一種基于接收端決策的介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議

李永鋒，姜?jiǎng)倜?/p>

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)信道。由于受到節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率限制和信道衰落的影響，各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍受到限制。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處于各自通信范圍外的時(shí)候，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被稱為各自的隱藏終端。當(dāng)兩個(gè)互為隱藏終端的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向處于各自通信范圍內(nèi)的同一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的時(shí)候，可能產(chǎn)生信息的碰撞，使接收節(jié)點(diǎn)無法正常的接收信息。隱藏終端問題會(huì)導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)、節(jié)點(diǎn)能量消耗，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低并加大網(wǎng)絡(luò)延遲。

目前，設(shè)計(jì)了許多MAC協(xié)議來解決隱藏終端的問題，其中運(yùn)用比較廣泛一種是采用基于單信道的RTSCTS握手機(jī)制，其基本思想是，在數(shù)據(jù)發(fā)送之前發(fā)送方與接收方通過RTS和CTS幀預(yù)約信道，其他鄰居節(jié)點(diǎn)聽到RTS和CTS后均延遲自己的發(fā)送，直到通信雙方數(shù)據(jù)傳輸完畢。典型的單信道協(xié)議有:CSMA[1]（Carrier Sense Multiple Access）、MACA[2]（Multiple Access with Collision Avoidance）、IEEE802.11 DCF[3]（Distributed Coordinated Function）等。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處在密集分布狀態(tài)且要求數(shù)據(jù)快速發(fā)送時(shí)，RTS-CTS機(jī)制會(huì)出現(xiàn)因握手所耗費(fèi)時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致信道的利用率和節(jié)點(diǎn)能量利用率降低的問題。在基于握手機(jī)制的MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，有人提出了一種自適應(yīng)重傳超時(shí)（Retransmission Time-Out,RTO）[4]的方法。通過一種新的貝葉斯動(dòng)態(tài)線性模型預(yù)測(cè)往返時(shí)間（Round Trip Time，RTT）的值，然后自適應(yīng)地將RTO調(diào)整為預(yù)測(cè)值，從而解決數(shù)據(jù)幀的沖突問題，并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外還有一些基于流量自適應(yīng)機(jī)制的MAC協(xié)議[5]，通過對(duì)該機(jī)制中的退避窗口調(diào)節(jié)算法進(jìn)行優(yōu)化,也能在一定程度上避免隱藏終端的問題，并有效地改善吞吐量。部分基于雙信道和忙音信道的協(xié)議,通過對(duì)信道的劃分也能用來避免信息沖突 ，如 MARCH[6]（Media Access with Reduced Handshake）、DBTMA[7～8]（Dual Busy Tone Multiple Access）協(xié)議。但是這一系列的方法設(shè)計(jì)算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，不利于廣泛使用。

另一種解決隱藏終端問題是從接收節(jié)點(diǎn)開始入手[9]，其思路為：使接收節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)知道自己此時(shí)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。然而觸發(fā)傳輸?shù)氖前l(fā)送方而不是接收方，因此接收節(jié)點(diǎn)往往無法準(zhǔn)確提前告知其周圍鄰居節(jié)點(diǎn)此時(shí)和將來一段時(shí)間的接收情況。

1 協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 協(xié)議概述

本文提出的MAC協(xié)議是一種基于握手機(jī)制的協(xié)議。該協(xié)議以接收節(jié)點(diǎn)為中心，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間被分成兩個(gè)部分，握手階段（Handshake Time,HT）和數(shù)據(jù)發(fā)送階段（Data transmission Time,DT）。在HT階段分為兩次握手，首先接收節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，會(huì)等待來自發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送計(jì)劃信號(hào)（Plan Signal,PS）。當(dāng)收到第一個(gè)PS時(shí)，會(huì)進(jìn)入一段等待時(shí)間TW，在TW時(shí)間內(nèi)，接收節(jié)點(diǎn)將持續(xù)保持空閑狀態(tài)并接收其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)的PS。發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送信息時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入到偵聽狀態(tài)，若偵聽到接收節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)則會(huì)進(jìn)入隨機(jī)等待時(shí)間（Backoff Time,BT），每個(gè)節(jié)點(diǎn)的BT是隨機(jī)設(shè)定的。BT截止后，各發(fā)送節(jié)點(diǎn)將發(fā)送計(jì)劃信號(hào)PS發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入等待狀態(tài)。接收節(jié)點(diǎn)收到PS后將其存儲(chǔ)在接收計(jì)劃表中。

