短波自組織網絡HFMACA協議研究

王洪民，脫永軍，陳勁堯，白 翔

(1.海軍信息化部，北京100841;2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

無線Ad Hoc網絡是一種自組織的對等式網絡，又稱作多跳網絡(Multi－hop Network)或稱自組織網絡(Self－ organized Network)［1］。自組織網絡具有分布式、無中心、自組織、節點可移動等特點［2］，在軍事通信、野外通信、應急通信等領域有廣泛的應用前景［3］。短波自組織網絡和其他無線網絡相比，其采用的短波信道存在著信道帶寬有限，信道速率低、時變、衰落和多徑等特性。因此短波鏈路具有誤碼率較高、不穩定、存在單向信道和距離無關等特性。

因此，如何解決多個用戶高效、合理地共享有限的短波信道資源這一問題，即媒介訪問控制(MAC)協議的設計是短波自組織網中的關鍵技術之一。其好壞直接影響到網絡容量、時延等性能指標的優劣。

短波自組織網MAC協議的難點主要體現在以下幾個方面:

1)分布式控制。在類似于蜂窩移動通信系統中使用的有中心的信道接入技術是由中心控制點來協調節點間信道的分配。而在自組織網中，沒有中心控制實體進行全局的資源管理與分配，只能采用分布式的控制機制來實現網絡中節點接入的協調，增加了協議設計的難度。

2)網絡拓撲結構的動態變化。自組織網中的節點通常會處于移動狀態，并且隨機地離開或加入網絡，這就導致節點間相互干擾關系的改變。同時，網絡中的業務負荷也在不斷變化，有時很輕，有時很重。自組織網的MAC接入協議應當適應這些動態變化，以獲得優良的性能。

3)隱藏終端和暴露終端問題［4］。自組織網絡中節點的移動性和多跳性帶來了隱藏終端和暴露終端的問題。隱藏終端是指在接收者通信范圍之內，而在發送者的通信范圍之外的節點。暴露終端是指在接收者通信范圍之外，而在發送者通信范圍之內的節點。由于發送者看不到隱藏終端，所以其存在可能造成數據沖突，而暴露終端的出現則可能會使網絡資源無法得到充分的利用。

文中在MACAW(Multiple Access Collision A-voidance for Wireless，無線多路訪問碰撞回避)［5］協議的基礎上，針對短波網絡的特點進行了改進，提出了短波多路訪問碰撞回避協議HFMACA，并對其進行了仿真分析，在短波自組織網MAC協議的研究和設計上進行了初步的探索。

1 MACAW協議簡介

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)協議是對MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改進，除了保留MACA中的RTS(Request to Send，請求發送)－CTS(Clear to Send，允許發送)握手機制外，還增加了其他的控制信令，包括 ACK(Acknowledgment，數據響應)、DS(Data Sending，數據發送)、RRTS(Request for Request to Send，發送RTS的請求)，以進一步解決隱藏終端和暴露終端帶來的各種問題。

MACAW協議的主要設計原理如下。

1)鏈路層采用5次握手的確認機制:MACAW采用RTS－CTS－DS－DATA－ACK五次握手機制。如果發送方超時沒有收到接收方回應的CTS消息，則重發RTS消息;如果接收方接收到數據，則向發送方反饋ACK消息，否則反饋CTS消息。發送方重發RTS消息時，如果超時沒有收到數據，則退避計數器的值增加;如果收到ACK，則退避計數器的值減小;如果收到CTS，退避計數器的值不變。采用這種方法進一步提高了信道的利用率。

2)采用DS幀以減少可能由隱藏終端帶來的沖突:在成功交互RTS和CTS后，由發送方發出DS幀，通知隱藏終端本節點與目的節點握手成功，減少數據幀的沖突。

3)采用RRTS幀提高競爭的公平性:當暴露終端不斷的收到RTS，而這些RTS消息又不是針對自己的時，將一直保持退避狀態，無法獲得發送數據的機會，造成資源使用的不公平現象。為解決此問題，已經獲得發送機會的節點在發送完數據后，發起RRTS消息，通知鄰近的暴露終端新的競爭期開始，收到RRTS的節點可立即發送RTS，從而提高了競爭效率，此時協議采用 RRTS－RTS－CTS－DSDATA－ACK六次握手的交互方式。

4)使用乘法增加線性減少的退避算法:在發送數據報文時，報文中攜帶本站的退避計數器值，收到報文的站根據此值在本地設置相同的退避計數器值。當傳輸完成后，所有的退避計數器恢復到最小值。同時使用乘法增加線性減少退避算法(MILD，Multiplicative Increase and Linear Decrease)，計數器值以1.5的比例增加，以1的步長減少。此外，可以為不同的目的站維護多個退避計數器值。通過這些措施，在一定程度上解決了公平性問題。

