殷毓偉

　　（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

　　摘要：近年來(lái)，關(guān)于無(wú)線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN)接入的研究較多。該文研究了基于競(jìng)爭(zhēng)型(CP)和時(shí)隙分配型(CFP)兩種機(jī)制混合的混合型MAC層接入機(jī)制，在EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時(shí)段的幀突發(fā)機(jī)制（Frame Bursting EDCA，F(xiàn)EDCA），通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提基于幀突發(fā)機(jī)制的FEDCA算法的優(yōu)越性。該算法可提高系統(tǒng)性能，尤其是音頻業(yè)務(wù)的QoS性能。

　　關(guān)鍵詞：CRAHN；MAC層；EDCA；幀突發(fā)機(jī)制

0引言

　　CRAHN網(wǎng)絡(luò)（認(rèn)知無(wú)線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)）［1］結(jié)合了自組織網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無(wú)線電的特征，可廣泛應(yīng)用于沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)景，如環(huán)境惡劣的山區(qū)、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域［1］。其利用TV頻段的空白來(lái)緩解頻譜緊張的問(wèn)題。這種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以作為現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施易毀性和滿足無(wú)線業(yè)務(wù)對(duì)頻譜資源的渴求性［2］。

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議按照信道訪問(wèn)策略劃分為三類［3］：競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議(CP)、時(shí)隙分配協(xié)議(CFP)、混合協(xié)議。其中混合MAC協(xié)議是指競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和時(shí)隙分配協(xié)議的綜合，它能綜合競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和時(shí)隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較輕時(shí)體現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸負(fù)載較重時(shí)體現(xiàn)出時(shí)隙分配協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。

1相關(guān)概念

　　本文場(chǎng)景是CRAHN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種多信道分級(jí)分簇混合接入機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。文中研究的重點(diǎn)是改進(jìn)的混合型MAC接入機(jī)制，用以提高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的QoS和多用戶間多業(yè)務(wù)通信。當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，尤其是實(shí)時(shí)性要求較高的音頻業(yè)務(wù)幀較多時(shí)，若全部通過(guò)CFP時(shí)段傳輸，由于CFP時(shí)段時(shí)隙總長(zhǎng)度固定，存在瓶頸，故需要在CP時(shí)段傳輸音頻業(yè)務(wù)幀。這就要求要有CP時(shí)段保障音頻業(yè)務(wù)幀QoS的接入機(jī)制和節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量多跳和隱藏終端問(wèn)題的解決方案。本文在研究了EDCA機(jī)制的前提下，給出了在CP時(shí)段的幀突發(fā)機(jī)制（Frame Bursting EDCA，F(xiàn)EDCA）。FEDCA旨在改善所提混合型MAC協(xié)議的音頻幀的QoS性能。

2幀突發(fā)機(jī)制

　　2.1IEEE 802.11e中EDCA機(jī)制

　　IEEE 802.11e中的EDCA機(jī)制是基于分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)機(jī)制提出的改進(jìn)型競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA［4］機(jī)制中采用RTS/CTS機(jī)制解決隱藏終端問(wèn)題，MAC層機(jī)制在數(shù)據(jù)幀連發(fā)時(shí)，只需要在第一幀前發(fā)送一次RTS和CTS幀［5］，而不需要每次都發(fā)送RTS/CTS幀。若數(shù)據(jù)接收成功后，接收端返回一個(gè)ACK幀；若RTS幀發(fā)生沖突，發(fā)射端立即將當(dāng)期競(jìng)爭(zhēng)窗口增大一倍，隨機(jī)選擇一個(gè)退避時(shí)間進(jìn)行退避，退避結(jié)束后，開(kāi)始重新發(fā)送RTS幀，競(jìng)爭(zhēng)信道。標(biāo)準(zhǔn)的EDCA能很好地解決數(shù)據(jù)包相對(duì)大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是對(duì)于當(dāng)傳輸實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)時(shí)，其QoS就得不到保障，時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)較大，丟包率也明顯增加。

　　2.2CP時(shí)段改進(jìn)的F-EDCA機(jī)制

　　本文在標(biāo)準(zhǔn)EDCA的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出F-EDCA機(jī)制，當(dāng)實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)音頻業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)需要傳輸時(shí)，先采用標(biāo)準(zhǔn)的RTS/CTS方法競(jìng)爭(zhēng)接入信道，當(dāng)獲得訪問(wèn)權(quán)限時(shí)，此后直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不再啟用RTS/CTS過(guò)程，而是不間斷地發(fā)送N個(gè)短幀。在通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送N個(gè)短幀的過(guò)程中，始終被告知應(yīng)該處于等待狀態(tài)，優(yōu)先讓這N個(gè)短幀發(fā)送結(jié)束，才能重新加入競(jìng)爭(zhēng)信道［6］。

