摘  要： 提出了一種提供QoS保障的多信道MAC協議，該協議把不同種類業務劃分優先級和幀間隔時間，以保障優先級高的數據較早接入信道，同時把高層數據按目的地址的不同建立發送鏈表，采用自動重傳技術，實現數據信道上連續的幀交換過程。仿真結果表明，該方法大大提高了數據信道利用率，改善了系統性能。
關鍵詞： 無線自組織網絡；服務質量；介質接入控制協議；多信道

    無線自組織網絡(Ad hoc)是一種具有無中心、自組織、快速展開和移動等特點的對等式網絡，又被稱作多跳網絡(Multi-hop Network)或自組織網絡(Self-organized Network)[1]。隨著自組網業務的多樣化以及逐漸向公用網絡領域滲透，服務質量QoS(Quality of Service)保障問題越來越重要，介質接入控制(MAC)協議是自組網QoS體系中最基本的部分，主要用來管理和協調多個用戶共享可用的頻譜資源，QoS路由和信令都要依賴它。MAC需要解決兩個問題[2]：如何將頻譜劃分為不同的信道，如何將信道資源分配給不同的用戶。在Ad hoc網絡MAC協議領域，多信道技術成為研究熱點，很多的多信道MAC協議能較好地解決信道爭用、隱藏終端、暴露終端[3-4]，與單信道技術相比，其具有提高系統吞吐量、降低時延等優點[3-5]，但是大部分不能為實時業務提供QoS保障。本文結合多信道DCA[5]協議信道預約的思想，給不同種類的業務劃分優先級和幀間隔，保證優先級高的業務較早地預約數據信道，同時把高層數據按目的地址的不同建立發送鏈表，實現數據信道上連續的幀交換，改善了系統吞吐量和時延特性。
1 協議基本思想
    把整個信道分為1個控制信道和n個數據信道，這些子信道互不重疊且帶寬相等，每個節點配置兩部半雙工收發機，1個用于控制信道，1個可在n個數據信道間切換使用。通信雙方通過在控制信道上交換RTS/CTS/RES幀來預約數據信道，然后在數據信道上交換DATA/ACK幀進行通信。每個節點(如A)保存信道使用列表CUL[]和空閑信道列表FCL。CUL[]表項有3個元素：CUL[i].host是A的一個鄰居地址，CUL[i].ch是被鄰居CUL[i].host占用的數據信道，CUL[i].rel_time指CUL[i].ch信道的釋放時間。FCL表可由CUL[]計算得出。
    建立發送鏈表，采用自動重傳技術，雙方可實現數據信道上連續的DATA/ACK幀交換過程，直到通信完成或者達到預定通信時間。下面說明協議中的幾個重要規則。協議中用到的標識符含義如表1所示。

1.1 發送鏈表
    按目的地址的不同把高層數據加入到相應鏈表中，發送數據鏈表的結構形式如圖1所示。

    Hld_Data_Elem是高層數據的表示結構，pkptr指向高層數據，qos是描述分組優先級的整數值，實時(語音、視頻等)分組比數據分組優先級高，ar_time是高層數據的到達時間。NL[]是鏈表頭結構，具有同一目的地址的分組均放在此鏈表中，Hld_List是鏈表頭指針，dest是目的地址，T_qos是表示此鏈表中所有分組的平均優先級權值，由鏈表中所有分組的qos和ar_time值決定：

1.2 控制信道規程
    在控制信道上交換RTS/CTS/RES幀預約數據信道，RTS/CTS/RES幀格式如圖2所示。

    RTS幀中的N域表示發送鏈表中的高層數據個數；Tdl(Total data length)域是N個高層數據的總長度，目的節點可以結合N、Tdl域計算數據信道上的總通信時間。Ndl(next data length)域是節點A當前發送鏈表中下一個要發送的數據長度，用于節點B設置超時定時器。
    要在數據信道上實現連續的幀交換功能，則在控制幀交換過程中，網絡分配矢量NAVcts必須有效地預測數據信道Dj上的通信時間，NAVcts值被設為發送鏈表中的數據正常交換完成所需要的時間，NAVcts的計算過程如下：
    源節點的當前發送鏈表中有4條數據，在數據信道上正常交換時的傳輸序列如圖3所示，由此可以推出：
    NAVcts=Tdl_A+N_A×T_ack+2N_A×T_prop

其中，若幀交換過程中出現異常需要重傳，則數據信道上的通信時間將會大于NAVcts值，這種異常情況的處理見下文。
1.3 數據信道規程
    數據信道上交換DATA/ACK幀，DATA/ACK幀格式如圖4所示。

    DATA幀中的Seq域用于對方節點辨別到來是否是重復幀，正常情況下此位按0、1交替變化，在重傳時不發生變化，此位是必要的，因為節點超時定時器發生超時，可能是正確的應答幀在鏈路上丟失造成的，這樣重傳時設置Seq位不變，對方節點便知道是重復幀而丟棄它；Itrp域是強制中斷位，正常情況下此位為1，當為0時，表示要求立即停止通信，之后雙方交換ACK幀結束本次通信。
    系統記錄數據信道上的通信時間，當發生重傳時，源節點在發送本條數據時，計算發送鏈表中下一條數據正常傳輸結束的時刻會不會超過NAVcts值表示的時刻，如果超過，則把Itrp位置0，強制結束通信，如圖5中所示，目的節點收到DATA(Itrp(0))時，返回ACK幀，之后結束通信。A中未傳完的數據依然留在發送鏈表中。因此，Itrp位保證了發生錯誤重傳時，數據信道上總的通信時間不大于NAVcts表示的時間，既充分利用了信道資源，又及時釋放信道不至于造成沖突。