從以上分析可以看出，MACAW協議的優點是設計了較為完備的信令交互機制，最大可能的避免了數據沖突，同時在競爭的公平性方面也有較全面的考慮。但該機制應用在短波通信中時，則存在控制信息交互次數太多的缺點，一方面由于無線設備的發送和接收都需要一定的轉換時間，這將顯著地降低數據傳輸的效率，另一方面，由于短波具有誤碼率較高以及時變的特點，一次通信的流程越復雜，其失敗的概率也就越高，因此，有必要針對短板特點對MACAW協議進行簡化。

2 HFMACA協議研究

2.1 HFMACA協議基本思想

HFMACA協議同樣使用控制幀握手來基本解決隱藏終端和暴露終端的問題，并在發生沖突時使用MILD退避算法進行退避。該協議在MACAW協議的基礎上，針對短波網絡的特點進行了改進，在保留了MACAW協議信道訪問控制的機制的基礎上，簡化了節點間的握手和交互過程，進一步提高了協議的效率。

2.2 HFMACA協議運行機制

HFMACA協議使用了以下四種幀，分別是:請求發送(RTS，Request to Send)、允許發送(CTS，Clear to Send)、數據發送(DS，Data Sending)和上層的數據(Data)。除了Data外，所有的控制幀都有一個退避值字段，收到控制幀的非目的節點均要拷貝下這個值并退避相應時間。數據通過RTS－CTSDS－DATA四次握手過程完成傳遞，消息交換示意圖如圖1所示。

圖1 HFMACA消息交互示意Fig.1 Message exchange schematic diagram of HFMACA

在圖1中，節點C在A的通信范圍之外，節點D在B的通信范圍之外。當A給B發送數據時，發送方式為RTS－CTS－DS－DATA。RTS和CTS為固定長度，用于預約信道。A在收到CTS后先發送DS通知鄰近站點(D和E)退避，然后發送數據，基本解決暴露終端和隱藏終端的干擾。除了接收節點以外，收到幀的節點拷貝幀中的退避值并設置定時器進行退避。例如:

1)在A的范圍內，B范圍外的節點D，在收到A發出的RTS時，拷貝RTS中退避值并設置定時器保持靜默狀態，以便讓A順利發送RTS和收到CTS;若收到的是DS，那么拷貝DS中的退避值并設置定時器保持靜默狀態，以便讓A順利發送DATA。

2)在A的范圍外，B范圍內的節點C，在收到B發出的CTS后知道信道被預定，拷貝CTS中的值并設置定時器保持靜默狀態，以便讓B順利收到DATA。同時在A和B范圍內的節點E在收到RTS或CTS或DS時都要設置定時器并保持靜默狀態足夠長的時間，以便讓AB間的通信順利進行。

HFMACA協議中的退避算法采用的是MILD算法，即乘法遞增線性遞減算法。由于HFMACA協議采用信道預約的方法，所以只有發送RTS時需要競爭信道。首先根據節點數和業務量選擇一個原始退避時間間隔x，當檢測到沖突時，將退避間隔時間調整為原退避時間間隔的 1.5倍，Tinc(x)=min［1.5x，BOmax］，其中的 BOmax為最大退避時間間隔;每成功完成一次發送，就將退避間隔時間調整為原退避時間間隔減 1，Tdec(x)=min［x－1，BOmax］。

在該協議中網絡數據的優先級分為4級，優先級高的數據需要優先發出，采用以下方法:對每一個優先級，設定一個退避時間間隔增量Δt，優先級越高的退避時間間隔越短。最高優先級1退避時間間隔可設置為0，即 Δt1=0;其它 Δt1＜Δt2＜Δt3＜Δt4。實際的退避時間取值為x+Δt;若發生沖突，退避時間為Tinc(x)+Δt;若成功完成一次發送，退避時間調整為 Tdec(x)+Δt。

綜上，HFMACA協議與MACAW協議相比，主要做出了如下的改進:

1)MACAW協議中的ACK一方面用于表示一次數據傳輸過程的結束，另一方面用于對數據本身進行確認。在HFMACA中，由于在DS幀中增加了退避時間字段，用于保證DATA的傳輸不受干擾，當退避時間結束后，即可進行新一輪競爭，而不需要等待ACK消息。需要說明的是，HFMACA協議不提供數據的可靠性保證，數據的確認及是否重傳等由上層應用負責。

