殷毓偉

　?。暇┼]電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

　　摘要：近年來，關于無線電Ad Hoc網絡(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)兩種機制混合的混合型MAC層接入機制，在EDCA機制的前提下，給出了在CP時段的幀突發機制（Frame Bursting EDCA，FEDCA），通過仿真驗證了所提基于幀突發機制的FEDCA算法的優越性。該算法可提高系統性能，尤其是音頻業務的QoS性能。

　　關鍵詞：CRAHN；MAC層；EDCA；幀突發機制

0引言

　　CRAHN網絡（認知無線電Ad Hoc網絡）［1］結合了自組織網絡和認知無線電的特征，可廣泛應用于沒有基礎設施的場景，如環境惡劣的山區、救災、軍事等領域［1］。其利用TV頻段的空白來緩解頻譜緊張的問題。這種網絡形態可以作為現有通信網絡系統的補充，彌補基礎設施易毀性和滿足無線業務對頻譜資源的渴求性［2］。

　　Ad Hoc網絡的MAC協議按照信道訪問策略劃分為三類［3］：競爭協議(CP)、時隙分配協議(CFP)、混合協議。其中混合MAC協議是指競爭協議和時隙分配協議的綜合，它能綜合競爭協議和時隙分配協議的優點，在傳輸負載較輕時體現出競爭協議的優點，在傳輸負載較重時體現出時隙分配協議的優點。

1相關概念

　　本文場景是CRAHN網絡，設計了一種多信道分級分簇混合接入機制的網絡結構。文中研究的重點是改進的混合型MAC接入機制，用以提高實時性業務的QoS和多用戶間多業務通信。當業務量較大時，尤其是實時性要求較高的音頻業務幀較多時，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時段傳輸音頻業務幀。這就要求要有CP時段保障音頻業務幀QoS的接入機制和節點高速移動時網絡中出現大量多跳和隱藏終端問題的解決方案。本文在研究了EDCA機制的前提下，給出了在CP時段的幀突發機制（Frame Bursting EDCA，FEDCA）。FEDCA旨在改善所提混合型MAC協議的音頻幀的QoS性能。

2幀突發機制

　　2.1IEEE 802.11e中EDCA機制

　　IEEE 802.11e中的EDCA機制是基于分布式協調功能(DCF)機制提出的改進型競爭機制。標準的EDCA［4］機制中采用RTS/CTS機制解決隱藏終端問題，MAC層機制在數據幀連發時，只需要在第一幀前發送一次RTS和CTS幀［5］，而不需要每次都發送RTS/CTS幀。若數據接收成功后，接收端返回一個ACK幀；若RTS幀發生沖突，發射端立即將當期競爭窗口增大一倍，隨機選擇一個退避時間進行退避，退避結束后，開始重新發送RTS幀，競爭信道。標準的EDCA能很好地解決數據包相對大的數據業務，但是對于當傳輸實時短數據音頻業務時，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時段改進的F-EDCA機制

　　本文在標準EDCA的基礎上進行改進，提出F-EDCA機制，當實時短數據音頻業務的節點需要傳輸時，先采用標準的RTS/CTS方法競爭接入信道，當獲得訪問權限時，此后直到數據傳輸結束，不再啟用RTS/CTS過程，而是不間斷地發送N個短幀。在通信范圍內的其他節點在源節點發送N個短幀的過程中，始終被告知應該處于等待狀態，優先讓這N個短幀發送結束，才能重新加入競爭信道［6］。

　　詳細工作流程如下：RTS幀中攜帶的持續時間字段（Duration）保留有源節點要競爭信道的信息，利用Duration也能實現虛擬監測的功能。目的節點收到源節點發送的RTS，等待SIFS時間后，修改確認幀CTS含有的Duration，并發送CTS幀。其他節點持續監聽MAC幀中的Duration［7］，當Duration的值大于本節點的網絡分配矢量NAV時，則將Duration的值賦給本節點的NAV。如上所述，數據開始傳輸時，源節點持續發送N個短MAC幀，其他節點遞減其NAV，直至NAV=0，收到短MAC幀時，目的節點也會相應地發出ACK確認幀。當NAV=0時，其余節點才會恢復競爭信道過程［8］。

3算法的設計

　　對FEDCA機制的算法設計主要是從源節點、目的節點、其他節點的詳細處理過程入手。

　?。?）源節點的處理過程

　　當源節點有實時音頻業務幀要發送時，先采用RTS/CTS方式進行信道預約［9］。發送RTS幀前，需要計算源節點中高優先級的音頻業務幀的數量Vnum。表示此次信道預約的總時間Duration字段值按照如下規則設定：

　　當1≤Vnum<N時，RTS幀含有的Duration字段的Tduration為：

　　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為數據包的傳輸時延。

　　當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）

　　源節點預約信道成功后，連續發出Vnum個音頻業務幀，每完成一次音頻業務幀傳輸，源節點會收到目的節點返回的ACK幀，然后才進行下一個音頻業務幀的傳輸，這時Duration字段的值為：