2 本文協議的描述過程
    本文協議的描述過程如下，其分組交換時序圖如圖6所示。

    (1)節點(如A)發送鏈表不全為空時，選擇T_qos權值最大的鏈表作為當前發送鏈表，其目的地址為節點B，在RTS幀前，節點A做三項檢查：
    (a)保證目的節點B的數據信道收發機空閑。在CUL表中不能有：
    CUL[i].host=B且CUL[i].rel_time>T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
    (b)保證本節點的數據信道收發機空閑。在CUL表中不能有：
    CUL[i].host=A且CUL[i].rel_time>T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
    (c)保證本節點A有空閑的數據信道。至少一數據信道Dj滿足：
    CUL[i].ch=Dj且CUL[i].rel_time<=T_curr+(T_rts+T_sifs+T_cts)
    再把滿足條件的信道記入FCL表，設置好NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl等域，向B發送RTS幀。
    (2)收到RTS幀后，B檢查是否有匹配的空閑數據信道，能否滿足FCLA與FCLB有匹配項或者對DjEFCLA有：CUL[i].ch=Dj且CUL[i].rel_time<=T_curr+T_cts存在。
    (a)若滿足，選擇一個空閑數據信道(如Dj)，設置NAVcts等域，向A返回NAVcts(Dj，NAVcts)幀。然后把數據信道收發機切換到Dj，準備接收DATA幀。
    (b)若不滿足，返回CTS(0，T_est)幀，其中T_est是B節點有空閑信道的最小估計時間。
    (3)當非目的節點收到RTS幀時，控制信道上執行退避，以避免控制信道上發生沖突，退避時間為：
    NAVrts=T_cts+T_res+2×T_sifs+2×T_prop
    (4)收到B的CTS(Dj，NAVcts)后，節點A執行：
    (a)向CUL表中增加一表項：
       CUL[i].host=B；
       CUL[i].ch=Dj；
       CUL[i].rel_time=T_curr+NAVcts；
    (b)把數據信道收發機切換到Dj上發送DATA幀，發送完設置超時定時器。
    (c)發送廣播幀RES(Dj，NAVres)，其中：
    NAVres=NAVcts-T_sifs-T_res-T_prop。
    若收到的是CTS(T_est)幀，則A退避T_est時間重新發送RTS幀。
    (5)非源節點C收到B返回的CTS(Dj，NAVcts)幀時：
    (a)向CUL表中增加一表項：
       CUL[i].host=B；
       CUL[i].ch=Dj；
       CUL[i].rel_time=T_curr+NAVcts
    若收到的是CTS(T_est)，不做任何處理。
    (6)非目的節點收到來自A的廣播幀RES(Dj，NAVres)時，向CUL表中增加一項：
       CUL[i].host=B；
       CUL[i].ch=Dj；
       CUL[i].rel_time=T_curr+NAVres
    (7)當收到A的DATA幀時，B返回ACK幀：
    (a)檢查DATA幀的Itrp位是否為0，若是，則回復ACK幀后終止通信。
    (b)檢查DATA幀的Seq位，確認是否為重發幀，再根據情況決定是否丟棄DATA幀。
    (c)根據DATA幀的Ndl域值，在回復ACK幀后設置超時定時器，若Ndl值為0，表示源節點數據發送完畢，回復ACK后結束通信。若DATA幀錯誤或定時器超時回復ACK(Ack(0))以示重傳。
    (8)當收到節點B的ACK幀時，A回DATA幀：
    (a)若ACK幀中Ack位為0，則重傳上一條DATA幀，其中Seq位保持不變。
    (b)計算下一條數據傳輸完成后立即結束本次通信時刻會不會超過NAVcts值表示的時刻，若超過，回復DATA幀中Itrp位置1，就此終止通信。
    若ACK幀錯誤或者定時器超時，則重傳上一條DATA幀。
    本協議最大的優點在于建立發送鏈表，結合自動重傳請求技術，實現連續的幀交換過程，減少了控制幀交換次數，既增加數據信道上的通信時間，又減少了控制信道上的沖突。
4 仿真結果分析
    在相同的場景中，從吞吐量、分組平均時延兩方面比較本文協議和DCA協議的性能。仿真條件：在3 km×3 km的范圍內放置50個節點，最大通信距離為300 m，仿真時間為400 s，分組長度1 024 B，發包率服從Poisson分布，其中實時業務分組隨機產生，數據分組幀間隔50 ?滋s，實時分組幀間隔20 ?滋s。仿真結果對比如圖7、圖8所示。

    DCA協議中，每條數據發送前需要進行一次信道預約，而本文協議實現了數據信道上的連續幀交換過程，一次信道預約可以完成多個分組交換，既大大避免了控制信道上的沖突，又提高了數據信道上的平均通信時間，系統的吞吐量和平均時延特性得到明顯改善。同時，本文協議給實時業務規定較高的優先級和較小的幀間隔時間，可以保證先于普通數據分組接入信道，平均時延顯著低于數據分組，因此可以從一定程度上為實時業務提供QoS保障。
    本文提供了一種支持QoS保障的Ad hoc網絡多信道MAC協議，給不同種類的業務劃分不同的優先級和幀間隔，以保證高優先級業務較早地接入信道。同時把高層數據按其目的地址的不同建立發送鏈表。采用自動重傳技術，實現了數據信道上連續的幀交換過程，大大減少了控制信道上的沖突，提高了數據信道上的平均通信時間，系統吞吐量和時延特性得到明顯改善。
參考文獻
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