具有分组捎带发送的快速协作分级MAC 协议

李亚燕

（中国民用航空厦门空中交通管理站技术保障部 福建省厦门市 361000）

1 引言

民航地空数据链通信是一种在飞机和地面系统间进行数据传输的技术。目前可以选择的传输媒介有：甚高频、卫星、高频和二次监视雷达的S 模式，在几种传输媒介中，甚高频的地空数据链相对于高频地空数据链而言，具有通信可靠性高，信息传输速率快、延迟小的特点；而相对于卫星数据链和S 模式数据链而言，甚高频地空数据链则具有投资少、使用简单方便、易于扩展等优势，因而已经成为地空数据链通信的主要手段。由于民航无线资源十分有限，如何合理有效地利用无线资源进行数据通信，成为行业业务发展的重点及难点。

目前我国地空数据通信网是VDL-2 和ACARS 模式并存，这两项技术的媒体接入层（MAC）都采用载波监听多址接入（CSMA）协议，这种传统接入方式的优点是适用于传输具有突发特性的业务，在网络中用户数较少或业务量较小时，可以获得较小的接入时延和较高的信道利用率。尽管它可以解决固定分配所造成的信道资源浪费问题，但也会引起由隐藏终端所带来的分组碰撞和暴露终端所带来的可用信道资源空闲浪费的问题。尤其是在较大业务量时，隐藏终端会造成大量的分组碰撞，加剧了分组的重传和超过重传次数的分组丢弃，最终导致平均分组接入时延和分组丢弃率加大，信道吞吐量下降，协议多址性能有待提高。

在无线网络环境中，信号传播过程中存在的信号衰减以及节点发送间的信号干扰较大地影响了信号的传输质量，而协作通信能够较好地解决这些问题。协作通信是指节点利用无线通信所固有的广播特性，处于通信范围内的一些节点充当协作节点，帮助发方将信号转发给收方，从而有效对抗衰落、提高频谱效率和通信可靠性。协作MAC 协议研究中，将协作思想应用于MAC 层来改善网络性能的主要出发点有两个：一是为了提高信息的传输速率或频谱效率，二是为了增强信息传输的可靠性，提高抗干扰能力。当前许多协作MAC 协议同时综合考虑了传输速率和可靠性两个方面，如NCACWTC 协议和2rcMAC 协议。

为了获得较高的协作增益，提高协议的多址性能，使其适用于当前航班量快速增长的民航地空数据链网络，需要解决如何选择协作节点以及采取何种协作方式等问题。为了解决这些问题，本文提出了一种适用于无线网络的快速分级协作MAC 协议。该协议根据协作节点到收发双方之间的数据速率将协作节点进行分级竞争选用，同一优先级的协作节点再采用k 轮冲突分解方法进行区分，从而可以快速选择出唯一的最佳协作节点。另外，采用分组捎带发送机制，即高速率传输的协作节点协作发送完发方的数据分组后，不用进行信道预约就可以发送自己的数据分组，从而提高协议的多址性能。

2 网络模型

无线网络中所有的节点随机均匀分布在一定的区域内，每个节点只有一部半双工收发信机，并且以固定功率发送所有分组（包括控制分组和数据分组）。网络中的所有节点共享一个无线信道，所有的控制分组和数据分组传输都在这个信道上完成，并假设节点之间的信道是完全对称的。

网络支持多种速率（1、2、5.5 和11 Mbps）传输，节点间根据它们之间能够支持的最高数据传输速率进行数据传输，以基本传输速率（本文设定为1 Mbps）发送RTS、CTS、确认（ACK）等控制分组。节点可以通过接收到的邻节点发送分组的信息（如信噪比等）计算出它与邻节点之间满足一定误码率要求的可支持的最高数据传输速率。