　　詳細(xì)工作流程如下：RTS幀中攜帶的持續(xù)時(shí)間字段（Duration）保留有源節(jié)點(diǎn)要競(jìng)爭(zhēng)信道的信息，利用Duration也能實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)測(cè)的功能。目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS，等待SIFS時(shí)間后，修改確認(rèn)幀CTS含有的Duration，并發(fā)送CTS幀。其他節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽(tīng)MAC幀中的Duration［7］，當(dāng)Duration的值大于本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV時(shí)，則將Duration的值賦給本節(jié)點(diǎn)的NAV。如上所述，數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送N個(gè)短MAC幀，其他節(jié)點(diǎn)遞減其NAV，直至NAV=0，收到短MAC幀時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)出ACK確認(rèn)幀。當(dāng)NAV=0時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)才會(huì)恢復(fù)競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程［8］。

3算法的設(shè)計(jì)

　　對(duì)FEDCA機(jī)制的算法設(shè)計(jì)主要是從源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、其他節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)處理過(guò)程入手。

　　（1）源節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

　　當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有實(shí)時(shí)音頻業(yè)務(wù)幀要發(fā)送時(shí)，先采用RTS/CTS方式進(jìn)行信道預(yù)約［9］。發(fā)送RTS幀前，需要計(jì)算源節(jié)點(diǎn)中高優(yōu)先級(jí)的音頻業(yè)務(wù)幀的數(shù)量Vnum。表示此次信道預(yù)約的總時(shí)間Duration字段值按照如下規(guī)則設(shè)定：

　　當(dāng)1≤Vnum<N時(shí)，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(shí)延，TCTS和TACK為CTS幀和ACK幀的傳輸時(shí)延，Tdata為數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。

　　當(dāng)Vnum>N時(shí)，RTS幀含有的Duration字段的Tduration為：

　　Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×N)+N×(SIFS+TACK+Tdata)（2）

　　源節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道成功后，連續(xù)發(fā)出Vnum個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀，每完成一次音頻業(yè)務(wù)幀傳輸，源節(jié)點(diǎn)會(huì)收到目的節(jié)點(diǎn)返回的ACK幀，然后才進(jìn)行下一個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀的傳輸，這時(shí)Duration字段的值為：

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

　　（2）目的節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

　　目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的RTS幀后，返回一個(gè)確認(rèn)幀CTS，并根據(jù)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(gè)CTS幀需要的時(shí)間，TRTS_duration為RTS幀中含有的Duration值。

　　音頻業(yè)務(wù)幀傳輸過(guò)程中，發(fā)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(gè)ACK幀需要的時(shí)間，TData_duration則是音頻業(yè)務(wù)幀的Duration值。目的節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)接收到的幀中的Duration值來(lái)更新自身的NAV值。

　　（3）其余節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程

　　其余節(jié)點(diǎn)的處理較為簡(jiǎn)單，只需要依據(jù)接收到的ACK確認(rèn)幀和音頻業(yè)務(wù)幀中的Duration幀，來(lái)更新自身NAV的值，當(dāng)NAV=0時(shí)，重新開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)信道。

4仿真結(jié)果與分析

　　用MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC協(xié)議的評(píng)估。假設(shè)每個(gè)工作節(jié)點(diǎn)機(jī)的通信距離為半徑50 000 m，場(chǎng)景有80個(gè)工作節(jié)點(diǎn)機(jī)隨機(jī)分布在20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)，每個(gè)超幀周期為80 ms。

　　4.1節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止時(shí)的通信仿真

　　假設(shè)節(jié)點(diǎn)速度很慢或者需要通信的節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止，為了不考慮隱藏終端的影響，本仿真驗(yàn)證只考慮單跳情況。仿真中設(shè)定的數(shù)據(jù)幀為實(shí)時(shí)性音頻業(yè)務(wù)幀，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)EDCA［10］機(jī)制（正常使用RTS/CTS機(jī)制）、不使用RTS/CTS情況下的EDCA機(jī)制和本文所提的FEDCA機(jī)制這三種情況的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行QoS性能評(píng)估。比較結(jié)果如圖1、圖2所示。

