Ad Hoc网络MAC层协议公平性分析与改进

1、Ad Hoc网络MAC层协议公平性分析与改进摘要：本文首先分析了Ad Hoc网络存在的公平性问题，其次，在MAC层改进协议的传输假设下，研究了保证改进协议公平性的退避机制以及MAC层协议的公平性模型，最后通过仿真表明研究的有效性。关键词：MAC层协议；公平性分析；Ad Hoc网络1 引言由于Ad Hoc网络的多跳通信以及无线通信的共享信道，Ad Hoc网络在节点数量较大和通信量密集时的性能不能令人满意，在对实时多媒体业务的支持上尤其不利。本文研究的主要意义旨在通过对现在广泛应用于无线网络的MAC层系列协议的基础上，针对于Ad Hoc网络以及MAC层系列协议的特点，找到一种适合Ad Hoc网络的

2、MAC协议或机制，使之能够提高实时多媒体业务在Ad Hoc网络中的服务质量。2 公平性问题的剖析2.1 Ad Hoc网络的公平性对Ad Hoc网络的公平性问题，即是期望所有的节点以均等的机会访问。移动Ad Hoc网络不存在中心控制节点，各节点处于平等地位，因而需要有MAC协议来控制各节点接入信道的能力。而对Ad Hoc网络公平性起着关键作用的是退避算法。如果退避算法赋予各节点的退避时间相差悬殊，就可能引发公平性问题，严重的可能造成某些节点一直无法接入，即造成“饿死”现象【1】。所以，要采用适当的退避算法，以便在退避一段时间后能成功地发送报文，并保证移动Ad Hoc网络的公平性。一种解决方法是赋

3、予各节点相同的退避时间，这就能充分保证公平性，然而，这样做虽然能保证各节点访信道的能力完全相等，但却增大了各退避时间同时减小到0的可能性，从而增大了发生冲突的机率。2.2 退避机制的公平性退避算法总是对最近发送成功的节点有利，对发送失败的节点不利，使各节点间存在明显的不公平。采用二进制退避机制时，每个节点竞争窗口的初始大小为，在每次竞争信道失败后，节点都将以二进制指数递增的方式增大竞争窗口直到竞争窗口达到最大值，每次获得信道控制权并传输成功后，竞争窗口都将重置为。由于参与竞争信道的所有节点中只有一个节点能够竞争信道成功，所以除了竞争信道成功的节点能够将竞争窗口重置为外，其它参与信道竞争的节点都

4、要将自己的竞争窗口加倍。这样，在下一次信道竞争时，由于上次竞争信道成功的节点由于竞争窗口较小，更有可能选取一个较小的后退时间，在再次竞争信道时获胜的可能性更大【2】。对于再次竞争失败的其它节点，竞争窗口的进一步增大愈加降低了这些节点在接下来的信道竞争中获得信道访问权的可能。竞争失败次数越多的节点，其竞争窗口比其它节点越大，获得信道访问权的可能性越低，这就严重影响了信道带宽资源的公平分配，在极端条件下甚至可能发生一个节点独占信道带宽资源的情况。2.3 PCMA协议的公平性PCMA协议的最大问题在于在传输负载较重时存在公平性问题。从长程角度来说，如果一个节点想要同一个较远的节点通信，应该使用一个较

5、高的功率进行传输。可是在PCMA协议中，一个使用较高功率进行传输的节点总是在获取信道上处于劣势，因为节点的一旦超过约束功率，节点将无法接入信道。如果节点附近有很多并发的传输，可能被限制在一个较小的水准上。因此对于相距较远的节点对来说，这种信道接入协议是不公平的。不公平问题的另一方面原因在于PCMA协议中使用的BEB退避算法的缺陷。在某一小段时间内，BEB算法总是有利于前一次成功发送的节点短时间内再次竞争信道甚至持续占有信道，而竞争中失败的节点将会处于更不利的地位，从而造成小时间尺度上的不公平性现象，即短程不公平性。而且节点不能了解周围网络状况，退避窗口由各个节点单独计算，不能根据网络状况动态地