2)去掉了RRTS幀，減小了協議的復雜性。雖然由此有可能帶來資源使用不公平的問題，但當網絡規模較小時，該問題不算明顯，因此HFMACA協議適用于小規模的網絡。

2.3 HFMACA協議性能分析

(1)網絡容量

HFMACA協議采用了基于RTS－CTS的請求應答握手機制來競爭信道使用權，網絡的容量和業務量的多少以及頻繁程度密切相關。在業務量較少，且發送頻度較低時，網絡可以支持大量用戶同時在網，同時節點入網不需要額外的開銷和協議，開機即入網。但是當網絡業務量增加或網絡中各點的業務比較平均時，網絡中各個節點發生碰撞的概率大大增加，雖然可以通過退避機制來在一定程度上解決沖突問題，但是勢必會浪費大量的時間，業務傳輸的成功率也會大大下降。因此，在需要保證業務的成功率和業務頻度的條件下，網絡的容量不可能太大。

經過仿真分析，信道誤碼率在10－3量級，速率2 400 b/s，業務長度1 KB時，網絡用戶數目、業務密度與業務成功率之間的關系如表1所示。表1中的業務發送間隔時間指的是網絡中所有節點根據業務間隔時間發起1 K字節大小的數據，業務發送的時間點將在業務間隔時間到時附近±5%波動。

表1 用戶數量、業務密度與業務成功率間關系Table 1 Relationship between user number，traffic density and traffic success rate

可以看出，用戶數量增加后，隨著業務發送間隔時間縮短，業務性能下降。如果網絡需要支持32個節點，且要求業務成功率為80%左右，則網絡只能支持稀疏業務，即業務發送的間隔時間不能低于20 min。

(2)業務傳輸時延

在HFMACA網絡中，如果只考慮發送成功的業務的傳輸時延。這個時延將會是節點競爭信道的時間+業務在信道上傳輸的時間。根據協議設計的原則，節點在第一次競爭失敗時，將會退避一段時間再次競爭，如果3次競爭失敗，則本次業務失敗。

因此，對于HFMACA網絡來說，業務傳輸時延將會是一個相對比較固定的數值，最小是:TRTS+TCTS+TDS+TData，約為3.6 s，而最大是 3 × (TRTS+TCTS+TDS)+T退避1+T退避2+TData，這個時間主要取決于原始退避時間，可能會在一定范圍內波動。

當信道誤碼率在10－3量級，業務長度為1 KB時，32個節點的網絡在不同速率，不同業務發送間隔時間下，業務傳輸時延情況如表2所示。

表2 業務傳輸時延Table 2 Traffic delay(unit:second)

可以看出，業務發送頻率大于10 min時，業務傳輸時延基本保持平穩，進一步減少業務間隔時間后，時延明顯增大。

3 結語

MAC層接入協議的作用是使多個用戶高效、合理地共享有限的信道資源。短波自組織網絡具有節點移動、分布式控制、鏈路誤碼率較高、不穩定等特點，其MAC層接入協議的設計面臨許多新的挑戰。文中針對短波網絡的特點，對MACAW協議進行了適當改進，提出了短波無線多路訪問碰撞回避協議HFMACA，并對其容量、業務成功率、業務傳輸時延等性能進行了仿真分析，對短波自組織網MAC協議的研究和設計具有一定的參考意義。

［1］RAMANATHAN R，REDI J.A Brief Overview of Ad Hoc Networks:Challenges and Directions［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(05):20 －22.

［2］于宏毅.無線移動自組織網［M］.人民郵電出版社，2005:23.YU Hong－yi.Wireless Mobile Ad Hoc Network［M］.Posts and Telecom Press，2005:23.

［3］候祥博，王一強，楊金政.移動Ad Hoc網絡技術研究及應用［J］.通信技術，2009，42(08):16 －20.HOU Xiang － bo，WANG Yi－ qiang，YAN Jin － zheng.Mobile Ad Hoc Network Technology and Its Application［J］.Communication Technology，2009，42(8):16 －20.

［4］馬繼燕.無線Ad hoc網絡異步MAC層接入協議研究［J］.數字通信世界，2008(04):54－56.MA Ji－yan.The Research of Asynchronous MAC Access Protocol for Wireless Ad Hoc Network［J］.Digital Communication World，2008(04):54－56.

［5］LUNDY G M，ALMQUIST M，ORUK T.Specification，Verification and Simulation of a Wireless LAN Protocol:MACAW［C］//IEEE Military Communications Conference Proceedings.USA:IEEE，1998:565 －569.