一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作MAC協(xié)議

李藍(lán)+崔苗

【摘 ? ?要】物理層協(xié)作通信技術(shù)的應(yīng)用給媒體接入控制（MAC）協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)協(xié)作通信特點(diǎn)，提出一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)協(xié)作MAC（ADCO-MAC）協(xié)議?；谧疃搪窂剿惴?，在源、目的節(jié)點(diǎn)之間選擇最佳的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件，可自適應(yīng)選擇是否進(jìn)行協(xié)作傳輸。利用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)ADCO-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真。通過(guò)仿真結(jié)果表明，ADCO-MAC協(xié)議在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率方面性能有顯著提升。

【關(guān)鍵詞】Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) ? ?協(xié)作通信 ? ?MAC協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1006-1010（2014）-22-0040-06

A Novel Cooperative MAC Protocol for Ad Hoc Networks

LI Lan1， CUI Miao1，2

（1. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute， Guangzhou 510310， China;

2. Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

[Abstract]?The application of cooperative communication technology on physical layer introduces great challenges to MAC protocol design. Based on the characteristics of cooperative communication， an adaptive cooperative MAC （ADCO-MAC） protocol for ad hoc networks is proposed. Based on shortest path algorithm， ADCO-MAC protocol selects the best cooperative node between source node and destination node. While ADCO-MAC protocol adaptively chooses whether cooperative transmission or not according to network conditions. The network simulation of ADCO-MAC protocol is carried out using OPNET. Simulation results show that the performance of ADCO-MAC protocol improves significantly in terms of throughput， end to end delay and reception success rate.

[Key words]ad hoc network ? ?cooperative communication ? ?MAC protocol

1 ? 引言

在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動(dòng)用戶（節(jié)點(diǎn)）可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)作發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，極大地提高系統(tǒng)傳輸性能。這種通信方式因?yàn)樾枰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間密切的配合協(xié)作，所以稱為協(xié)作通信（Cooperative Communication）或協(xié)作分集（Cooperative Diversity）。協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，利用節(jié)點(diǎn)天線間信道獨(dú)立性進(jìn)行分集收發(fā)，能夠減少節(jié)點(diǎn)對(duì)信道變化的敏感程度，改善系統(tǒng)容量或者抗干擾能力。而且即使在節(jié)點(diǎn)間信道存在噪聲的情況下，通過(guò)虛擬的空間分集，協(xié)作通信技術(shù)也能為系統(tǒng)性能的提高帶來(lái)好處[1-3]。

協(xié)作通信技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和良好性能還需合理的設(shè)計(jì)高層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，如MAC層協(xié)議。在分布式網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的退避機(jī)制（如IEEE 802.11的CSMA/CA協(xié)議）被設(shè)計(jì)成在同一時(shí)刻一跳范圍內(nèi)只能接受一對(duì)用戶通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突時(shí)，提高其競(jìng)爭(zhēng)窗口;另一方面，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功后，競(jìng)爭(zhēng)窗口減小。如果在協(xié)作通信系統(tǒng)中采用這種退避機(jī)制，不僅不能體現(xiàn)公平性，而且極大地降低了吞吐量。因此，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中如何將協(xié)作分集能力同MAC協(xié)議設(shè)計(jì)相結(jié)合，能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[4-6]。

本文提出了一種適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議。該協(xié)議具有以下特點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際信道特點(diǎn)，自適應(yīng)選擇傳輸方式;通過(guò)最短路徑樹算法選擇潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼傳遞;高速率節(jié)點(diǎn)協(xié)助低速率節(jié)點(diǎn)完成傳輸;多副本信息聯(lián)合處理提升網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)能力。

2 ? 相關(guān)工作

基于IEEE 802.11協(xié)議，P.Liu等人首先提出了一種CoopMAC協(xié)議[6]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將維護(hù)一張協(xié)同表，其中包括源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的速率、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的速率、表項(xiàng)更新時(shí)間等，當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)，首先查找該協(xié)同表來(lái)判斷是否有可以利用的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，從而決定是否采用協(xié)作傳輸。當(dāng)需要協(xié)作時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S首先發(fā)送請(qǐng)求協(xié)作發(fā)送幀（CoopRTS）;Helper節(jié)點(diǎn)H在正確收到CoopRTS后，判斷是否能夠支持源節(jié)點(diǎn)所期望的傳輸速率，如果可以即發(fā)送協(xié)作節(jié)點(diǎn)確認(rèn)發(fā)送幀（HTS）;最后目的節(jié)點(diǎn)D回復(fù)確認(rèn)發(fā)送幀（CTS），從而靜默了周圍其他的鄰節(jié)點(diǎn)，成功預(yù)約到信道的使用權(quán)，并由它高速地轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不需要協(xié)作傳輸以及不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí)，則使用傳統(tǒng)的802.11協(xié)議。endprint

