基于CRAHN網(wǎng)絡(luò)的MAC層競爭時段幀突發(fā)機(jī)制的研究

殷毓偉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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基于CRAHN網(wǎng)絡(luò)的MAC層競爭時段幀突發(fā)機(jī)制的研究

殷毓偉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

近年來，關(guān)于無線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN)接入的研究較多。該文研究了基于競爭型(CP)和時隙分配型(CFP)兩種機(jī)制混合的混合型MAC層接入機(jī)制，在EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時段的幀突發(fā)機(jī)制(Frame Bursting EDCA，F(xiàn)-EDCA)，通過仿真驗(yàn)證了所提基于幀突發(fā)機(jī)制的F-EDCA算法的優(yōu)越性。該算法可提高系統(tǒng)性能，尤其是音頻業(yè)務(wù)的QoS性能。

CRAHN；MAC層；EDCA；幀突發(fā)機(jī)制

引用格式：殷毓偉. 基于CRAHN網(wǎng)絡(luò)的MAC層競爭時段幀突發(fā)機(jī)制的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(11)：62-65，69.

0　引言

CRAHN網(wǎng)絡(luò)(認(rèn)知無線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))[1]結(jié)合了自組織網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電的特征，可廣泛應(yīng)用于沒有基礎(chǔ)設(shè)施的場景，如環(huán)境惡劣的山區(qū)、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域[1]。其利用TV頻段的空白來緩解頻譜緊張的問題。這種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以作為現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施易毀性和滿足無線業(yè)務(wù)對頻譜資源的渴求性[2]。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議按照信道訪問策略劃分為三類[3]：競爭協(xié)議(CP)、時隙分配協(xié)議(CFP)、混合協(xié)議。其中混合MAC協(xié)議是指競爭協(xié)議和時隙分配協(xié)議的綜合，它能綜合競爭協(xié)議和時隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較輕時體現(xiàn)出競爭協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較重時體現(xiàn)出時隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。

1　相關(guān)概念

本文場景是CRAHN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種多信道分級分簇混合接入機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。文中研究的重點(diǎn)是改進(jìn)的混合型MAC接入機(jī)制，用以提高實(shí)時性業(yè)務(wù)的QoS和多用戶間多業(yè)務(wù)通信。當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時，尤其是實(shí)時性要求較高的音頻業(yè)務(wù)幀較多時，若全部通過CFP時段傳輸，由于CFP時段時隙總長度固定，存在瓶頸，故需要在CP時段傳輸音頻業(yè)務(wù)幀。這就要求要有CP時段保障音頻業(yè)務(wù)幀QoS的接入機(jī)制和節(jié)點(diǎn)高速移動時網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量多跳和隱藏終端問題的解決方案。本文在研究了EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時段的幀突發(fā)機(jī)制(Frame Bursting EDCA，F(xiàn)-EDCA)。F-EDCA旨在改善所提混合型MAC協(xié)議的音頻幀的QoS性能。

2　幀突發(fā)機(jī)制

2.1IEEE 802.11e中EDCA機(jī)制

IEEE 802.11e中的EDCA機(jī)制是基于分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)機(jī)制提出的改進(jìn)型競爭機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA[4]機(jī)制中采用RTS/CTS機(jī)制解決隱藏終端問題，MAC層機(jī)制在數(shù)據(jù)幀連發(fā)時，只需要在第一幀前發(fā)送一次RTS和CTS幀[5]，而不需要每次都發(fā)送RTS/CTS幀。若數(shù)據(jù)接收成功后，接收端返回一個ACK幀；若RTS幀發(fā)生沖突，發(fā)射端立即將當(dāng)期競爭窗口增大一倍，隨機(jī)選擇一個退避時間進(jìn)行退避，退避結(jié)束后，開始重新發(fā)送RTS幀，競爭信道。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA能很好地解決數(shù)據(jù)包相對大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是對于當(dāng)傳輸實(shí)時短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)時，其QoS就得不到保障，時延及時延抖動較大，丟包率也明顯增加。

2.2CP時段改進(jìn)的F-EDCA機(jī)制

本文在標(biāo)準(zhǔn)EDCA的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出F-EDCA機(jī)制，當(dāng)實(shí)時短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)需要傳輸時，先采用標(biāo)準(zhǔn)的RTS/CTS方法競爭接入信道，當(dāng)獲得訪問權(quán)限時，此后直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不再啟用RTS/CTS過程，而是不間斷地發(fā)送N個短幀。在通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送N個短幀的過程中，始終被告知應(yīng)該處于等待狀態(tài)，優(yōu)先讓這N個短幀發(fā)送結(jié)束，才能重新加入競爭信道[6]。

