移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由于抗毀性和分布式等特點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，不斷有新的MAC協(xié)議被提出，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。動態(tài)時隙混合類協(xié)議（HTDMA）[1]一般先通過碰撞回避[2]、虛擬載波監(jiān)聽[3]等方式探測網(wǎng)絡(luò)的局部拓撲信息，據(jù)此接入新節(jié)點，同時保留現(xiàn)有節(jié)點的傳輸安排，這種方式降低了大量的競爭開銷，更易為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提供QoS保障。國內(nèi)外已提出多種動態(tài)時隙混合類TDMA協(xié)議。在參考文獻[4]中提出一種集總式消除沖突的HTDMA協(xié)議——CCS-QR協(xié)議，它在一個控制時隙內(nèi)將多個發(fā)射節(jié)點的接入請求集中處理，從而預(yù)約多個數(shù)據(jù)分組，之后再根據(jù)酬金類優(yōu)先級算法和接入順序分配數(shù)據(jù)時隙。它具有平均時延小、吞吐量穩(wěn)定等優(yōu)點，很適合為實時業(yè)務(wù)提供QoS保障，但卻不能完全支持分布式運行。這類問題還廣泛存在于非耦合式HTDMA協(xié)議中[5]。

1 分布式運行約束條件
    在CCS-QR協(xié)議中,控制時隙只完成虛擬載波監(jiān)聽，并不為節(jié)點分配數(shù)據(jù)時隙,這種完全解耦的業(yè)務(wù)關(guān)系，減少了很多控制開銷。但其帶來另一個問題是，如果不提前發(fā)送時隙分配表，在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)由各節(jié)點根據(jù)優(yōu)先級確定發(fā)送次序，則節(jié)點之間就不能相互協(xié)調(diào)地發(fā)送數(shù)據(jù)分組，就會引發(fā)沖突。
    CCS-QR協(xié)議的數(shù)據(jù)時隙如圖1所示，結(jié)合圖2，例如在第1個數(shù)據(jù)時隙內(nèi)，兩跳范圍內(nèi)業(yè)務(wù)①②③會同時發(fā)送，而相互沖突導(dǎo)致失敗。原因是分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，節(jié)點覆蓋范圍有限，無法得到所有節(jié)點的業(yè)務(wù)信息，所以每個節(jié)點所維持的預(yù)約序列都不相同[6]。

   式(4)中的第一個約束條件表示一個時幀內(nèi)節(jié)點至少分配一個時隙，第二個約束條件表示相距一跳的節(jié)點不能分配同一時隙，第三個約束條件表示兩個節(jié)點與同一節(jié)點相距一跳時不能分配同一時隙。以上說明，如果要滿足目標函數(shù)，無沖突發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須保證相距兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點分配不同的時隙。
2 分布式隊列運行機制與分析
    本文針對解耦關(guān)系的HTDMA，提出一種自協(xié)調(diào)分布式運行解決方案。下面對圖2所示的網(wǎng)絡(luò)模型和CCS-QR協(xié)議[4]進行分析和說明。
    在圖2中，網(wǎng)絡(luò)由14個節(jié)點組成，實線表示兩個節(jié)點在對方覆蓋范圍內(nèi)，箭頭表示兩個節(jié)點已在信令時隙完成數(shù)據(jù)時隙的預(yù)約，序號表示節(jié)點發(fā)送RTS/CTS分組的順序，為了簡化模型，省略了CCS-QR協(xié)議里優(yōu)先級的表達。
2.1業(yè)務(wù)管理樹算法原理
    定義1：各個發(fā)射節(jié)點將所有兩跳范圍內(nèi)的發(fā)送業(yè)務(wù)排成預(yù)約隊列，稱為不完全隊列,用Ci={ci-a,ci-b…ci}表示，Li為不完全隊列的長度。
    定義2：根據(jù)協(xié)議安排，把控制時隙里允許接入的最大業(yè)務(wù)量按照優(yōu)先級或接入次序進行排隊，稱之為完全隊列，用Call={c1,c2…cn}表示，Lall為完全隊列的長度。
    定義3：設(shè)Ci為節(jié)點i的不完全隊列，Ni為節(jié)點i在Ci中的序號，每當(dāng)Ci中的一個節(jié)點發(fā)送了相應(yīng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，有Li=Li-1，則稱使Li=Ni-1的節(jié)點為節(jié)點i的業(yè)務(wù)觸發(fā)節(jié)點，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)稱為觸發(fā)業(yè)務(wù)，將此時節(jié)點i的業(yè)務(wù)稱為待發(fā)業(yè)務(wù)。
    定義4：將所有發(fā)送業(yè)務(wù)按照預(yù)約順序的方向排成隊列，該隊列會從觸發(fā)業(yè)務(wù)和待發(fā)業(yè)務(wù)處產(chǎn)生樹形結(jié)構(gòu)，稱它為業(yè)務(wù)管理樹，其模型如圖3。業(yè)務(wù)管理樹的長度Lall等于所有業(yè)務(wù)發(fā)送完畢所需時隙的個數(shù)。