　　由圖1可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)變多時(shí)，三種機(jī)制的時(shí)延都遞增，且FEDCA始終是三種機(jī)制中時(shí)延最小的一個(gè)，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于9時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTSEDCA的時(shí)延都急劇增加，且標(biāo)準(zhǔn)EDCA的時(shí)延開(kāi)始明顯大于noRTSEDCA［11］，但是FEDCA的時(shí)延增加得仍然比較緩慢，F(xiàn)EDCA平均時(shí)延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTSEDCA的平均時(shí)延減少了36%左右。因而看出FEDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延。

　　由圖2可知，三種機(jī)制時(shí)延抖動(dòng)都是隨著音頻業(yè)務(wù)流數(shù)遞增而遞增［12］，但是FEDCA的時(shí)延抖動(dòng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA都較低，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于15時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTSEDCA的時(shí)延抖動(dòng)都急劇增加，但是F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)增加得仍然比較緩慢。此外當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)大于16時(shí)［13］，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTS-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)開(kāi)始超出音頻業(yè)務(wù)時(shí)延抖動(dòng)的指標(biāo)要求，而F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終小于1 ms，符合時(shí)延抖動(dòng)的指標(biāo)要求。因而看出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延抖動(dòng)［14］。

　　圖3音頻業(yè)務(wù)的丟包率圖3是對(duì)音頻業(yè)務(wù)的丟包率的分析情況。由圖可以看出，當(dāng)音頻業(yè)務(wù)流數(shù)增加時(shí)，三種機(jī)制的丟包率都遞增，F(xiàn)-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRT-EDCA。隨著音頻業(yè)務(wù)流的增加，標(biāo)準(zhǔn)EDCA和noRTSEDCA音頻業(yè)務(wù)的丟包率急劇增加，而F-EDCA的音頻業(yè)務(wù)流丟包率增加得極為緩慢，且都小于0.7%［15］，符合音頻業(yè)務(wù)丟包率的指標(biāo)。因?yàn)樵贔EDCA機(jī)制中，預(yù)約信道成功后，在發(fā)送多個(gè)音頻業(yè)務(wù)幀期間，其他節(jié)點(diǎn)被告知停留在等待狀態(tài)，不會(huì)再參與信道競(jìng)爭(zhēng)，故音頻業(yè)務(wù)幀不容易丟包。

　　綜上所述，F(xiàn)EDCA機(jī)制在速度較慢或者相對(duì)靜止情況下，很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了丟包率、時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延。

　　4.2節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)的通信仿真

　　節(jié)點(diǎn)仍然處于20 000 m×20 000 m的平面范圍內(nèi)移動(dòng)，設(shè)置了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)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(shè)置8條音頻業(yè)務(wù)幀進(jìn)行仿真，進(jìn)行10次仿真取其平均值。使用標(biāo)準(zhǔn)EDCA、AEDCA（自適應(yīng)EDCA）和FEDCA機(jī)制進(jìn)行比較。如圖4、圖5所示?！?/p>

　　由圖4可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí)，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，且平均時(shí)延都遞增，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA平均時(shí)延比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA的平均時(shí)延減少了45%左右。因而得出F-EDCA很好地降低了音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延。

　　由圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí)，三種機(jī)制的時(shí)延抖動(dòng)都遞增，但是F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終低于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA，F(xiàn)-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)增加得比較緩慢，明顯好于標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA。F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)比標(biāo)準(zhǔn)EDCA和A-EDCA減少了39%左右，且F-EDCA的時(shí)延抖動(dòng)始終小于1 ms。因而得出F-EDCA音頻業(yè)務(wù)幀的時(shí)延抖動(dòng)降低很多。

　　綜上所述，F(xiàn)-EDCA機(jī)制在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下，也很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的QoS，降低了時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延。

5結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)多信道分級(jí)分簇混合接入機(jī)制的CRAHN網(wǎng)絡(luò)的CP時(shí)段進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)型FEDCA(突發(fā)幀)接入機(jī)制，方案簡(jiǎn)單高效，解決了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)音頻業(yè)務(wù)的Qos惡化情況，有效地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos性能。仿真結(jié)果表明，無(wú)論節(jié)點(diǎn)在相對(duì)靜止還是運(yùn)動(dòng)的情況下，都很好地保障了音頻業(yè)務(wù)的Qos，降低了時(shí)延抖動(dòng)、平均時(shí)延，證實(shí)了所提方案的優(yōu)越性。

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