一种基于Ad Hoc网络的协作MAC方案

卢诗尧，曾桂根

(南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003)

随着无线通信技术的飞速发展，Ad Hoc网络［1-2］的应用越来越广泛，它具有多跳、无中心、自组织等特点。MAC协议作为通信网络的重要组成部分，决定了网络中节点接入共享无线信道的方式以及有限频谱资源的分配，MAC协议性能的好坏直接影响通信网络的整体性能。由于无线信道衰落、多用户信道竞争接入等问题，使得传统Ad Hoc网络只能适用于负载较轻、距离较短、信道条件较好的环境，一旦上述情况恶化，性能就会大大降低，从而限制该类MAC协议的应用。

协作通信技术起源于20世纪70年代Gamal A E和Cover T关于中继信道的信息论特性的研究工作［3］，它通过网络中其他节点的中继传输，在扩大覆盖范围、消除盲区和弱区、提高系统容量以及灵活部署等方面获得显著优势。文献［4］提出了一种支持多速率协作传输的 MAC协议CoopMAC，它通过预先选定的高速率节点中继传输，能有效提高系统通信容量，降低网络延时。但由于不是基于瞬时信道信息，因而不能适应信道和网络拓扑的不断变化。文献［5］中继利用MAC层的RTS/CTS获得源与中继以及中继与目的之间的信道信息，并根据不同准则(最小准则或调和平均准则)将这两个信道的信息进行综合，获得一个信道量度值，但没有对这两种准则的最优性给出理论分析，且所提准则也并非最佳协作中继的选择准则。文献［6］提出了一种基于瞬时信道信息的最佳中继选择策略，它引入的固定退避时隙和改进的随机退避时隙解决了中继碰撞问题，相比传统CoopMAC对网络吞吐量和服务延迟性能都有显著的提升。但是它忽略了节点的能量因素，而在某些现实环境下移动设备通常是能量有限的。

本文在CoopMAC协议的基础上，提出了一种基于瞬时信道信息和节点剩余能量的无线MAC协作方案。首先各邻居节点根据RTS/CTS获得通信双方信道信息，然后通过对信道条件和自身剩余能量的综合分析，考虑是否参与中继竞争;目的节点决定传输方式以及中继节点的选择;最后源节点根据目的节点反馈的信息来传输数据。

1 CR-MAC协作通信方案

1．1 网络拓扑结构模型

本文所讨论网络拓扑模型如图1所示。

图1 网络拓扑结构

CR-MAC无需维护中继节点表，中继的选择由各邻居节点根据信道状态信息和自身剩余能量来竞争决定。IEEE802.11b协议采用了动态速率漂移技术［7］，可以根据环境噪声变化对传输速率进行自动调整，数据帧传输距离和传输路径之间关系如表1所示。

表1 数据帧传输距离和传输速率对照表

1．2 CR-MAC中继选择算法及帧结构

本文在IEEE802.11b的基础上引入了3种新的控制帧，即 C-CTS(Coop-Clear To Send)，HTS(Help To Send)，CTC(Compete To Send)。C-CTS为协作允许发送帧，HTS为协作请求帧，CTC为协作确认帧，帧格式如图2所示，它们的持续时间分别表示为 TC-CTS，THTS，TCTC。其他控制帧 ACK，PLCP(物理层汇聚协议头)，SIFS(最短帧间隔)的持续时间分别表示为TACK，TPLCP，TSIFS;源节点到目的节点、源节点到中继节点和中继节点到目的节点的传输速率分别表示为Rsd，Rsh，Rhd;数据帧采用直传方式和协作中继方式时间分别表示为Tdirect和Tcoop，数据帧长度表示为L。

图2 C-CTS，HTS，CTC 帧结构图

具体协作策略如下:

1)源节点向目的节点发送RTS帧，Duration字段设置DurationRTS=TSIFS+TC-CTS，所有能接收到该RTS帧的节点(除目的节点外)根据接收信号强度，估计与源节点间的距离，查表1得到Rsh，并且设置自己的网络分配矢量NAV为DurationRTS。同时源节点设置超时定时器，如果定时器结束时还未收到目的节点的确认帧C-CTS，那么将进行随机退避，然后重传RTS。

2)目的节点收到RTS帧，根据接收信号强度计算得到Rsd，然后回传确认帧C-CTS，C-CTS帧格式如图2a所示，它包含了Rsd信息。所有潜在中继节点既能接收到RTS帧和C-CTS帧，它们通过C-CTS帧的信息获得Rsd和Rhd。