3 RCD-MAC协议

RCD-MAC 协议采用高速率协作节点帮助低速率节点进行的数据传输，以获得协作增益。整个协议包括三个阶段，分别为预约阶段、协作节点选择阶段和数据分组发送阶段。其中协作节点选择阶段又分为优先级区分阶段和同级竞争阶段，可以快速地选择出唯一的最佳协作节点，提高协作效率和协作增益。协议中还采用分组捎带发送机制，即高速率、有分组发送的协作节点可以在当前协作发送的数据分组中携带了包括协作节点的数据分组发送时间信息，为协作节点预约了信道资源，使得协作节点在协作发方发送完数据分组后，不用进行预约握手，直接将自己的数据分组发往相应的接收节点，而不会发生分组碰撞。在无线局域网（WLAN）中，发方的接收节点都是接入点，而在无线自组织（ad hoc）网络中，接收节点则是随机分布的。由于分组捎带发送中，相当于当前发方为协作节点预留了信道资源，发方的数据分组发送与协作节点的数据分组发送相互独立，它们的接收节点可以相同也可以不同。因此，RCD-MAC 协议的分组捎带发送机制在WLAN 和ad hoc 这两种网络环境中都适用。分组捎带发送机制减少了预约开销，加快了节点接入、数据分组发送，进一步提高了网络吞吐量。

3.1 预约阶段

当节点侦听到信道空闲时，按照802.11 DCF 方式以基本速率发送一个RTS 分组给收方。收方收到RTS 分组后，根据接收到的信号的信噪比判断自己到发方能够支持的最高速率R，并将该速率信息携带在CTS 分组中回复给发方。通过RTS/CTS 握手，收发双方能够知道彼此间能支持的最高速率R，而网络中其他能够同时收到并成功解码RTS/CTS 分组的节点，也能够知道自己与收发双方之间能够支持的最高速率R和R。如果收发双方能够支持高速传输，即R为11 Mbps 或5.5 Mbps，则发方采用直传的方式将分组发往收方，如图1 所示。否则采取协作方式进行数据分组发送，进入下一部分的协作节点选择阶段。

图1： 收发双方之间支持高速率，采用直传的方式

3.2 协作节点选择阶段

协作节点的选择包括以下两个部分：优先级区分阶段和同级竞争阶段。

3.2.1 优先级区分阶段

协作节点在接收到CTS 分组并经过SIFS+τ 时间后，没有收到数据分组，说明收发双方不能支持高速率传输，要发起协作，协作节点就进入优先级区分阶段。这里采用τ 是为了给协作节点判断是否需要进行协作。如果收发双方支持高速率传输，则发方在收到CTS 后就会发送数据分组，在SIFS 时间间隔内协作节点可以侦听到该分组，从而避免协作竞争发送与直传数据分组发生发送冲突的情况。

优先级区分阶段如图2 所示，根据协作节点到收发双方能够支持的速率和协作节点本身是否有分组发送两个因素，将协作节点划分成12 个优先级依次参与竞争。协作节点的优先级越高，其可以选择的发送忙音的时隙就越靠前。第1、2、3、4 优先级的协作节点为协作节点具有分组发送并且到收发双方都是较高速率发送的情况，第5、6、7、8 优先级的协作节点为到收发双方都是高速率传输、但没有分组发送的情况，第9、10 优先级是具有分组发送和较高R、较低R的协作节点，第11、12 优先级为R和R其中之一为高速率、另一个为低速率以及没有分组发送的协作节点。如图2 所示，如果R和R均为最高数据速率11 Mbps，并且协作节点有分组发送，那么它就属于第1 优先级。前10个优先级对应的R和R情况只有一种，而后面两个优先级对应的R和R的可能性有两种，如第11 优先级包括无分组发送协作节点情况下的R=2 Mbps、R=11 Mbps 和R=11 Mbps、R=2 Mbps 两组数据速率，因为这两类协作节点都不进行携带发送，并且协作效率是一样的，可以放在同一个优先级上。每个优先级包含3 个微时隙，每个微时隙长度为δ。

图2： 优先级区分阶段

基于侦收到的RTS、CTS 分组，每个协作节点可以判断自己到发方和收方分别能够支持的最高速率，并在相应优先级对应的3 个微时隙中随机选择1 个发送一个持续时间为δ的忙音信号。每个协作节点在此过程中要侦听忙音的发送情况，如果已经有节点先发了忙音信号，说明已经有更高优先级或同等优先级的协作节点存在，其他节点就不再发送忙音信号，退出协作竞争。若网络中有一个节点发送忙音信号，优先级区分阶段就可以提前结束，下一个微时隙就立刻进入同级竞争阶段。如果最高优先级（即第1 优先级）的协作节点选择第1 个微时隙发送忙音，则δ 时间后，优先级区分阶段就可以提前结束，因此，优先级区分阶段最短为δ，最长为36δ。