6、调整，导致不公平性的加剧。3 Ad Hoc网络MAC层协议的改进设计3.1 MAC层改进协议的传输假设 本文研究的MAC层改进协议的传输假设描述如下：(1)使用和PCMA协议一样的信道传输模型假设。(2)为了避免多个忙音信号的重叠，本文研究的MAC层改进协议采用了周期性的忙音脉冲。只有1-2%的带宽用来发射忙音就可以达到最佳的性能。这样，我们假设由忙音信号引起的开销可以忽略不计。(3)我们也假设不需要由接收端返回APTS分组，发送节点就已知发送数据分组的传输功率值。为了确定，发送节点必须掌握接收端和自己的距离信息。为了帮助发端确定到达接收端的距离，已经提出了很多位置可知的MAC协议，例如通过全

7、球定位系统GPS来确定，也可以通过先验路由来估计。3.2 保证改进协议公平性的退避机制(1)双窗口的实现不同于BEB的单窗口机制，DWDB采用两个窗口值CW1和CW2，其随机退避时间是用下面的公式计算得到的：其中，为一个平均分布在段上的伪随机整数，为一个平均分布在段上的伪随机整数。CWl为一个常整数，CW2是介于CW2min和CW2max之间的一个整数，rtime为重传次数，N为重传调整系数，是一个在本文研究的MAC层改进协议中所设定的退避次数门限值B_Thresh以内的正整数。(2)竞争窗口通告机制在控制分组RTS中增加一个字段CW，表示节点的当前窗口值，构成新的RTS帧结构。并采用竞争窗口

8、通告机制，当周围的节点接收到RTS分组后检查其中的CW字段的值，并重新计算接收窗口值RC。新的接收窗口值RC等于原接收窗口值与RTS分组中包含的窗口值的平均。(3)重传机制当节点重传次数rtime小于等于N时，发送失败后CW2将被重新计算，等于MIN（2CW2，CW2max），节点将在一个更大的范围内选择随机整数，再次发生冲突的可能性就减少。当节点重传次数大于N时，节点将从中选择随机整数，由于其他节点都是从中选择随机数，一旦其他节点发送完数据帧，该节点就能够尽快捕获信道。当节点成功发送完一帧后，CW2被设置为初始窗口值CW2suc，节点就在中选择一个随机数等待发送下一帧。CW2suc将按下列算

9、法重新计算。3.3 MAC层改进协议的公平性模型 (1)当节点i已经进行的退避次数不大于B-Thresh时，采用双窗口动态退避机制DWDB来动态的调整退避计数器值的大小。其中重传调整系数N的选取规则如下：(2)若节点i在经过了B-Thresh次退避后，仍无法接入信道时，就以功率在发送忙音信道上持续传输忙音信号，直到节点获取信道为止。(3)如果一个节点在发送忙音信道上侦听到的最大接收功率比正确解调一个包的门限值RX-Thresh大，节点会进入退避状态并拒绝所有RPTS请求，直到接收忙音信道上的周期性脉冲消失。否则，它就把忙音信道上的脉冲功率作为附加噪声。(4)节点i开始发送忙音信号后，便持续侦听

10、接收忙音信道来更新自身的传输约束功率。当时，节点i停止发送忙音信号，并按照本文研究的MAC层改进协议的基本模型接入信道。4 Ad Hoc网络MAC层协议改进的仿真分析本文为了定量分析MAC层改进协议的公平性，根据结点的距离远近将数据流分为五组，并使用Jain的公平性系数方程作为评价标准：其中，n是一个分组中数据流的个数，是一个数据流的吞吐量。公平性系数在之间取值。其值越接近1，表示MAC层改进协议流的公平性越好。公平性系数越小，结点抢占信道的能力悬殊越大，不公平性越明显。本文研究的MAC层改进协议公平性模型的仿真结果图如图（1）所示：从图（1）中我们可以看到，DBTMA协议是一个较为公平的协议。而PCMA协议由于受到功率约束，且使用二进制指数退避机制，因而存在着非常严重的不公平性问题。本文研究的MAC层改进协议（S-PCMA协议）将双忙音多址接入协议DBTMA以及双窗口动态退避机制DWDB相结合，解决了PCMA协议中的不公平性问题，尤其是在B_Thresh较小的时候。当B