接收節(jié)點(diǎn)建立接收計(jì)劃后，對(duì)接收計(jì)劃信息進(jìn)行處理，然后打包成發(fā)送控制包（Send Control Package,SCP），發(fā)送給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)收到SCP后，將提取接收計(jì)劃的信息，然后按照接收計(jì)劃信息依次發(fā)送消息。該協(xié)議最主要的一個(gè)特點(diǎn)是，接收節(jié)點(diǎn)不只是與唯一的發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手，而是在TW時(shí)間內(nèi)與周圍所有需要發(fā)送信息的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手。這樣在有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，能夠大大降低握手的等待時(shí)間，提高數(shù)據(jù)發(fā)送速率。此外通過握手能夠掌握發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息，以此建立接收節(jié)點(diǎn)的接收計(jì)劃。將合理的接收計(jì)劃告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收計(jì)劃依次發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣不僅避免由隱藏終端導(dǎo)致的信息沖突，也避免了由暴露終端導(dǎo)致的信道資源浪費(fèi)的問題。

1.2 協(xié)議特點(diǎn)

（1）握手策略

在HT階段的握手策略是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起握手。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)會(huì)等待來自發(fā)送節(jié)點(diǎn)的PS。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有發(fā)送意愿的時(shí)候會(huì)進(jìn)入到偵聽狀態(tài)，若在偵聽過程中發(fā)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入BT，當(dāng)BT結(jié)束后，有發(fā)送數(shù)據(jù)意愿的鄰居節(jié)點(diǎn)即發(fā)送節(jié)點(diǎn)，會(huì)將發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間Td記錄到PS中，然后發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)，此時(shí)第一次握手結(jié)束。接收節(jié)點(diǎn)收到PS后，會(huì)將PS中的Td提取出來存儲(chǔ)在接收計(jì)劃表中以便在建立接收計(jì)劃過程中使用。接收節(jié)點(diǎn)的接收計(jì)劃建立后，會(huì)將接收計(jì)劃記錄在SCP中，然后將SCP發(fā)送給每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)收到SCP后，有發(fā)送意愿的節(jié)點(diǎn)將按照接收計(jì)劃依次發(fā)送數(shù)據(jù)，而沒有發(fā)送意愿的節(jié)點(diǎn)將在整個(gè)發(fā)送過程中不在發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)第二次握手結(jié)束。本協(xié)議的握手流程圖如圖1所示，其中在第一次握手結(jié)束后的BT階段，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的BT都是隨機(jī)的，大小可能相同也可能不相同。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)比較多的時(shí)候，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將PS發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生信息沖突的概率也會(huì)大大增加。此時(shí)為每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)BT，最大程度的錯(cuò)開PS的發(fā)送時(shí)間，能在最大程度上降低接收節(jié)點(diǎn)接收PS時(shí)產(chǎn)生信息沖突的概率。