文獻(xiàn)[6]提出了“按需”的協(xié)作MAC協(xié)議，協(xié)議中節(jié)點(diǎn)并不維護(hù)任何協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信息，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過(guò)源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送RTS（Request to Send，請(qǐng)求發(fā)送）信息，目的節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)CTS（Clear to Send，清除發(fā)送）信息，那么潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過(guò)這兩個(gè)握手信息即可獲得源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的信道信息：Hsr和Hrd。協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置退避時(shí)間T來(lái)競(jìng)爭(zhēng)參與協(xié)作，T是Hsr和Hrd反比例函數(shù)，當(dāng)退避計(jì)時(shí)器減為零時(shí)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送同意中繼幀（RTR）。但是，該協(xié)議在預(yù)約協(xié)作節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致整個(gè)握手過(guò)程失敗。

F.Liu等提出相應(yīng)的增強(qiáng)型CoopMAC協(xié)議[7]，該協(xié)議采用MAC-PHY聯(lián)合的跨層架構(gòu)，其握手過(guò)程以及信息傳輸過(guò)程和CoopMAC協(xié)議基本一致。目的節(jié)點(diǎn)收到分別來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的復(fù)制包和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的復(fù)制包，將其聯(lián)合處理，從而判斷選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為最終的協(xié)作節(jié)點(diǎn)以及下一跳采用什么傳輸速率。其仿真結(jié)果相較于原始CoopMAC協(xié)議吞吐量提高了10%，但是該協(xié)議對(duì)硬件設(shè)備有更高的要求。

綜上所述，在最早提出的CoopMAC協(xié)議中僅僅利用了802.11的多速率傳輸特性，而當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)能夠綜合處理分別來(lái)自源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，才形成了真正意義上的虛擬MIMO系統(tǒng)[8-9]。由于信息來(lái)源于不同的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)，通信系統(tǒng)可同時(shí)獲得空間分集和時(shí)間分集。通過(guò)分析上述幾種典型的協(xié)作MAC協(xié)議可以看出，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及不同配置，為提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，充分利用協(xié)作通信系統(tǒng)的增益，需要針對(duì)具體的網(wǎng)絡(luò)特性設(shè)計(jì)合適的MAC協(xié)議[10]。

3 ? 協(xié)作MAC協(xié)議思路與實(shí)現(xiàn)

3.1 ?協(xié)作MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

ADCO-MAC協(xié)議包括3個(gè)過(guò)程：協(xié)議建立過(guò)程，包括控制包交換和幫助節(jié)點(diǎn)的選擇;接入控制;數(shù)據(jù)傳輸。

圖1描述單協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模式的處理過(guò)程，圖2描述轉(zhuǎn)發(fā)模式的ADCO-MAC協(xié)議時(shí)序。在隨機(jī)退避之后，源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送1個(gè)RTS分組。RTS分組包含接收節(jié)點(diǎn)（目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)）的識(shí)別碼，這樣只有該RTS分組指定的接收節(jié)點(diǎn)才能夠允許目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS分組及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送HCTS（Helper Clear to Send）來(lái)應(yīng)答該RTS分組。中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到RTS分組后，如果可以協(xié)助本次傳輸，則發(fā)送1個(gè)HCTS分組。目的節(jié)點(diǎn)接收到RTS分組后，設(shè)定1個(gè)定時(shí)器等待接收HCTS分組，若收到HCTS，則本次傳輸為協(xié)作傳輸;若沒(méi)有收到HCTS，則為直接傳輸模式。目的節(jié)點(diǎn)接收到原始數(shù)據(jù)分組，將其保存，收到協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組后，回復(fù)1個(gè)ACK給源節(jié)點(diǎn)。其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到RTS或者CTS、HCTS分組，則推遲其發(fā)送，推遲的時(shí)間由RTS、CTS和HCTS握手控制分組中的NAV（Network Allocation Vector，網(wǎng)絡(luò)分配矢量）來(lái)確定。

（a）控制包的交互過(guò)程

（b）數(shù)據(jù)包的交互過(guò)程

圖1 ? ?協(xié)議中的包流程

圖2 ? ?協(xié)作協(xié)議時(shí)序圖

源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)首先確認(rèn)在本次傳輸中是否存在中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)助本次傳輸。為了確定是否存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)1個(gè)協(xié)作表（CoopTable）。CoopTable表包括節(jié)點(diǎn)MAC地址、中繼節(jié)點(diǎn)最近收到信息時(shí)間、本節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸速率（表征上次通信信道質(zhì)量），通過(guò)周期性的Hello包和握手過(guò)程的控制包動(dòng)態(tài)更新鄰節(jié)點(diǎn)的最新信息。如果節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，利用CoopTable表可以檢測(cè)到鄰節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式。協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選取算法采用基于最短路徑算法，如圖3所示：

