移動Ａｄ ｈｏｃ網(wǎng)絡改進型ＦＡＭＡ多址接入?yún)f(xié)議

摘要：提出了一種改進型FAMA(floor acquisition multiple access)協(xié)議，用節(jié)點競爭失敗次數(shù)（無效RTS）對信道爭用情況進行估計，動態(tài)調(diào)整FAMA協(xié)議中的報文序列長度，實現(xiàn)移動節(jié)點公平接入，并保障較好的網(wǎng)絡吞吐率。

關(guān)鍵詞：媒體訪問控制； 實地捕獲多址接入； 無線自組織網(wǎng)絡

中圖分類號：TP391.9文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0342-03

Ad hoc網(wǎng)絡是一種多跳共享廣播信道，無線終端采用CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance )協(xié)議競爭接入信道，利用RTS(request to send)和CTS(clear to send)握手控制信號獲取信道訪問權(quán)^[1，2]。移動Ad hoc網(wǎng)絡信道接入?yún)f(xié)議設計的目的就是最大限度地降低碰撞和提高信道利用率。

美國加州大學圣克魯茲分校J.J.Garcia－Luna－Aceves教授所領導的計算機通信研究小組（The Computer Communications Research Group）在1995年提出了FAMA接入?yún)f(xié)議^[3]，并陸續(xù)發(fā)表了許多相關(guān)文章^[4~6]。在基于單信道的分布式無線網(wǎng)絡信道接入?yún)f(xié)議中，F(xiàn)AMA協(xié)議是較成功的一種。美軍在無線互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(wireless Internet gateways，WINGS)中使用的信道接入?yún)f(xié)議就是FAMA協(xié)議。

FAMA協(xié)議巧妙利用RTS/CTS握手信號，能夠有效解決隱終端問題。首先，發(fā)送者在發(fā)送RTS信號之前先監(jiān)聽信道；然后，借鑒忙音阻塞機制，接收終端發(fā)送CTS足以使隱終端暫停發(fā)送，進入退避狀態(tài)；最后，握手成功并有效傳輸數(shù)據(jù)。該類協(xié)議的基本指導思想是允許一次RTS－CTS握手成功后可以連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)報文（稱為報文序列packet train），以此來提高信道的利用率。

文獻[7，8]對移動Ad hoc網(wǎng)絡信道接入的公平性進行了分析研究。此外，還有MARCH(multiple access with reduced handshake)、CATA(collision－avoidance time allocation)、MACA－BI(MACA by invitation)、BTMA(busy－tone multiple access)、SRMA(split－channel reservation multiple access)、GAMA(group allocation multiple access)等協(xié)議。這些協(xié)議普遍都采用了時延退避策略和RTS/CTS握手機制來解決信道共享問題。

1FAMA接入?yún)f(xié)議

由于移動Ad hoc網(wǎng)絡工作在無線環(huán)境中，信道資源有限，而移動主機一般是由電池提供能量，為了提高信道利用率和節(jié)約能量，電臺的發(fā)射功率一般較低。降低電臺功率導致了節(jié)點的通信距離有限。一個節(jié)點發(fā)出的信號，網(wǎng)絡中其他節(jié)點并不一定都能收到，從而會出現(xiàn)隱終端和暴露終端等問題，使得普通的CSMA協(xié)議不能很好地工作。隱終端是指一個終端位于接收者的通信范圍之內(nèi)，而在發(fā)送者的通信范圍之外；暴露終端是指在發(fā)送者的通信范圍內(nèi)，而在接收者的通信范圍之外。圖1中，當節(jié)點A向B發(fā)送信息時，節(jié)點H是隱終端，節(jié)點E是暴露終端。隱終端和暴露終端問題的存在導致了報文沖突的發(fā)生。

當節(jié)點A向B發(fā)送信息時，如果節(jié)點H也在發(fā)送數(shù)據(jù)，則節(jié)點A發(fā)送的報文和節(jié)點H發(fā)送的報文在節(jié)點B處產(chǎn)生了碰撞。解決的辦法是：在節(jié)點A向B發(fā)送數(shù)據(jù)之前先發(fā)送RTS信號；如果節(jié)點B空閑并準備好接收，就向節(jié)點A應答CTS信號；聽到節(jié)點B發(fā)射的CTS信號的節(jié)點H（隱終端）暫時停止一切發(fā)送；節(jié)點A開始向B發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免沖突的發(fā)生。

