的变化如图7所示。

图7 平均时延随网络流量的变化

4 结束语

本文提出了IDBTMA协议，通过仿真，在不同网络负载下，与ALOHA协议和CSMA/CA协议相比，IDBTMA 协议信道利用率更高，平均网络时延更小。