Ad Hoc网络支持QoS保障的多信道MAC协议

李保婷+周雷+韩沁+赵宏

摘要：提出一种基于多信道的Qos保障方案，结合业务区分和资源预留两种Qos保障策略，保证优先级高的业务及时接入信道；并且建立节点发送链表，给数据通信预留一段时间，实现数据信道上连续的帧交换，有效地使用了数据信道资源。

关键词：无线自组织网；服务质量；多信道

近年来，在无线网络中传输多媒体业务逐渐成为用户的基本需求，在无线网络中如何提供服务质量（Qos：Qualityof Service）保障已成为Ad Hoc网络领域中的研究重点；MAC子层是自组网QoS体系中最基本的部分，与单信道技术相比，多信道技术能较好地解决信道争用、隐藏终端、暴露终端、入侵终端等问题，其具有提高系统吞吐量、降低时延等优点，但是大都不能为实时业务提供QoS保障。文章参考动态信道分配信道预约的思想，结合业务区分和资源预留两种方式，给出了一种提供QoS保障的多信道MAC层协议，为不同种类的业务类型设置不同的优先级和帧间隔，使高优先级业务优先预约数据信道，同时给不同目的地址节点建立发送链表，并且使用自动重传请求技术，实现在数据信道上进行连续帧交换过程，以此提高系统的吞吐量和时延性能，保证多媒体业务的实时传输。

1 协议基本思想

把多信道分成N个数据信道和1个控制信道，每个节点配两个半双工收发模块，1个用于控制信道且附加侦听模块，1个用于在多个数据信道间切换使用。通信节点在控制信道上收发RTS/CTS/RES帧来预约数据信道，然后在数据信道上收发DATA/ACK帧来进行通信。业务区分功能是给不同业务类型设置不同的优先级和帧间隔，资源预留功能是在每次RTS/CTS/RES帧交换中，都预约好一段时间，在该时间内，通信节点可进行连续的帧交换过程。下面详细说明本协议中的几个重要规则。

1.1 发送链表

协议中，给不同目的地址节点分别建立发送链表，链表结构如图l所示；SrvDataElem是业务数据在链表中的结构：Pkptr指向业务数据；Oos是分组优先级的整数值，实时业务分组（如语音、视频等）比普通业务分组有更高的优先级，Oos数值越大表示优先级越高；AtTime是高层数据的到达时间。

NL[]是链表表头结构：SrvList是以SrvDataElem为元素的数组首地址；Dest是目的地址；TOos是链表优先级权重值，表示链表中分组的平均优先级，由链表中分组的Oos和ArTime共同决定，有：

其中Q、T表示Oos和ArTime在链表优先级权值中的比例度量，DataNum表示链表中分组个数，TQos值定期更新且其值越大表示本链表的优先级越高；业务数据按照目的地址放入相应的发送链表中，相同目的地址分组在同一个链表中，分组的类型和目的地址由相应的路由协议规定。

1.2 信道规程

在控制信道上收发RTS/CTS/RES帧来预约数据信道，帧格式如下所示：

当节点A的发送链表非空时，选择TQos值最大的链表且其目的地址为B。在控制信道空闲时，等待一段间隔时间，执行退避后发送RTS帧。TOos越大，此间隔时间越小，以保证高优先级业务数据较早接入信道。RTS帧中设置NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl域，其中NAVrts表示网络分配矢量，以将控制信道的使用情况告知邻居节点；Fcl是节点A的空闲数据信道列表；N表示发送链表的业务数据数；Tdl表示N个业务数据的总长度，目的节点根据N、Tdl字段计算数据信道上的通信占用时间。Ndl是节点A发送链表中下一条数据的长度，节点B可以根据该字段设置超时定时器值。在节点B接收到RTS帧时，将帧中的Fcl值与自己的FCL表进行匹配，在有匹配空闲数据信道的情况下返回CTS（Dj，NAVcts）帧，其中Dj是一个随机选择的匹配信道号，NAVcts用来将数据信道Dj的使用情况告知邻居节点；在无匹配空闲数据信道时，B返回CTS（0，TEst）帧，这里的TEst表示节点B的CUL表中出现空闲信道的最小时间：

TEst=min{i，CUL[i].RelTime-TCurr-TSifs-TCts}。

A节点在收到CTS（Dj，NAVcts）帧后发送RES（Dj，NAVres）广播帧，Dj表示选定的空闲数据信道号，NAVres是网络分配矢量，用于将信道Dj的使用情况告知邻居节点。A节点在收到CTS（0，Test）帧后退避TEst时间，之后需要等待一个帧间隔时间再发送RTS帧。

在数据信道上收发DATA/ACK帧进行通信，DATA/ACK帧格式如下所示：

DATA帧中有Ndl、Itrp、Seq字段，Ndl是发送数据链表中下一条DATA帧的长度，用于对端节点计算超时定时器值；Seq用于对方节点辨别接收帧是新帧还是重复帧，正常时此字段值按0、1交替变化，重传时值不变；Itrp表示强制中断，正常时此字段值1，为0时表示需要立即中止通信，之后双方收发ACK帧结束本次通信；强制中止通信可以保证在重传发生时，通信时间小于NAVcts值。ACK帧中有Ack字段，为1时表示确认接收到帧，为0时表示收到的帧错误或者未收到。