詳細(xì)工作流程如下：RTS幀中攜帶的持續(xù)時間字段(Duration)保留有源節(jié)點(diǎn)要競爭信道的信息，利用Duration也能實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)測的功能。目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS，等待SIFS時間后，修改確認(rèn)幀CTS含有的Duration，并發(fā)送CTS幀。其他節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽MAC幀中的Duration[7]，當(dāng)Duration的值大于本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV時，則將Duration的值賦給本節(jié)點(diǎn)的NAV。如上所述，數(shù)據(jù)開始傳輸時，源節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送N個短MAC幀，其他節(jié)點(diǎn)遞減其NAV，直至NAV=0，收到短MAC幀時，目的節(jié)點(diǎn)也會相應(yīng)地發(fā)出ACK確認(rèn)幀。當(dāng)NAV=0時，其余節(jié)點(diǎn)才會恢復(fù)競爭信道過程[8]。

3　算法的設(shè)計(jì)

對F-EDCA機(jī)制的算法設(shè)計(jì)主要是從源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、其他節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)處理過程入手。

(1)源節(jié)點(diǎn)的處理過程

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有實(shí)時音頻業(yè)務(wù)幀要發(fā)送時，先采用RTS/CTS方式進(jìn)行信道預(yù)約[9]。發(fā)送RTS幀前，需要計(jì)算源節(jié)點(diǎn)中高優(yōu)先級的音頻業(yè)務(wù)幀的數(shù)量Vnum。表示此次信道預(yù)約的總時間Duration字段值按照如下規(guī)則設(shè)定：

當(dāng)1≤Vnum

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×Vnum)+Vnum×(SIFS+TACK+Tdata)

(1)

其中，Tprop為傳播時延，TCTS和TACK為CTS幀和ACK幀的傳輸時延，Tdata為數(shù)據(jù)包的傳輸時延。

當(dāng)Vnum>N時，RTS幀含有的Duration字段的Tduration為：

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×N)+N×(SIFS+TACK+Tdata)

(2)

源節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道成功后，連續(xù)發(fā)出Vnum個音頻業(yè)務(wù)幀，每完成一次音頻業(yè)務(wù)幀傳輸，源節(jié)點(diǎn)會收到目的節(jié)點(diǎn)返回的ACK幀，然后才進(jìn)行下一個音頻業(yè)務(wù)幀的傳輸，這時Duration字段的值為：

Tduration=TACK+SIFS+2×(Vnum-1)+(Vnum-1)×(TACK+Tdata+SIFS)

(3)

(2)目的節(jié)點(diǎn)的處理過程

目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的RTS幀后，返回一個確認(rèn)幀CTS，并根據(jù)RTS中Duration的值修改CTS中Duration的值：

TCTS_duration=TRTS_duration-(TCTS+SIFS)

(4)

其中，TCTS為傳送一個CTS幀需要的時間，TRTS_duration為RTS幀中含有的Duration值。

音頻業(yè)務(wù)幀傳輸過程中，發(fā)送的ACK幀里面含有的Duration值為：

TACK_duration=TData_duration-(TACK+SIFS)

(5)

其中，TACK為傳送一個ACK幀需要的時間，TData_duration則是音頻業(yè)務(wù)幀的Duration值。目的節(jié)點(diǎn)會依據(jù)接收到的幀中的Duration值來更新自身的NAV值。

(3)其余節(jié)點(diǎn)的處理過程

其余節(jié)點(diǎn)的處理較為簡單，只需要依據(jù)接收到的ACK確認(rèn)幀和音頻業(yè)務(wù)幀中的Duration幀，來更新自身NAV的值，當(dāng)NAV=0時，重新開始競爭信道。

4　仿真結(jié)果與分析

用MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)對MAC協(xié)議的評估。假設(shè)每個工作節(jié)點(diǎn)機(jī)的通信距離為半徑50 000 m，場景有80個工作節(jié)點(diǎn)機(jī)隨機(jī)分布在20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)，每個超幀周期為80 ms。

4.1節(jié)點(diǎn)相對靜止時的通信仿真

假設(shè)節(jié)點(diǎn)速度很慢或者需要通信的節(jié)點(diǎn)相對靜止，為了不考慮隱藏終端的影響，本仿真驗(yàn)證只考慮單跳情況。仿真中設(shè)定的數(shù)據(jù)幀為實(shí)時性音頻業(yè)務(wù)幀，分別對標(biāo)準(zhǔn)EDCA[10]機(jī)制(正常使用RTS/CTS機(jī)制)、不使用RTS/CTS情況下的EDCA機(jī)制和本文所提的F-EDCA機(jī)制這三種情況的時延和時延抖動進(jìn)行QoS性能評估。比較結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　三種機(jī)制平均時延的比較