圖2為RTS/CTS機制時序圖。RTS/CTS握手機制是移動Ad hoc網(wǎng)絡中廣泛使用的機制。它在很大程度上解決了移動Ad hoc網(wǎng)絡中隱終端和暴露終端問題，極大地提高了網(wǎng)絡性能。

FAMA協(xié)議^[4]主要有兩大類，即FAMA－NPS(FAMA with non－persistent packet sensing)^[3]和FAMA－NCS(FAMA with non－persistent carrier sensing)^[4]。FAMA－NPS協(xié)議類似于MACA、MACAW。FAMA－NCS協(xié)議采用載波偵聽機制，并通過增加CTS控制報文的長度完全消除了隱發(fā)送終端問題。FAMA－NCS協(xié)議可以被用于移動Ad hoc網(wǎng)絡。

FAMA協(xié)議有兩個特點^[5]：一是通過延長RTS和CTS控制報文的長度來消除控制報文的沖突，較好地解決了隱終端問題；二是允許一次RTS－CTS交互成功后，節(jié)點可連續(xù)發(fā)送多個報文，從而增加了網(wǎng)絡的吞吐量。

圖3給出了占主導地位的CTS控制信號時序圖^[6]。其中CTS信號持續(xù)時間比RTS長。當接收方響應發(fā)送方的RTS信號而開始發(fā)送CTS信號時，在CTS范圍內(nèi)的任何節(jié)點無論是否正在發(fā)送RTS，將至少偵聽到占統(tǒng)治地位的CTS分組的一部分（圖3中的δ部分）。這些節(jié)點將推遲對信道的爭用，實現(xiàn)了無碰撞數(shù)據(jù)報文傳輸。FAMA－NCS協(xié)議解決了隱終端問題，但暴露終端問題仍然存在。

為了實現(xiàn)FAMA－NCS協(xié)議，對每個節(jié)點定義了五種狀態(tài)^{[3，4，6]}，即初始狀態(tài)（start）、無源狀態(tài)（passive）、遠程狀態(tài)（remote）、退避狀態(tài)（backoff）和傳輸狀態(tài)（transmit）。

每個移動節(jié)點首先初始化進入start狀態(tài)，并等待一段時間。等待時間為發(fā)送最大信息包所占用信道的來回時間總和，保證了正在占用信道的相鄰節(jié)點免于沖突地接收完數(shù)據(jù)。當節(jié)點沒有檢測到載波時，轉(zhuǎn)移到passive狀態(tài)；否則，轉(zhuǎn)移到remote狀態(tài)。

在passive狀態(tài)，若節(jié)點偵聽到載波，就轉(zhuǎn)移到remote狀態(tài)。如果信道空閑，并且有發(fā)送數(shù)據(jù)請求，就轉(zhuǎn)移到transmit狀態(tài)。

在transmit狀態(tài)，若發(fā)送RTS后收到了CTS應答，則傳輸數(shù)據(jù)；如果在規(guī)定時間沒有收到CTS應答，則轉(zhuǎn)移到backoff狀態(tài)。如果沒有發(fā)送數(shù)據(jù)請求，就轉(zhuǎn)移到passive狀態(tài)。

在remote狀態(tài)，如果在backoff退避時間沒有偵聽到載波，且有發(fā)送數(shù)據(jù)請求，就轉(zhuǎn)移到transmit狀態(tài)；如果偵聽到載波，就轉(zhuǎn)移到remote狀態(tài)。

在backoff狀態(tài)，如果信道空閑，且有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就轉(zhuǎn)移到passive狀態(tài)。如果偵聽到載波，就轉(zhuǎn)移到backoff狀態(tài)。

FAMA－NCS狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

2改進型FAMA多址接入?yún)f(xié)議

在FAMA協(xié)議中，CTS比RTS要長，CTS主導了RTS而占統(tǒng)治地位。RTS寬度大于最大信道傳輸時延和收發(fā)處理時間之和，CTS寬度大于RTS和信道往返時間之和。占統(tǒng)治地位的CTS起到了忙音阻塞（busy tone）信號的作用。在節(jié)點成功搶占到信道使用權(quán)后，節(jié)點能夠免于碰撞的連續(xù)傳輸多個報文序列。FAMA－NCS連續(xù)報文傳輸機制如圖5所示。