3)各潜在中继节点根据Rsd，Rsh，Rhd和自身剩余能量信息来决定是否参与协作以及计算退避时间。

(1)若Rsd=11 Mbit/s或5 Mbit/s，说明源节点和目的节点信道状态良好，不需要协作中继，源节点采用直传方式即可。直传时间如下

(2)若 Rsd=2 Mbit/s，则只有满足条件 min(Rsh，Rhd)≥5.5 Mbit/s的节点才能参与中继节点的竞争。退避时间计算分3种情况

式中:α为信道状态权值系数;(1-α)为节点剩余能量权值系数;En为节点当前剩余能量值;Eno为节点初始能量值;X表示不大于X的最大整数;k值是一个时间常数，而Tmax与k的取值有关。α值由网络实际情况决定。由上述公式可以看出，当节点剩余能量高于门限值时(此处为初始能量值的30%)，中继节点的选择可以忽略能量因素，而只考虑瞬时信道状态。相反，当节点剩余能量低于门限值，假设k值等于40，可以看到，(Rsh，Rhd)=(11，11)的节点极有可能比(Rsh，Rhd)=(11，5.5)的节点退避时间还长，即高速节点退化为低速节点，避免了信道条件优良的节点因频繁参与协作而能量快速耗尽，从而改善系统能耗均衡性。

如果节点满足式(7)，则向目的节点发送HTS帧，帧结构如图2b所示，Duration字段设置为DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不满足式(7)，设置自己的NAV为3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不参与协作。

(3)若 Rsd=1 Mbit/s，则只有满足 min(Rsh，Rhd)≥2 Mbit/s的节点才能参与中继节点的竞争。退避时间计算分以下5种情况

其中，Tn的计算与式(3)一致。如果节点满足式(7)，则向目的节点发送HTS帧，Duration字段设置为DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不满足式(7)，则设置自己的NAV为3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不参与协作。

(4)若多个节点同时满足式(7)，则退避时间最短的节点优先发送HTS帧，其他节点在自身退避时间内如果侦听到HTS，则放弃竞争，并根据该HTS帧里的Duration字段更新自己的NAV。具体传输流程如图3所示。

图3 没有节点冲突时的传输策略

图4 有节点冲突时的传输策略

但也可能出现互为隐终端的几个节点同时向目的节点发送HTS，从而发生碰撞，这时各节点将随机退避然后重新参与竞争。这里，如果某个节点两次竞争失败，则退出竞争，以减小其余节点的碰撞概率。

4)如果目的节点能够准确接收HTS信号，将发送CTC帧(结构如图2c所示)通知所有中继节点，CTC的Duration字段设置为DurationCTC=3TSIFS+2TPLCP+8L/Rsh+8L/Rhd+TACK。中继节点根据CTC里的Helper ID来判断自己是否竞选成功，被选中的节点等待接收数据，未被选中的节点将自己的NAV更新为DurationCTC并退避。如果目的节点没能接收到HTS，说明没有节点参与竞争，或者有节点参与竞争，但是HTS帧丢失，后者很大原因是节点到目的节点链路质量比较差，因此该节点并不是理想的中继选择。无论是哪一种，最终目的节点都将等待源节点直传数据包。有节点冲突时的传输策略如图4所示。

源节点在接收到C-CTS之后开始侦听信道，若能收到CTC，则以Rsh的速率向最佳中继发送数据包，然后最佳中继以Rhd的速率向目的节点转发数据包。若源节点侦听到信道连续空闲时间超过2TSIFS+Tmax，说明没有节点竞选成功，以直传方式向目的节点发送数据包。

5)目的节点接收到数据帧之后如果校验正确，则回送ACK。源节点发送完数据帧之后，将启动一个定时器，如果定时器结束时还未收到ACK确认帧，分以下两种情况处理:

(1)直传方式下。说明直传链路质量差，短时间内可能不会变好，考虑采用协作方式重传。如找不到合适中继，则以直传方式重传，重传次数超过特定值则丢弃该帧。

(2)协作中继方式下。则首先源节点向选中的中继节点发送一个询问帧FLAG帧，来询问中继节点是否有收到ACK，这个帧只需对选中的中继节点作回应，其他节点退避，以防止信道冲突。如果中继节点有收到ACK，则向源节点发送相同的ACK，并且以后每次收到目的节点回的ACK后都需要再向源节点发送一个相同的ACK;如果没有收到ACK，说明原来选定的中继节点不再适合协作中继传输，考虑寻找其他中继节点进行重传或直接采用直传方式重传。