（a）候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合

（b）選擇過(guò)程

圖3 ? ?最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇

首先以源節(jié)點(diǎn)為根構(gòu)建樹，所有到源節(jié)點(diǎn)的鏈路被添加到候選對(duì)象列表，然后將候選列表中速率的倒數(shù)（1/R）的值最小的鏈路添加到樹中，如此迭代，可以生成一棵最短路徑樹（這棵樹各枝上的代價(jià)是由1/R來(lái)確定），樹上到目的節(jié)點(diǎn)的枝上那個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)就是被選用的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。此外，本協(xié)議還參考末次通信信道質(zhì)量，在同樣距離的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)中，自適應(yīng)選擇末次通信信道質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)。如果候選節(jié)點(diǎn)的末次通信信道質(zhì)量都比較差，則候選的協(xié)作節(jié)點(diǎn)不發(fā)送HCTS包，因此實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)選擇距離和通信信道質(zhì)量較好的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，并且隱藏節(jié)點(diǎn)的數(shù)量得到一定程度減少。如果無(wú)中繼節(jié)點(diǎn)，則按照IEEE 802.11 MAC協(xié)議進(jìn)行傳輸。

3.2 ?ADCO-MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)步驟

ADCO-MAC協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：源節(jié)點(diǎn)完成退避后，首先根據(jù)和目的節(jié)點(diǎn)的直接傳輸速率來(lái)判斷是否需要協(xié)作傳輸，如果需要，則進(jìn)入步驟2;否則，進(jìn)入執(zhí)行CSMA/CA操作。源節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。為了保證在多個(gè)候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)能夠收到RTS幀，在RTS幀格式中增加Helper ID域以及本節(jié)點(diǎn)的速率信息域，源節(jié)點(diǎn)通過(guò)查詢CoopTable表，確定是否有候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)。

步驟2：當(dāng)鄰節(jié)點(diǎn)的速率信息已知時(shí)，根據(jù)最短路徑原則選擇Helper節(jié)點(diǎn);否則，源節(jié)點(diǎn)僅利用以往監(jiān)聽到的節(jié)點(diǎn)間的速率信息來(lái)選擇Helper節(jié)點(diǎn)。如果存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入步驟3;否則，執(zhí)行CSMA/CA操作。

步驟3：源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS信息。

步驟4：協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到正確的RTS且自身處于空閑狀態(tài)，則立即回復(fù)HCTS;否則，不發(fā)送任何信息。

步驟5：目的節(jié)點(diǎn)正確收到RTS，設(shè)定時(shí)器Tr等待接收HCTS。若在Tr時(shí)間內(nèi)正確接收到HCTS后取消Tr，則在回復(fù)CTS包中標(biāo)識(shí)采用協(xié)作傳輸模式;若在Tr時(shí)間內(nèi)沒(méi)有正確接收到HCTS，則在回復(fù)CTS包中標(biāo)識(shí)采用直接傳輸模式。目的節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。endprint

步驟6：源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式，源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則，再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后，偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

步驟7：協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間，發(fā)送DATA_Help。

步驟8：如果采用協(xié)作傳輸模式，目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后，回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式，則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

4 ? 仿真與分析

采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò)，每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址，業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式，發(fā)包間隔為0.3s，包大小為1 024bytes，高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析，仿真參數(shù)具體如表1所示：

表1 ? ?仿真參數(shù)

參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

*500m Hello包發(fā)送間隔 1s

SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

大小 1 024

bytes

圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果，由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果，由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制，當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出，2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定，ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%，這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸，從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，極大地提高了傳輸可靠性。同樣地，CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1，就會(huì)發(fā)生碰撞，這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳，降低了信道的利用率，因此時(shí)延性能較差，如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，時(shí)延上得到了顯著降低，其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外，同樣原因采用本協(xié)議時(shí)，丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率，如圖8所示。

圖6 ? ?吞吐量仿真

5 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸，在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善，極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況，多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

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步驟6：源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式，源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則，再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后，偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

步驟7：協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間，發(fā)送DATA_Help。

步驟8：如果采用協(xié)作傳輸模式，目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后，回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式，則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

4 ? 仿真與分析

采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò)，每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址，業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式，發(fā)包間隔為0.3s，包大小為1 024bytes，高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析，仿真參數(shù)具體如表1所示：

表1 ? ?仿真參數(shù)

參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

*500m Hello包發(fā)送間隔 1s

SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

大小 1 024

bytes

圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果，由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果，由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制，當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出，2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定，ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%，這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸，從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，極大地提高了傳輸可靠性。同樣地，CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1，就會(huì)發(fā)生碰撞，這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳，降低了信道的利用率，因此時(shí)延性能較差，如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，時(shí)延上得到了顯著降低，其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外，同樣原因采用本協(xié)議時(shí)，丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率，如圖8所示。

圖6 ? ?吞吐量仿真

5 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸，在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善，極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況，多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Andrew Sendonaris， Elza Erkip， Behnaam Aazhang. User Cooperation Diversity-Part II： Implementation Aspects and Performance Analysis[J]. IEEE Transactions on Communications， 2003，11（51）： 1927-1938.