圖1 握手流程圖

（2）接收計(jì)劃建立過程

在HT階段，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送PS后，接收節(jié)點(diǎn)將根據(jù)PS到達(dá)的順序和PS內(nèi)的Td來建立接收計(jì)劃。接收計(jì)劃主要用來為每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸次序、劃分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸時(shí)隙和預(yù)留信道。接收計(jì)劃的建立過程如圖2所示。發(fā)送節(jié)點(diǎn)1、發(fā)送節(jié)點(diǎn)2與發(fā)送節(jié)點(diǎn)3經(jīng)過BT的等待后，開始發(fā)送PS給接收節(jié)點(diǎn)1。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)1的PS最先到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)1時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)1將為發(fā)送節(jié)點(diǎn)1設(shè)定一個(gè)發(fā)送優(yōu)先級(jí)（Send Priority Level，SPL），并令 SPL=1。發(fā)送節(jié)點(diǎn) 2 的 PS 第二個(gè)到達(dá)后，則其SPL=2，發(fā)送節(jié)點(diǎn)3的PS第三個(gè)到達(dá)，則SPL=3。SPL劃分完成后，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)將發(fā)送節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的PS里的Td取出來與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的SPL一起記錄在接收計(jì)劃表中。全部記錄完畢后，接收節(jié)點(diǎn)將根據(jù)SPL和Td為每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)定發(fā)送等待時(shí)間TSi。當(dāng)SPL=1時(shí)，TS1=TSIFS，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)經(jīng)過短幀間間隔（Short Inter Frame Space,SIFS）的等待后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)SPL=2時(shí)，TS2=TS1+Td1，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要等待的時(shí)間為上一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送等待時(shí)間和發(fā)送時(shí)間之和。當(dāng)SPL=3時(shí)，TS3=TS1+TS2+Td2。依次類推，當(dāng)SPL=n 時(shí)，TSn=TS1+TS2+TS3+...+TS（n-1）+Td（n-1）。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送等待時(shí)時(shí)間設(shè)定完畢后，將其記錄在SCP中發(fā)送給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)將設(shè)定一個(gè)接收數(shù)據(jù)時(shí)間Tr，其值Tr=TSn+Tdn。至此接收計(jì)劃制定完畢，接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送完SCP后會(huì)經(jīng)過SIFS的等待后進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并開始計(jì)時(shí)。

圖2 接收計(jì)劃建立過程

（3）沖突避免機(jī)制

隱藏終端問題是本協(xié)議所需要解決的關(guān)鍵問題，在本協(xié)議的握手階段，將會(huì)針對(duì)由隱藏終端問題導(dǎo)致的信息沖突給出解決方案。首先，在第一次握手階段，在發(fā)送PS前通過隨機(jī)的BT等待，可以避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送PS到接收節(jié)點(diǎn)的過程中產(chǎn)生信息沖突，而沒有發(fā)送意愿的節(jié)點(diǎn)若收到PS將進(jìn)入到退避狀態(tài)。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送SPC后，無發(fā)送意愿的鄰居節(jié)點(diǎn)接收到SCP提取出接收節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間Tr，開啟計(jì)時(shí)器，并保持退避狀態(tài)，直到Tr結(jié)束。在Tr期間無發(fā)送意愿的鄰居節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行信息的接收，但不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而避免了隱藏終端和暴露終端的問題。

（4）數(shù)據(jù)傳輸

經(jīng)過HT階段的握手后進(jìn)入到DT階段，接收節(jié)點(diǎn)將SCP發(fā)送出去后便進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，同時(shí)開啟計(jì)時(shí)器，直到Tr結(jié)束。發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到SCP后將提取對(duì)應(yīng)的發(fā)送等待時(shí)間TSi。然后開啟計(jì)時(shí)器，等待數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。發(fā)送節(jié)點(diǎn)1的SPL=1，在經(jīng)過TS1的等待后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)2的SPL=2，所以在等待TS2后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收節(jié)點(diǎn)3也在等待TS3后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在收到SCP后均開啟計(jì)時(shí)器然后進(jìn)入數(shù)據(jù)等待發(fā)送狀態(tài)。在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過為每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)定發(fā)送等待時(shí)間TSi，使每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)間區(qū)域內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免由于隱藏終端導(dǎo)致的數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。當(dāng)Tr截止后，接收節(jié)點(diǎn)停止接收數(shù)據(jù)，清空接收計(jì)劃表，重新進(jìn)入到HT階段。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸過程

2 仿真和結(jié)果分析

2.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)

本文將對(duì)本協(xié)議在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行仿真，使用仿真軟件為Exata。仿真主要對(duì)協(xié)議的行為和性能進(jìn)行驗(yàn)證，并與現(xiàn)有的基于802.11協(xié)議的RTSCTS握手機(jī)制進(jìn)行對(duì)比。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，仿真?chǎng)景大小為1000m×1000m，在場(chǎng)景中隨機(jī)分布5個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為500m。數(shù)據(jù)的傳輸速率為2Mb/s，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為512byte，則數(shù)據(jù)包傳輸持續(xù)時(shí)間為0.125us。TW的時(shí)間設(shè)定為5ms。本文將從吞吐量、丟包率和時(shí)延這三個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)本協(xié)議的性能。