以上两种情况都需要再次进行中继选择，这里的中继选择可以和一开始节点间建立连接的中继选择策略不同，这里重点考虑重传成功率。具体的重传策略不是本文的研究重点。

2 仿真结果与分析

2．1 仿真参数分析与设置

本文网络拓扑结构如图1所示，所有节点随机分布在以目的节点为圆心，半径为100 m的圆内。网络内数据包投放速率为500 packet/s，每个数据包传输速率与传输距离有关，到达节点的时间t服从泊松分布，即

式中:n为发送节点数。这里，假设网络满负载运行，并且数据传输在各个节点间平等分布。

本文采用对数-距离损耗模型来模拟无线信道，即

式中:n为路径损耗指数，本文取值3;L(d0)为距离天线1 m处的路径损耗，典型值为30 dB。

假设节点发送功率恒定为Pt，则接收功率

接收端误码率与接收信噪比密切相关，当接收端只有一路信号时，此时没有碰撞，则接收信噪比定义为

当有n路信号同时到达接收端时，则会在接收端发生碰撞。对于每路信号来说，其能否被正确接收取决于自身SINR(信号与干扰加噪声比)。第j路信号信干噪比定义为:

当满足SINRj＞SNRthreshold时，则能正确解码。

参照文献［8］，本文仿真要求接收端误比特率达到10-5，各种调制方式及其SNRthreshold值关系如表2所示。

表2 调制方式与信噪比对照表

仿真在MATLAB上完成，数据参数如表3所示。

表3 仿真参数

2．2 性能评价指标

2.2.1 饱和吞吐量［9］

网络吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，节点能够接收的最大速率。在仿真中，系统的吞吐量等于单位时间内传输成功的有效数据单元

式中:Lt为时隙长度;L为数据包长度;Ptr为任一随机时隙内有节点发送数据包的概率;Ps为数据包正确发送的概率;Ts为一个数据包正确传输的平均时间;Tc为数据包碰撞消耗的平均时间，Ts和Tc的计算都需要同时考虑协作和非协作两种情况。

仿真时，网络满负载运行，即任意时刻至少有一个节点有数据包等待发送，这里不考虑RTS/CTS帧的碰撞问题。

2.2.2 网络生存时间［10］

根据不同的网络场景，可以有不同的网络生存时间度量标准。为方便描述，本文采用一种最为常用的度量方法，即以首个节点耗尽能量的时刻计算网络生存时间。由于本文主要对比RCHC-MAC和CR-MAC算法的网络生存时间，因此在这里不考虑直传的情况，只考虑中继节点在协作传输时的生存时间。以下仿真取k=40，α=0.5，则一个(11，11)的节点在剩余能量处于20% ～30%时直接退化为一个(11，5.5)的节点，其余情况同理。

2．3 仿真结果分析

图5给出了数据包长度为1 024 byte情况下，饱和吞吐量与节点数目之间的关系。

由图5可以看出，两种协作MAC算法RCHC-MAC和CR-MAC的吞吐量明显高于传统IEEE 802.11b MAC，这是因为在直传低速状况下，协作MAC算法可以寻找高速中继节点进行协作传输。而随着节点数的增多，链路质量差的节点寻找到高速中继节点的概率增大，饱和吞吐量随之增大。

图5 饱和吞吐量与节点数之间的关系

另外，CR-MAC由于考虑了节点剩余能量，当中继节点剩余能量低于门限值时，高速节点退化为低速节点，链路质量差的节点寻找到高速中继节点的概率降低，因而从图中可以看出，饱和吞吐量相比RCHC-MAC略有下降，但是差别并不明显。

图6给出了网络生存时间与节点数目之间的关系。

图6 网络生存时间与节点数之间的关系

由图6可以看出，两种协作MAC算法的网络生存时间都随节点数的增多而呈上升趋势，这是因为节点数越多，可选的信道条件好的中继节点也就越多，单个中继节点频繁被选中的几率就越低。而随着节点数超过一定值，网络生存时间的增长开始变缓慢，再多的节点，只会带来较小的性能增益，而复杂度大大增加。还可以看出，CR-MAC算法的性能要明显优于RCHC-MAC，例如当节点数N=25时，前者的网络生存时间是后者的两倍之多，这说明考虑了剩余能量因素，对延长网络生存时间有重大意义。

3 结束语

CR-MAC算法综合考虑瞬时信道信息和节点剩余能量，在网络吞吐量性能略微下降的情况下，大大增加了网络生存时间;新算法无需维护中继节点列表，节省了网络各节点的存储资源;针对不同的直传速率有不同的中继选择策略和重传机制;动态选择中继节点，适用于有突发业务的自组织移动网络。

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