分析Ad hoc网络多信道MAC协议设计与应用

1、【Word版本下载可任意编辑】 分析Ad hoc网络多信道MAC协议设计与应用 无线自组织网络即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一种不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，开展数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点开展数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。目前，国内外有

2、大量研究人员开展此项目研究。 无线自组织网络（mobile ad-hoc network）是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供应。 1 协议基本思想 把整个信道分为1个控制信道和n个数据信道，这些子信道互不重叠且带宽相等，每个节点配置两部半双工收发机，1个用于控制信道，1个可在n个数据信道间切换使用。CUL表项有3个元素：CUL.host是A的一个邻居地址，CUL.ch是被邻居CUL.host占用的数据信道，CUL.rel_time指CUL.ch信道的释

3、放时间。FCL表可由CUL计算得出。 建立发送链表，采用自动重传技术，双方可实现数据信道上连续的DATA/ACK帧交换过程，直到通信完成或者到达预定通信时间。下面说明协议中的几个重要规则。协议中用到的标识符含义如下表1所示。 1.1 发送链表 按目的地址的不同把高层数据参加到相应链表中，发送数据链表的构造形式如图1所示。 Hld_Data_Elem是高层数据的表示构造，pkptr指向高层数据，qos是描述分组优先级的整数值，实时（语音、视频等）分组比数据分组优先级高，ar_time是高层数据的到达时间。NL是链表头构造，具有同一目的地址的分组均放在此链表中，Hld_List是链表头指针，des

4、t是目的地址，T_qos是表示此链表中所有分组的平均优先级权值，由链表中所有分组的qos和ar_time值决定： 1.2 控制信道规程 在控制信道上交换RTS/CTS/RES帧预约数据信道，RTS/CTS/RES帧格式如图2所示。 RTS帧中的N域表示发送链表中的高层数据个数；Tdl（Total data length）域是N个高层数据的总长度，目的节点可以结合N、Tdl域计算数据信道上的总通信时间。Ndl（next data length）域是节点A当前发送链表中下一个要发送的数据长度，用于节点B设置超时定时器。 要在数据信道上实现连续的帧交换功能，则在控制帧交换过程中，网络分配矢量NAVc

5、ts必须有效地预测数据信道Dj上的通信时间，NAVcts值被设为发送链表中的数据正常交换完成所需要的时间，NAVcts的计算过程如下： 源节点的当前发送链表中有4条数据，在数据信道上正常交换时的传输序列如图3所示，由此可以推出： NAVcts=TdlA+NAT_ack+2NAT_prop 其中，若帧交换过程中出现异常需要重传，则数据信道上的通信时间将会大于NAVcts值，这种异常情况的处理见下文。 1.3 数据信道规程 数据信道上交换DATA/ACK帧，DATA/ACK帧格式如图4所示。 DATA帧中的Seq域用于对方节点区分到来是否是重复帧，正常情况下此位按0、1交替变化，在重传时不发生变化

6、，这样重传时设置Seq位不变，对方节点便知道是重复帧而丢弃它；Itrp域是强制中断位，正常情况下此位为1，当为0时，表示要求立即停止通信，之后双方交换ACK帧结束本次通信。 系统记录数据信道上的通信时间，当发生重传时，源节点在发送本条数据时，计算发送链表中下一条数据正常传输结束的时刻会不会超过NAVcts值表示的时刻，如果超过，则把Itrp位置0，强制结束通信，如图5中所示，目的节点收到DATA（Itrp（0）时，返回ACK帧，之后结束通信。 2 本文协议的描述过程 本文协议的描述过程如下，其分组交换时序图如图6所示。 （1）节点（如A）发送链表不全为空时，选择T_qos权值的链表作为当前发送

7、链表，其目的地址为节点B，在RTS帧前，节点A做三项检查： （a）保证目的节点B的数据信道收发机空闲。在CUL表中不能有： CUL.host=B且CUL.rel_timeT_curr+（T_rts+T_sifs+T_cts） （b）保证本节点的数据信道收发机空闲。在CUL表中不能有： CUL.host=A且CUL.rel_timeT_curr+（T_rts+T_sifs+T_cts） （c）保证本节点A有空闲的数据信道。至少一数据信道Dj满足： CUL.ch=Dj且CUL.rel_time=T_curr+（T_rts+T_sifs+T_cts） 再把满足条件的信道记入FCL表，设置好NAVrt