    當(dāng)某個業(yè)務(wù)同時作為兩個預(yù)約隊列中不同節(jié)點的觸發(fā)業(yè)務(wù)時，業(yè)務(wù)樹將產(chǎn)生分支結(jié)構(gòu)，分支點位于當(dāng)前業(yè)務(wù)之后，即某兩個待發(fā)業(yè)務(wù)之前；當(dāng)不同分支的兩個節(jié)點同時作為某個業(yè)務(wù)的觸發(fā)業(yè)務(wù)時，業(yè)務(wù)樹將產(chǎn)生匯聚結(jié)構(gòu)，匯聚點位于當(dāng)前業(yè)務(wù)之前。
    業(yè)務(wù)樹出現(xiàn)分支意味著將有多個子序列同時發(fā)送數(shù)據(jù)，而業(yè)務(wù)樹的匯聚表示在某個節(jié)點接入信道前，其預(yù)約隊列中同時有多個節(jié)點發(fā)送了數(shù)據(jù)。
    前面已經(jīng)通過數(shù)學(xué)模型論證，協(xié)議只需要將發(fā)射節(jié)點兩跳范圍之內(nèi)的業(yè)務(wù)進行協(xié)調(diào)就可以防止此類沖突的發(fā)生。而兩跳之內(nèi)的節(jié)點必處于同一業(yè)務(wù)樹分支當(dāng)中，業(yè)務(wù)樹中不同分支上的節(jié)點至少相距兩跳以上，不在同一分支的節(jié)點可以同時隙發(fā)送業(yè)務(wù),發(fā)送次序為Li。
2.2 算法描述

    一個業(yè)務(wù)管理樹運行過程面向業(yè)務(wù)序列，而不是節(jié)點。具體工作過程為：
    (1)收集發(fā)射狀態(tài)（Collection  Phase）：在控制時隙，通過對所有RTS分組和對應(yīng)CTS分組的監(jiān)聽，接收節(jié)點將所有相鄰發(fā)射節(jié)點納入自身隊列，發(fā)射節(jié)點也將相應(yīng)接收節(jié)點的所有相鄰發(fā)射節(jié)點納入自身隊列。大多數(shù)HTDMA協(xié)議都能滿足此條件。
    (2)接入順序表達（Sequence Phase）：此階段，依據(jù)協(xié)議里優(yōu)先級設(shè)置和節(jié)點的接入次序為每項業(yè)務(wù)分配權(quán)重，即發(fā)送次序，并由此產(chǎn)生一個相同的完全隊列，包含所有業(yè)務(wù)信息。
　(3)隊列形成（Establishing Phase）：在此階段，節(jié)點依據(jù)已得到兩跳范圍內(nèi)其他節(jié)點的發(fā)射狀態(tài)來形成不完全預(yù)約隊列，這個隊列只關(guān)心發(fā)送次序在自己之前的業(yè)務(wù)。
　(4)確認發(fā)送次序（Approval Phase）：根據(jù)業(yè)務(wù)管理樹算法，得到不完全隊列的補集，并將自身不完全隊列接入自己的觸發(fā)節(jié)點，業(yè)務(wù)將在不同分支間并行傳輸，而業(yè)務(wù)在不完全隊列中的次序即為發(fā)送次序。
2.3 算例分析
　經(jīng)過隊列調(diào)整后，各節(jié)點的預(yù)約隊列分別如表1所示。在此為了便于說明，隊列中業(yè)務(wù)序列按其序號排列。

 3.1 吞吐量分析
    圖6顯示了不同網(wǎng)絡(luò)負載下三種協(xié)議的吞吐量變化曲線。從圖中可以看出,CSMA/CA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低，這是由于競爭接入產(chǎn)生沖突所導(dǎo)致；而CCT—QR協(xié)議基于預(yù)留方式分配資源，產(chǎn)生的沖突很小，且控制開銷不大，所以網(wǎng)絡(luò)吞吐量較高；DCT—QR協(xié)議由于消除了CCT—QR協(xié)議數(shù)據(jù)時隙內(nèi)的沖突，所以吞吐量更高且更穩(wěn)定。但由于接入容量有限，所以在網(wǎng)絡(luò)載荷增多的情況下，吞吐量會出現(xiàn)飽和。

    本文提出了解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)非耦合HTDMA協(xié)議分布式運行沖突的自協(xié)調(diào)式的業(yè)務(wù)管理樹算法，通過舉例分析和仿真實驗可以看出，該算法能夠達到預(yù)期效果。但這種算法在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，會增加分組時延，這將是下一步研究工作的重點。
參考文獻
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