例如，协作节点R本身有分组发送，并且其到发方和收方的数据速率分别为11 Mbps 和5.5 Mbps，如果在其发送忙音信号之前，没有侦听到网络中有其他节点发送忙音，它就随机选择第3 优先级对应的3 个微时隙中的某个微时隙发送忙音信号。网络中的其他节点侦听到该忙音，知道已经存在更高优先级的协作节点进行协作，就不再发送忙音。R就获得了进入同级竞争阶段的机会，继续竞争协作权。

3.2.2 同级竞争阶段

由于在优先级区分阶段中，可能有多个同等优先级的协作节点选择同一个微时隙发送忙音，为了避免它们同时向收方发送分组而发生碰撞，协议中设置一个同级竞争阶段。同级竞争阶段采用k 次冲突分解方案，由k 轮冲突分解过程组成，每轮最多有m 个竞争微时隙。

在优先级区分阶段成功发送了忙音的协作节点首先随机选择第一轮的m 个微时隙中的一个发送忙音信号，侦听到忙音信号、但还没有发送忙音信号的协作节点不再发送忙音，退出竞争，最先发送忙音的协作节点进入下一轮的相同竞争过程，直到同级竞争阶段结束。其中，同级竞争阶段每轮在节点发出忙音信号后就可以提前结束，进入下一轮的竞争。一旦选择出最佳的协作节点后，就进入了数据分组发送阶段。

三维激光扫描数据采集和数据处理流程在工程测量中主要两大部分，一是外业数据采集，二是内业数据处理。前者，包括数据扫描及控制测量工作，控制测量主要包括高程控制测量及平面控制测量，而数据扫描主要包括标靶三维坐标测量及三维激光扫描。后者，包括虚拟测量、扫描数据拼接以及数据抽隙等多个步骤。

中指出m=3、k=7 时，可以达到最优的网络性能，并且选出唯一的最佳协作节点的成功概率可达97.7%以上。因为所提协议在优先级区分阶段已经进行了一次冲突分解过程，所以此阶段中我们设置k=6。在协议中，每个微时隙为δ，所以同级竞争阶段的时间最短为6δ，最长为18δ。图3 为同级竞争阶段的一个实例。

图3： 同级竞争阶段

3.3 数据分组发送阶段

由于协作节点选择过程中选择出的协作节点种类不同，数据分组的发送过程也就不一样。针对不同的协作节点选择情况，可将数据分组发送过程分为以下四类。

（1）如果协作节点选择过程结束后，网络中不存在协作节点，则发方采用直传的方式将数据分组发给收方，如图4 所示。

图4： 网络中不存在协作节点进行协作

（2）如果在协作节点选择阶段中胜出的节点是有分组发往收方的高速率节点（即优先级为1、2、3、4、9 或10的节点），此时可进行分组捎带发送，只不过前提是需要保证胜出的最优协作节点只有一个。如图5 所示，协作节点为此需要再以RSH 速率发送一个协作传输（HTS，help-tosend）分组给发方，其中，指定分组捎带发送的收方，HTS分组的帧格式与CTS 相同。如果发方成功接收并解码HTS分组，说明网络中只有一个协作节点获胜，该协作节点可以采用分组捎带的方式协作发送数据分组。发方就在所发送的数据分组中指定协作节点协作发送完发方的分组后，不需预约就可以进行自己的数据分组发送，并指定信道总共使用时间，然后以速率R将其数据分组发往协作节点。协作节点收到发方的数据分组后，以速率RHD 将发方的数据分组转发给收方，之后将自己的数据分组以相应数据速率发往自己的接收节点。等两个数据分组都发完后，发方的接收节点和协作节点的接收节点分别进行ACK 回复。

图5： 有分组发送的高速率单一协作节点胜出

如图6 所示，如果发方不能成功解码HTS 分组，说明网络中存在多个协作节点，它们发送的HTS 分组发生了碰撞，不能采用分组捎带的方式进行协作传输。此时，发方就在数据分组中指定不采用分组捎带的方式进行协作传输，并以R速率将数据分组发给协作节点，协作节点再以速率R将数据分组转发给收方。收方成功接收了数据分组后，回复一个ACK 给发方。