8、s、Fcl、N、Tdl、Ndl等域，向B发送RTS帧。 （2）收到RTS帧后，B检查是否有匹配的空闲数据信道，能否满足FCLA与FCLB有匹配项或者对DjEFCLA有：CUL.ch=Dj且CUL.rel_time=T_curr+T_cts存在。 （a）若满足，选择一个空闲数据信道（如Dj），设置NAVcts等域，向A返回NAVcts（Dj，NAVcts）帧。然后把数据信道收发机切换到Dj，准备接收DATA帧。 （b）若不满足，返回CTS（0，T_est）帧，其中T_est是B节点有空闲信道的估计时间。 （3）当非目的节点收到RTS帧时，控制信道上执行退避，以防止控制信道上发生冲突，退避时间为：

9、 NAVrts=T_cts+T_res+2T_sifs+2T_prop （4）收到B的CTS（Dj，NAVcts）后，节点A执行： （a）向CUL表中增加一表项： CUL.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.rel_time=T_curr+NAVcts； （b）把数据信道收发机切换到Dj上发送DATA帧，发送完设置超时定时器。 （c）发送广播帧RES（Dj，NAVres），其中： NAVres=NAVcts-T_sifs-T_res-T_prop。 若收到的是CTS（T_est）帧，则A退避T_est时间重新发送RTS帧。 （5）非源节点C收到B返回的CTS（Dj，NAVcts）帧时

10、： （a）向CUL表中增加一表项： CUL.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.rel_time=T_curr+NAVcts 若收到的是CTS（T_est），不做任何处理。 （6）非目的节点收到来自A的广播帧RES（Dj，NAVres）时，向CUL表中增加一项： CUL.host=B； CUL.ch=Dj； CUL.rel_time=T_curr+NAVres （7）当收到A的DATA帧时，B返回ACK帧： （a）检查DATA帧的Itrp位是否为0，若是，则回复ACK帧后终止通信。 （b）检查DATA帧的Seq位，确认是否为重发帧，再根据情况决定是否丢弃DATA帧。 （c）根据DAT

11、A帧的Ndl域值，在回复ACK帧后设置超时定时器，若Ndl值为0，表示源节点数据发送完毕，回复ACK后结束通信。若DATA帧错误或定时器超时回复ACK（Ack（0）以示重传。 （8）当收到节点B的ACK帧时，A回DATA帧： （a）若ACK帧中Ack位为0，则重传上一条DATA帧，其中Seq位保持不变。 （b）计算下一条数据传输完成后立即结束本次通信时刻会不会超过NAVcts值表示的时刻，若超过，回复DATA帧中Itrp位置1，就此终止通信。 若ACK帧错误或者定时器超时，则重传上一条DATA帧。 本协议的优点在于建立发送链表，结合自动重传请求技术，实现连续的帧交换过程，减少了控制帧交换次数，

12、既增加数据信道上的通信时间，又减少了控制信道上的冲突。 4 仿真结果分析 在相同的场景中，从吞吐量、分组平均时延两方面比较本文协议和DCA协议的性能。仿真条件：在3 km3 km的范围内放置50个节点，通信距离为300 m，仿真时间为400 s，分组长度1 024 B，发包率服从Poisson分布，其中实时业务分组随机产生，数据分组帧间隔50 ?滋s，实时分组帧间隔20 ?滋s。仿真结果比照如图7、图8所示。 DCA协议中，每条数据发送前需要开展信道预约，而本文协议实现了数据信道上的连续帧交换过程，信道预约可以完成多个分组交换，既大大防止了控制信道上的冲突，又提高了数据信道上的平均通信时间，系统的吞吐量和平均时延特性得到明显改善。 Ad hoc网络一般有两种构造：平面构造和分级构造。 在平面构造中，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式构造。 分级构造中，网络被刈分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高的网络。在高网络中，又可以分簇，再次形成更高的网络，直至。在分级构造中，簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。 分级构造的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关结点（