2 协议过程描述

每个通信节点（A节点）有两张表：信道使用列表（cuL）和空闲信道列表（FcL）。CUL表中有三个元素，CUL口.Host表示A的一个邻节点，CUL[].ch是和邻节点CUL[].Host的数据信道，CUL[].RelTime指CUL[].ch信道的释放时间，FCL表由CUL计算得出。下面详细描述协议过程，分组收发时序如图2所示。

（1）节点A发送链表非空时，选择TQos值最大的链表作为发送链表，目的地址为节点B，在发送RTS帧前，节点A做以下检查：

①节点B的数据信道收发模块空闲。在CUL表满足：

CUL[i].Host=B且CUL[i].RelTime>TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

②本节点的数据信道收发模块空闲。在CUL表满足：

CUL[i].Host=ARCUL[i].RelTime>TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

③本节点A有空闲的数据信道。最少有一个数据信道Dj满足：

CUL[i].Ch=Dj且CUL[i].RelTime<=TCurr+（TRts+TSifs+TCts）。

将符合条件的信道记到FCL表，设定NAVrts、Fcl、N、Tdl、Ndl等字段值，向节点B发送RTS帧。

（2）接收RTS帧后，节点B检查是否有匹配的空闲数据信道，需要FCL与FCL有匹配项或Dj FCL时CULlil.ch=Dj且CUL[i].RelTime<=TCurr+TCts存在。

①如满足，选择一个空闲的数据信道，设置NAVcts等字段，向A返回NAVcts（Dj，NAVcts）帧，再把数据信道收发模块切到Dj，准备DATA帧的接收。

②如不满足，返回CTS（0，TEst）帧，TEst是B节点有信道空闲的最小预测时间。

（3）非目的节点在控制信道接收到RTS帧后，执行退避，以免控制信道上继续发生冲突，退避时间为：

NAVrts=TCts+TRes+2*TSifs+2*TProp

（4）B收到CTS（Dj，NAVcts）帧后，节点A执行：

①向CUL表中增加一项：CUL[i].Host=B；CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].RelTime=TCurr+NAVcts：

②将数据信道收发模块切换到Dj，再发送DATA帧，然后设置超时定时器。

③发送广播帧REs（Dj，NAVres），其中：NAVres=NAVcts-TSifs-TRes-TProp。

若收到的是CTS（TEst）帧，则A退避TEst时间重新发送RTS帧。

（5）非源节点c收到B发送的CTS（Dj，NAVcts）帧时：

在CUL表中增加一项：CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].Host=B；CUL[i].RelTime=TCurr+NAVcts。

若收到CTS（TEst）时，不用处理。

（6）非目的节点接到A的广播帧RES（Dj，NAVres）后：

在CUL表中加一项：CUL[i].Ch=Dj；CUL[i].Host=B；CUL[i]l.RelTime=TCurr+NAVres。

（7）在收到A发送的DATA帧后，B返回ACK帧：

①检查DATA的Itrp位，若为0，则回送ACK帧并且中止通信。

②检查DATA的Seq位，检查是否重发。

③检查DATA的Ndl字段，在回送ACK帧后设定超时定时器；Ndl为0时源节点发送数据完毕，回送ACK后中止通信。

若DATA帧有错误或定时器超时，回送CK（Ack（0））以表重传。

（8）在收到节点B的ACK帧后，节点A回送DATA帧：

①如ACK帧的Ack位是0，则重传DATA，其中的seq位不改变。

②计算下一条数据传输结束的时刻是否会超过NAVcts值表示的时刻，若会，则将回复的DATA帧Itrp位置1，就此结束通信。

如ACK帧错误或定时器发生超时，则重传DATA帧。

综上所述，本协议的优点是建立了发送链表，在数据信道上采用自动重传技术，实现了持续的帧收发过程，减少控制帧的收发次数；既提高了数据信道的通信效率，又降低了控制信道的冲突。

3 仿真分析

利用Opnet10.0网络仿真软件，对本协议进行仿真分析，在3000×3000m的范围内设定了50个节点，随机放置，节点间的最大通信距离为300m，数据信道数量为6，仿真分析时间是400s，采用二进制指数退避算法，其他的仿真参数如表1所示。各帧头及报文的长度是：MAC头大小为144bits，PHY头大小为192bits，RTS报文大小为160bits，CTS报文大小为112bits，RES报文大小为112bits。对于每个到达MAC层的高层数据，节点随机选择一个邻居节点作为目的节点，因为实时分组长度较大，支持对其分割、重组。

下面从吞吐量和时延特性两个方面分析文章协议的性能。吞吐量反映了系统传输数据的能力，仿真中用归一化吞吐量作为衡量系统吞吐量性能的指标，其定义为：

归一化吞吐量=单位时间内的吞吐量/信道容量

在相同场景下，同时运行多信道DCA协议和文章协议，比较其吞吐量和平均时延指标情况，如图3、图4所示。由此可知，本协议提供了更大的吞吐量和更低的时延。