图6： 有分组发送的高速率多个协作节点胜出

（3）如果在协作节点选择阶段中胜出的节点是无分组发往收方的高速率节点（即优先级为5、6、7、8、11 或12的节点），不进行分组捎带发送，不需发送HTS 分组判断网络中是否存在多个协作节点。在协作节点的选择阶段结束后，发方以R速率将数据分组发给协作节点，协作节点再以速率R将数据分组转发给收方。收方成功接收到数据分组后，回复一个ACK 分组。相关过程如图7 所示。

图7： 无分组发送的高速率协作节点胜出

4 性能评估

本文利用C 语言仿真评估了RCD-MAC 协议的性能，并与2rcMAC 协议[8]和CoopMACA 协议进行了比较。仿真中采用网络吞吐量（S）、饱和吞吐量和平均分组时延（D）作为多址性能的评价指标。其中，网络吞吐量定义为单位时间内成功传输数据分组的信息量总和，饱和吞吐量定义为网络中各节点总有分组发送情况下单位时间内成功传输数据分组的信息量总和，平均分组时延定义为每个分组从产生时刻到其成功接入进行无碰撞发送完所用的平均时间。

4.1 仿真环境

仿真中考虑了无线网络中，100 个节点随机分布在半径为100 米的区域内。仿真中采用IEEE 802.11b 可支持的数据传输速率，分别为11、5.5、2 和1 Mbps。在路径损耗因子为3、误比特率大于10的情况下，不同速率支持的最大数据传输距离如表1 所示。每个节点的分组产生服从分组到达率为λ的泊松分布，默认数据分组长度L为1kB。协议的其他相关参数设置如表2 所示，其中竞争微时隙δ 的取值参考文献，为1 μs。为了获得更准确、稳定的仿真结果，每轮仿真的数据分组发送个数为100 万个，取50 种网络拓扑的平均值作为最终的仿真结果。为了充分体现多址性能，仿真中只考虑MAC 层中由于分组碰撞所造成的传输失败，而不考虑物理层上由于传输过程中的信道错误而造成的分组传输失败。

表1： 传输速率与传输范围的关系

表2： 协议参数

4.2 仿真结果

图8、9 是网络中节点数对RCD-MAC、CoopMACA 和2rcMAC 协议性能的影响。由图中可以看出，当分组到达率较小时，随着网络中节点数的增多，3 个协议的吞吐量均增大，而分组时延上升较小。当分组到达率很大，即网络达到饱和状态时，吞吐量和饱和吞吐量随着节点数的增多而略有下降，时延急剧上升。这是因为网络还没达到饱和状态时，分组到达率相同情况下节点数越多，业务量就越高，但各节点发送队列中积压的分组数很少，所产生的数据分组都能及时得到传输，成功传输的数据分组数也就越多，造成吞吐量随之上升，而时延变化较小。而当网络达到饱和状态后，节点数越多，网络业务量越重，分组碰撞情况就越严重，数据分组需要等待较长的时间才能接入发送，造成协议的吞吐量下降，而时延会急剧上升。由于所提协议采用分组捎带发送机制，并且协作时所用开销小，使得协作增益较大，较好地抵消了由于分组碰撞而导致的性能下降，因此，业务量较重情况下其吞吐量性能随节点数增加的变化不大。由图还可以看出，RCD-MAC 协议的吞吐量明显高于CoopMACA 和2rcMAC 协议。当节点数为100 时，RCD-MAC 协议的最大吞吐量比CoopMACA 协议高出了39.6%，比2rcMAC 协议高出了9.6%。这是因为RCD-MAC 协议采用更快、更为有效的协作节点选择机制以及提高传输效率的分组捎带发送机制，可以减少预约过程，使得网络预约开销更小，因此，其吞吐量性能最好，平均分组时延也最小。

图8： 不同节点数下的吞吐量

图9： 不同节点数下的平均分组接入时延

5 结论

本文提出一种适用于无线网络环境的快速协作分级MAC 协议。该协议采用有效的优先级区分和同级竞争方式，快速有效地选出唯一的最佳协作节点，从而提高协作增益。同时，采用分组捎带发送机制，减小了预约开销，加快了数据分组的接入发送，从而改善了协议性能，提高了无线资源的利用率。仿真结果表明，该协议具有比CoopMACA 和2rcMAC 协议更好的多址性能。