FAMA－NCS連續(xù)報文序列傳輸機制步驟如下：

a)通過RTS－CTS控制信號搶占到信道使用權(quán)；

b)對發(fā)送節(jié)點：如果需要連續(xù)傳輸報文序列，在報文頭部加入more標記，發(fā)送報文，跳轉(zhuǎn)到步驟d)；

c)對發(fā)送節(jié)點：收到CTS應答信號，如果需要連續(xù)傳輸報文序列，在報文頭部加入more標記，發(fā)送報文；

d)對接收節(jié)點：收到數(shù)據(jù)后，如果報文頭部有more標記，發(fā)送CTS信號；否則，停止發(fā)送CTS，終止本次接收過程。

FAMA－NCS協(xié)議連續(xù)報文傳輸機制中，只要通過RTS－CTS控制信號搶占到信道使用權(quán)，無論當前信道空閑或者繁忙，都試圖傳輸自定義最大長度的報文序列。當信道比較繁忙時，搶占到信道的節(jié)點長期霸占信道，造成節(jié)點接入公平性很差。本文從信道估計入手，在信道比較空閑時，連續(xù)傳輸較多的報文序列；在信道競爭比較激烈時，連續(xù)傳輸較少的報文序列。其主要目的是既要保障較高的吞吐率，又要改善接入公平性。

在基于RTS/CTS握手機制的MAC協(xié)議中，在網(wǎng)絡負荷較大時，節(jié)點為了獲得信道訪問權(quán)，需要多次發(fā)送RTS報文才能將數(shù)據(jù)報文發(fā)送出去。當源節(jié)點向目標節(jié)點發(fā)送RTS后，在給定時間沒有收到目標節(jié)點回送的CTS，此時源節(jié)點可能正在忙，或者RTS信號在目標節(jié)點處發(fā)生了碰撞，或者CTS信號在源節(jié)點處發(fā)生了碰撞，或者其他可能的情況。

3結(jié)束語

在移動Ad hoc網(wǎng)絡中，信道接入公平性和吞吐率是MAC協(xié)議需解決的重要問題。分析表明，提出的方法提高了FAMA協(xié)議的性能，保證網(wǎng)絡在高負荷或者低負荷的情況下，均能有較高的信道利用率；提高了網(wǎng)絡吞吐量，又能夠保證節(jié)點接入信道的公平性。

參考文獻：

[1]KARN P. MACA: a new channel access method for packet radio[C]//Proc of the 9th ARRL/CRRL Amateur Radio on Computer Networking Conf.[S.l.]: ARRL， 1990:134－140.

[2]BHARGHAVAN V， DEMERS A， SHENKER S， et al. MACAW: a medium access protocol for wireless LANs[C]//Proc of SIGCOMM’94. 1994:212-225.

[3]FULLMER C L， GARCIA－LUNA－ACEVES J J. Floor acquisition multiple access(FAMA) for packet－radio networks[C]//Proc of ACM SIGCOMM’95. Cambridge:[s.n.]， 1995:265-273.

[4]FULLMER C L， GARCIA－LUNA－ACEVES J J. Solutions to hidden terminal problems in wireless networks[C]//Proc of ACM SIGCOMM’97. New York: ACM Press， 1997:39-49.

[5]GARCIA－LUNA－ACEVES J J， FULLMER C L， MADRUGA E， et al. Wireless Internet gateways(WINGS)[C]//Proc of IEEE MILCOM’97. California， Monterey:[s.n.]， 1997.

[6]GARCIA－LUNA－ACEVES J J， FULLMER C L. Performance of floor acquisition multiple access in Ad hoc networks[C]//Proc of IEEE ISCC’98. Washington D C: IEEE Computer Society， 1998:63-68.

[7]吳傳霞，范平志，馮軍煥.一種Ad hoc網(wǎng)絡信道接入排隊退避公平算法[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(5):1111－1114.

[8]OZUGUR T， NAGHSHINEH M， KERMANI P， et al. Fair media access for wireless LANs[C]//Proc of GLOBECOM’99. Riode Jameiro: IEEE， 1999:570-579.

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