2.2 仿真結(jié)果分析

（1）吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)所收到的數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)。如圖4所示，當(dāng)提供的負(fù)載較低時(shí)，兩種協(xié)議的吞吐量相差不大。這是由于當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，數(shù)據(jù)包發(fā)送沖突也小，兩種協(xié)議在握手過程中表現(xiàn)的性能相差不大。當(dāng)負(fù)載逐步增加時(shí)，本MAC協(xié)議的在吞吐量的表現(xiàn)上開始優(yōu)于RTS-CTS握手機(jī)制。當(dāng)負(fù)載大于20時(shí)優(yōu)勢(shì)開始明顯。這是由于當(dāng)負(fù)載增大后，RTSCTS機(jī)制在握手過程中需要耗費(fèi)更多的等待時(shí)間。而本MAC協(xié)議在TW時(shí)間內(nèi)與多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)握手，能夠大大降低握手等待的時(shí)間，從而提高吞吐量。

圖4 本MAC協(xié)議與RTS/CTS機(jī)制吞吐量比較

（2）丟包率

丟包率是指接收到數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值。圖5所示為本MAC協(xié)議與RTS-CTS機(jī)制丟包率的比較。隨著負(fù)載的增加，兩種協(xié)議的丟包率均出現(xiàn)一定程度的增加。當(dāng)負(fù)載小于30時(shí)，本MAC協(xié)議的丟包率比RTS-CTS的丟包率略小，當(dāng)負(fù)載大于40時(shí)，RTS-CTS機(jī)制的丟包率比本MAC協(xié)議的丟包率逐漸變得更大。這表明，RTS-CTS機(jī)制和本MAC協(xié)議都能通過握手控制由隱藏帶來的數(shù)據(jù)沖突問題，從而降低丟包率。在負(fù)載逐漸增加變大的情況下，本MAC協(xié)議比RTS-CTS機(jī)制具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是兩種協(xié)議隨著負(fù)載的增加均出現(xiàn)了丟包率增加的現(xiàn)象，說明還不能完全解決由隱藏終端帶來的數(shù)據(jù)沖突問題。

圖5 本MAC協(xié)議與RTS/CTS機(jī)制丟包率比較

（3）端到端時(shí)延

在圖6我們對(duì)比了本MAC協(xié)議與RTS-CTS機(jī)制的時(shí)延。當(dāng)負(fù)載小于33.66時(shí)，本MAC協(xié)議與RTSCTS機(jī)制在時(shí)延上基本上沒有區(qū)別，并且上升的變化很小。這是由于負(fù)載小，數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的量很小，兩種協(xié)議都需要在數(shù)據(jù)發(fā)送之前通過握手來預(yù)訂信道，所以兩種協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前都需要等待一定的時(shí)間，即造成的時(shí)延相差不大。當(dāng)負(fù)載大于33.66時(shí)，本MAC協(xié)議的時(shí)延要比RTS-CTS的時(shí)延要小，這是由于本MAC協(xié)議在握手過程中，通過接收節(jié)點(diǎn)和多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)握手，從而降低了握手的等待時(shí)間。此外握手完成后，節(jié)點(diǎn)按照接收計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送也極大地減少了數(shù)據(jù)幀的沖突，所以其時(shí)延小于RTS-CTS。

3 結(jié)語

本文針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)中隱藏終端和暴露終端的問題，設(shè)計(jì)了一種基于握手機(jī)制的以接收節(jié)點(diǎn)決策為主的新型MAC協(xié)議。該協(xié)議以接收節(jié)點(diǎn)在握手階段與多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手來獲取發(fā)送信息并制定接收計(jì)劃，合理安排信息的發(fā)送，從而解決了隱藏終端和暴露終端帶來的數(shù)據(jù)發(fā)送沖突問題。通過在仿真平臺(tái)上的大量模擬，并與RTS-CTS機(jī)制在吞吐量、丟包率和時(shí)延進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明本協(xié)議能夠獲得較高的吞吐量，比較低的丟包率和時(shí)延。

圖6 本MAC協(xié)議與RTS/CTS機(jī)制時(shí)延比較