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[6] Pei Liu， Zhifeng Tao， Sathya Narayanan， et al. CoopMAC： A Cooperative MAC for Wireless LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2007，25（2）： 340-354.

[7] Liu Feilu， Korakis T， Tao Zhifeng， et al. A MAC-PHY Cross-Layer Protocol for Ad Hoc Wireless Networks[A]. Wireless Communications and Networking Conference[C]. 2008： 1792-1797.

[8] ANSI-IEEE 802.11 Standard： Wirelesslan Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications 802.11[S]. 1999.

[9] Ting Zhou， Hamid Sharif， Michael Hempel， et al. A Novel Adaptive Distributed Cooperative Relaying MAC Protocol for Vehicular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2011， 29（1）.

[10] 盛敏，張琰，李建東. 分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議[J]. 中興通訊技術(shù)， 2010，16（1）： 28-31.endprint

步驟6：源節(jié)點(diǎn)接收到HCTS和CTS則啟動(dòng)協(xié)作模式，源節(jié)點(diǎn)只接收到CTS則啟動(dòng)直接傳輸模式;否則，再次進(jìn)入退避過(guò)程。啟動(dòng)傳輸進(jìn)程后，偵聽SIFS時(shí)間后發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

步驟7：協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，偵聽媒介1個(gè)SIFS時(shí)間，發(fā)送DATA_Help。

步驟8：如果采用協(xié)作傳輸模式，目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA后，將其保存下來(lái);目的節(jié)點(diǎn)接收到DATA_Help后，回復(fù)ACK包給源節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果采用直接傳輸模式，則利用傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

4 ? 仿真與分析

采用基于三層建模機(jī)制的OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型。50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m*500m區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳全連通的網(wǎng)絡(luò)，每條數(shù)據(jù)流隨機(jī)地產(chǎn)生目的地址，業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式，發(fā)包間隔為0.3s，包大小為1 024bytes，高層包在MAC層中不拆分。對(duì)本文所提的ADCO-MAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真分析，仿真參數(shù)具體如表1所示：

表1 ? ?仿真參數(shù)

參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值

Slot 50μs 仿真區(qū)域 1 000m

*500m Hello包發(fā)送間隔 1s

SIFS 28μs 節(jié)點(diǎn)數(shù) 50 物理特性 跳頻

DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 帶寬 2MHz

CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持續(xù)時(shí)間 40s

CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持續(xù)時(shí)間 0s

數(shù)據(jù)基本速率 2Mbps ACK 112bits 分組平均到達(dá)間隔 0.3s

Tr 0.003 調(diào)制方式 BPSK 分組平均

大小 1 024

bytes

圖6—8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真結(jié)果，由此可見ADCO-MAC協(xié)議性能更好。圖6是2種協(xié)議吞吐量仿真結(jié)果，由于2種協(xié)議都有緩存和重傳機(jī)制，當(dāng)緩存滿或重傳次數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，就會(huì)將數(shù)據(jù)包丟棄。從圖6可以看出，2種協(xié)議在40s之后吞吐量趨于穩(wěn)定，ADCO-MAC飽和吞吐量比CSMA/CA飽和吞吐量提高近12%，這是由于ADCO-MAC自適應(yīng)的選擇協(xié)作傳輸，從而目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，極大地提高了傳輸可靠性。同樣地，CSMA/CA協(xié)議中如果接入信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1，就會(huì)發(fā)生碰撞，這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避重傳，降低了信道的利用率，因此時(shí)延性能較差，如圖7所示。ADCO-MAC協(xié)議由于自適應(yīng)的選擇速率高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，時(shí)延上得到了顯著降低，其值大約只有采用CSMA/CA時(shí)平均時(shí)延的14%。此外，同樣原因采用本協(xié)議時(shí)，丟包率也低于采用CSMA/CA的丟包率，如圖8所示。

圖6 ? ?吞吐量仿真

5 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作ADCO-MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了高速節(jié)點(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸，在吞吐量、端到端時(shí)延、接收成功率等方面的性能得到較大改善，極大地提高了系統(tǒng)傳輸可靠性。目前僅研究了單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的情況，多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的算法將有待下一步進(jìn)行研究。

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