殷毓偉

　　（南京郵電大學 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(wǎng)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(fā)機制（Frame Bursting EDCA，F(xiàn)EDCA），通過仿真驗證了所提基于幀突發(fā)機制的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)務的QoS性能。

　　關鍵詞：CRAHN；MAC層；EDCA；幀突發(fā)機制

0引言

　　CRAHN網(wǎng)絡（認知無線電Ad Hoc網(wǎng)絡）［1］結合了自組織網(wǎng)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(huán)境惡劣的山區(qū)、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(wǎng)絡形態(tài)可以作為現(xiàn)有通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的補充，彌補基礎設施易毀性和滿足無線業(yè)務對頻譜資源的渴求性［2］。

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

1相關概念

　　本文場景是CRAHN網(wǎng)絡，設計了一種多信道分級分簇混合接入機制的網(wǎng)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(yè)務的QoS和多用戶間多業(yè)務通信。當業(yè)務量較大時，尤其是實時性要求較高的音頻業(yè)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(yè)務幀。這就要求要有CP時段保障音頻業(yè)務幀QoS的接入機制和節(jié)點高速移動時網(wǎng)絡中出現(xiàn)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(fā)機制（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)機制

　　2.1IEEE 802.11e中EDCA機制

　　IEEE 802.11e中的EDCA機制是基于分布式協(xié)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(shù)據(jù)幀連發(fā)時，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ACK幀；若RTS幀發(fā)生沖突，發(fā)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(fā)送RTS幀，競爭信道。標準的EDCA能很好地解決數(shù)據(jù)包相對大的數(shù)據(jù)業(yè)務，但是對于當傳輸實時短數(shù)據(jù)音頻業(yè)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(shù)據(jù)音頻業(yè)務的節(jié)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(shù)據(jù)傳輸結束，不再啟用RTS/CTS過程，而是不間斷地發(fā)送N個短幀。在通信范圍內的其他節(jié)點在源節(jié)點發(fā)送N個短幀的過程中，始終被告知應該處于等待狀態(tài)，優(yōu)先讓這N個短幀發(fā)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(xù)時間字段（Duration）保留有源節(jié)點要競爭信道的信息，利用Duration也能實現(xiàn)虛擬監(jiān)測的功能。目的節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)送的RTS，等待SIFS時間后，修改確認幀CTS含有的Duration，并發(fā)送CTS幀。其他節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽MAC幀中的Duration［7］，當Duration的值大于本節(jié)點的網(wǎng)絡分配矢量NAV時，則將Duration的值賦給本節(jié)點的NAV。如上所述，數(shù)據(jù)開始傳輸時，源節(jié)點持續(xù)發(fā)送N個短MAC幀，其他節(jié)點遞減其NAV，直至NAV=0，收到短MAC幀時，目的節(jié)點也會相應地發(fā)出ACK確認幀。當NAV=0時，其余節(jié)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(jié)點、目的節(jié)點、其他節(jié)點的詳細處理過程入手。

　　（1）源節(jié)點的處理過程

　　當源節(jié)點有實時音頻業(yè)務幀要發(fā)送時，先采用RTS/CTS方式進行信道預約［9］。發(fā)送RTS幀前，需要計算源節(jié)點中高優(yōu)先級的音頻業(yè)務幀的數(shù)量Vnum。表示此次信道預約的總時間Duration字段值按照如下規(guī)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(shù)據(jù)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(jié)點預約信道成功后，連續(xù)發(fā)出Vnum個音頻業(yè)務幀，每完成一次音頻業(yè)務幀傳輸，源節(jié)點會收到目的節(jié)點返回的ACK幀，然后才進行下一個音頻業(yè)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）

　　（2）目的節(jié)點的處理過程

　　目的節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)送來的RTS幀后，返回一個確認幀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CTS幀需要的時間，TRTS_duration為RTS幀中含有的Duration值。

　　音頻業(yè)務幀傳輸過程中，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ACK幀需要的時間，TData_duration則是音頻業(yè)務幀的Duration值。目的節(jié)點會依據(jù)接收到的幀中的Duration值來更新自身的NAV值。

　　（3）其余節(jié)點的處理過程

　　其余節(jié)點的處理較為簡單，只需要依據(jù)接收到的ACK確認幀和音頻業(yè)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(xiàn)對MAC協(xié)議的評估。假設每個工作節(jié)點機的通信距離為半徑50 000 m，場景有80個工作節(jié)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(jié)點相對靜止時的通信仿真

　　假設節(jié)點速度很慢或者需要通信的節(jié)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(shù)據(jù)幀為實時性音頻業(yè)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(yè)務流數(shù)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(yè)務流數(shù)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(xiàn)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(yè)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(yè)務流數(shù)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(yè)務流數(shù)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(yè)務流數(shù)大于16時［13］，標準EDCA和noRTS-EDCA的時延抖動開始超出音頻業(yè)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(yè)務幀的時延抖動［14］。

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

　　綜上所述，F(xiàn)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(yè)務的QoS，降低了丟包率、時延抖動、平均時延。

　　4.2節(jié)點移動時的通信仿真

　　節(jié)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(jié)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(yè)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。　

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

　　由圖5可以看出，當節(jié)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(xiàn)-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(yè)務幀的時延抖動降低很多。

　　綜上所述，F(xiàn)-EDCA機制在節(jié)點移動情況下，也很好地保障了音頻業(yè)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(wǎng)絡的CP時段進行了研究，提出了改進型FEDCA(突發(fā)幀)接入機制，方案簡單高效，解決了節(jié)點移動或者網(wǎng)絡負載較大時音頻業(yè)務的Qos惡化情況，有效地保障了音頻業(yè)務的Qos性能。仿真結果表明，無論節(jié)點在相對靜止還是運動的情況下，都很好地保障了音頻業(yè)務的Qos，降低了時延抖動、平均時延，證實了所提方案的優(yōu)越性。

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