　　Tduration=TACK+SIFS+2×(Vnum－1)+(Vnum－1)×(TACK+Tdata+SIFS)（3）

　?。?）目的節點的處理過程

　　目的節點收到源節點發送來的RTS幀后，返回一個確認幀CTS，并根據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。

　　音頻業務幀傳輸過程中，發送的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則是音頻業務幀的Duration值。目的節點會依據接收到的幀中的Duration值來更新自身的NAV值。

　　（3）其余節點的處理過程

　　其余節點的處理較為簡單，只需要依據接收到的ACK確認幀和音頻業務幀中的Duration幀，來更新自身NAV的值，當NAV=0時，重新開始競爭信道。

4仿真結果與分析

　　用MATLAB仿真實現對MAC協議的評估。假設每個工作節點機的通信距離為半徑50 000 m，場景有80個工作節點機隨機分布在20 000 m×20 000 m的平面范圍內，每個超幀周期為80 ms。

　　4.1節點相對靜止時的通信仿真

　　假設節點速度很慢或者需要通信的節點相對靜止，為了不考慮隱藏終端的影響，本仿真驗證只考慮單跳情況。仿真中設定的數據幀為實時性音頻業務幀，分別對標準EDCA［10］機制（正常使用RTS/CTS機制）、不使用RTS/CTS情況下的EDCA機制和本文所提的FEDCA機制這三種情況的時延和時延抖動進行QoS性能評估。比較結果如圖1、圖2所示。

　　由圖1可以看出，當音頻業務流數變多時，三種機制的時延都遞增，且FEDCA始終是三種機制中時延最小的一個，當音頻業務流數大于9時，標準EDCA和noRTSEDCA的時延都急劇增加，且標準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EDCA平均時延比標準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務幀的時延。

　　由圖2可知，三種機制時延抖動都是隨著音頻業務流數遞增而遞增［12］，但是FEDCA的時延抖動相對標準EDCA和noRTS-EDCA都較低，當音頻業務流數大于15時，標準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。此外當音頻業務流數大于16時［13］，標準EDCA和noRTS-EDCA的時延抖動開始超出音頻業務時延抖動的指標要求，而F-EDCA的時延抖動始終小于1 ms，符合時延抖動的指標要求。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業務幀的時延抖動［14］。

　　圖3音頻業務的丟包率圖3是對音頻業務的丟包率的分析情況。由圖可以看出，當音頻業務流數增加時，三種機制的丟包率都遞增，F-EDCA的音頻業務流丟包率明顯低于標準EDCA和noRT-EDCA。隨著音頻業務流的增加，標準EDCA和noRTSEDCA音頻業務的丟包率急劇增加，而F-EDCA的音頻業務流丟包率增加得極為緩慢，且都小于0.7%［15］，符合音頻業務丟包率的指標。因為在FEDCA機制中，預約信道成功后，在發送多個音頻業務幀期間，其他節點被告知停留在等待狀態，不會再參與信道競爭，故音頻業務幀不容易丟包。

　　綜上所述，FEDCA機制在速度較慢或者相對靜止情況下，很好地保障了音頻業務的QoS，降低了丟包率、時延抖動、平均時延。

　　4.2節點移動時的通信仿真

　　節點仍然處于20 000 m×20 000 m的平面范圍內移動，設置了8個節點，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，設置8條音頻業務幀進行仿真，進行10次仿真取其平均值。使用標準EDCA、AEDCA（自適應EDCA）和FEDCA機制進行比較。如圖4、圖5所示?！?/p>

　　由圖4可以看出，當節點移動速度增加時，F-EDCA的時延始終低于標準EDCA和A-EDCA，且平均時延都遞增，F-EDCA的時延增加得比較緩慢，明顯好于標準EDCA和A-EDCA，F-EDCA平均時延比標準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務幀的時延。

　　由圖5可以看出，當節點移動速度增加時，三種機制的時延抖動都遞增，但是F-EDCA的時延抖動始終低于標準EDCA和A-EDCA，F-EDCA的時延抖動增加得比較緩慢，明顯好于標準EDCA和A-EDCA。F-EDCA的時延抖動比標準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音頻業務幀的時延抖動降低很多。

　　綜上所述，F-EDCA機制在節點移動情況下，也很好地保障了音頻業務的QoS，降低了時延抖動、平均時延。

5結束語

　　本文對多信道分級分簇混合接入機制的CRAHN網絡的CP時段進行了研究，提出了改進型FEDCA(突發幀)接入機制，方案簡單高效，解決了節點移動或者網絡負載較大時音頻業務的Qos惡化情況，有效地保障了音頻業務的Qos性能。仿真結果表明，無論節點在相對靜止還是運動的情況下，都很好地保障了音頻業務的Qos，降低了時延抖動、平均時延，證實了所提方案的優越性。

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