圖2　三種機(jī)制平均時延抖動的比較

由圖1可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)變多時，三種機(jī)制的時延都遞增，且F-EDCA始終是三種機(jī)制中時延最小的一個，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于9時，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時延都急劇增加，且標(biāo)準(zhǔn)EDCA的時延開始明顯大于noRTS-EDCA[11]，但是F-EDCA的時延增加得仍然比較緩慢，F(xiàn)-EDCA平均時延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的平均時延減少了36%左右。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時延。

由圖2可知，三種機(jī)制時延抖動都是隨著音頻業(yè)務(wù)流數(shù)遞增而遞增[12]，但是F-EDCA的時延抖動相對標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA都較低，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于15時，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時延抖動都急劇增加，但是F-EDCA的時延抖動增加得仍然比較緩慢。此外當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于16時[13]，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時延抖動開始超出音頻業(yè)務(wù)時延抖動的指標(biāo)要求，而F-EDCA的時延抖動始終小于1 ms，符合時延抖動的指標(biāo)要求。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時延抖動[14]。

圖3　音頻業(yè)務(wù)的丟包率

圖3是對音頻業(yè)務(wù)的丟包率的分析情況。由圖可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)增加時，三種機(jī)制的丟包率都遞增，F(xiàn)-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA。隨著音頻業(yè)務(wù)流的增加，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA音頻業(yè)務(wù)的丟包率急劇增加，而F-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率增加得極為緩慢，且都小于0.7%[15]，符合音頻業(yè)務(wù)丟包率的指標(biāo)。因?yàn)樵贔-EDCA機(jī)制中，預(yù)約信道成功后，在發(fā)送多個音頻業(yè)務(wù)幀期間，其他節(jié)點(diǎn)被告知停留在等待狀態(tài)，不會再參與信道競爭，故音頻業(yè)務(wù)幀不容易丟包。

綜上所述，F(xiàn)-EDCA機(jī)制在速度較慢或者相對靜止情況下，很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了丟包率、時延抖動、平均時延。

4.2節(jié)點(diǎn)移動時的通信仿真

節(jié)點(diǎn)仍然處于20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)移動，設(shè)置了8個節(jié)點(diǎn)，移動速度分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s和40 m/s，設(shè)置8條音頻業(yè)務(wù)幀進(jìn)行仿真，進(jìn)行10次仿真取其平均值。使用標(biāo)準(zhǔn)EDCA、A-EDCA(自適應(yīng)EDCA)和F-EDCA機(jī)制進(jìn)行比較。如圖4、圖5所示。

圖4　節(jié)點(diǎn)移動時音頻業(yè)務(wù)的平均時延

圖5　節(jié)點(diǎn)移動時音頻業(yè)務(wù)的平均時延抖動

由圖4可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度增加時，F(xiàn)-EDCA的時延始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，且平均時延都遞增，F(xiàn)-EDCA的時延增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA平均時延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA的平均時延減少了45%左右。因而得出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時延。

由圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度增加時，三種機(jī)制的時延抖動都遞增，但是F-EDCA的時延抖動始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA的時延抖動增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA。F-EDCA的時延抖動比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA減少了39%左右，且F-EDCA的時延抖動始終小于1 ms。因而得出F-EDCA音頻業(yè)務(wù)幀的時延抖動降低很多。

綜上所述，F(xiàn)-EDCA機(jī)制在節(jié)點(diǎn)移動情況下，也很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了時延抖動、平均時延。

5　結(jié)束語

本文對多信道分級分簇混合接入機(jī)制的CRAHN網(wǎng)絡(luò)的CP時段進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)型F-EDCA(突發(fā)幀)接入機(jī)制，方案簡單高效，解決了節(jié)點(diǎn)移動或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時音頻業(yè)務(wù)的Qos惡化情況，有效地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos性能。仿真結(jié)果表明，無論節(jié)點(diǎn)在相對靜止還是運(yùn)動的情況下，都很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos，降低了時延抖動、平均時延，證實(shí)了所提方案的優(yōu)越性。

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Research on MAC layer competition time frame breaking mechanism based on CRAHN network

Yin Yuwei

(School of Communications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Communications, Nanjing 210003, China)

In recent years, the research about access of wireless Ad Hoc Networks (Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN) is more and more. The access mechanism of this article is based on contention period (CP) and the time contention-free period (CFP), which is hybrid MAC layer access mechanism. On the premise of EDCA mechanism is studied, frame breaking mechanism (Frame Bursting EDCA, F-EDCA) in CP time is presented. The simulation results show that the proposed algorithm is superior, it improves the system performance, especially the QoS of audio performance.

CRAHN; MAC layer; EDCA; frame breaking mechanism

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.020

2016-01-15)

殷毓偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向:下一代網(wǎng)絡(luò)。