基于無線自組織網MAC的FPRP協議改進研究

羅正華，孟 源，蘇文昊，楊煜婷

(成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

無線自組織網(Ad Hoc)是由一組帶有無線收發裝置的移動節點組成的無中心、多跳的臨時自治系統，具有組網靈活、快速部署、無需基礎設施、成本低、抗毀性高與生存能力強等特點.目前，大多數信道接入協議(Medium Access Control，MAC)是針對單播業務設計的，支持廣播業務的信道接入協議有5 步預約(Five-Phase Reservation Protocol，FPRP)和可靠預約ALOHA(Reliable Reservation ALOHA，RRALOHA)協議［1］.研究發現，FPRP 協議不僅可以可靠完成時隙資源的預約，而且控制部分開銷極小.FPRP 協議通過隨機競爭接入，利用5 次握手機制來為廣播業務預約無沖突的廣播信息時隙，節點一旦預約成功，廣播業務的傳送具有較高的可靠性.由于時隙預約過程只是在兩跳范圍內進行，所以，時隙分配的過程可以在網絡中的不同空間上并行進行，從而提高了系統的空間復用度［2－4］.本研究針對FPRP協議的不足，比如系統實現的復雜度等，對其進行了改進，并通過仿真實驗進行了性能驗證.

1 FPRP 協議

FPRP 協議是一種基于競爭的同步MAC 協議.一個預約幀(Reservation Frame，RF)后面緊跟若干個信息幀(Infromation Frame，IF).一個RF 包含N 個預約時隙(Reservation Slot，RS)，每一個IF 也包含N 個信息時隙(Information Slot，IS).每一個RS 對應一個IS.TDMA 時隙分配表在RF 中產生，每一個IF 按照這個時隙分配表來分配時隙，當下一個RF 到來時，重新進行時隙預約，時隙分配表也相應進行更新.

一個RS 包括M 個預約周期(Reservation Cycle，RC)(M 值隨具體網絡變化)，一個RC 包括5 次握手過程.網絡中的節點通過5 次握手過程來進行時隙資源的競爭預約［5－6］.FPRP 協議的幀結構如圖1所示.

圖1 FPRP 協議的幀結構

在FPRP 協議下，一個完整的預約過程包括:

第1 階段，預約請求階段(Reservation Request Phase，RR).在該階段，節點有數據需要發送，則申請預約時隙以概率P 發送一個預約請求分組(Reservation Request Packet，RRP).此時該節點稱為請求節點(Requesting Node，RN)，處于監聽狀態的節點可能沒有收到RR 分組，可能只收到1 個RR 分組，也可能收到多個RR 分組.若節點收到多個RR 分組，則視為監聽到一次RR 包碰撞.

第2 階段，沖突報告階段(Collision Report Phase，CR).如果節點在RR 階段，監聽到碰撞，它在CR 階段就會發送一個沖突報告分組(Collision Report Packet，CRP)來表明其在第1 階段監聽到RR 分組的沖突，否則節點就保持靜默狀態.RN 節點通過監聽CR 分組，檢測是否發生了沖突.如果沒有收到CR 分組，RN 就認為沒有發生沖突，此時RN 節點的狀態為發送節點(Transmission Node，TN).RR/CR的交互消除了隱藏終端問題.

第3 階段，預約證實階段(Reservation Confirmation Phase，RC).在該階段，處于TN 狀態的節點發送預約證實分組(Reservation Confirmation Packet，RCP)，TN 的鄰節點收到RC 分組后，將不再競爭這個時隙的使用，并在IF 幀中接收來自TN 節點的數據.

第4 階段，預約確認階段(Reservation Acknowledgment Phase，RA).該階段，TN 的鄰節點通過發送RA 分組來對RC 分組進行回應.RA 分組告訴TN節點相應時隙的預約已經成功，而TN 兩跳遠處的節點若收到RA 分組，則表示其兩跳遠處有節點已經預約成功這個時隙.如果TN 沒有相連節點，它就收不到預約確認分組，由此可以知道TN 是一孤立節點，TN 就沒必要進行信息的發送.

第5 階段，填充/消除階段(Packing/Elimination Phase，P/E).在該階段，網絡中有2 種類型的分組進行傳送，一種是PP(Packing Packet)，該分組由TN的兩跳鄰節點發送，收到PP 的節點知道三跳遠處的節點預約成功，將不能再競爭同一個時隙.利用這一點可以相應提高三跳鄰節點的競爭概率p，增加距離TN 三跳遠處節點的預約成功率，加快預約收斂速度.另一種是EP(Elimination Packet)，該分組由TN 節點以0.5 的概率發送，用來消除相鄰節點之間可能存在的非孤立死鎖，如果TN 在這個狀態沒有發送但是收到了一個EP，說明存在非孤立死鎖，這時，收到EP 的TN 將放棄對該時隙的占用.

一個完整預約過程后，節點的可能狀態為:一跳鄰節點的狀態為接收狀態，預約成功的節點為傳遞狀態;兩跳鄰節點的狀態為鎖狀態，預約時隙不允許再參與資源競爭;其余節點的狀態為空閑狀態.只有處于傳遞狀態的節點才能在相應的信息時隙中進行數據傳送.

2 協議改進

針對FPRP 協議的一些不足，本研究從以下幾方面對其進行了改進:

1)在FPRP 協議的假設中，認為2 個節點間的無線通信是無噪且對稱的信道，這在實際應用中是不存在的.實際場景中，節點發送數據時的射頻信號會對其他節點產生影響，空中一般也會有其他信號的干擾.在這種情況下，節點應該具有可以測量出無線通信鏈路信噪比的能力，根據信噪比來判斷通信鏈路是否可靠，從而決定是否使用這條通信鏈路進行通信.

2)在FPRP 的5 階段握手過程中，為了使節點的干擾和沖突盡量減小，可以使不同階段的發射功率有所差別.在階段1、2，可以適當增大節點發送RR 分組的無線發射功率，以便檢測到更多潛在的可能發生沖突的鄰節點;在階段3，對RC 分組的傳送只需要正常的無線發射功率即可;在階段4，對RA 分組的發送也應該適當增大發射功率，以通知更多的附近節點在兩跳遠處有節點預約時隙成功.

3)在現有的FPRP 協議中，節點在發送數據時，若在一幀內數據沒有發送完成，則在下一幀要重新參與時隙的競爭預約，這樣不僅不利于實時業務的傳送，也會增加網絡進行時隙預約分配的收斂時間.對此，可以對FPRP 協議做如下調整:在每一個RS的末尾，再加上一個比特的信息，此信息由TN 節點發送，用于表示一幀結束后，節點是否釋放這個時隙.若此幀結束后節點不釋放此時隙，則將下一次競爭此時隙的概率置為1，相關鄰節點則將下一幀競爭此時隙的概率置為0，這樣就能保證業務的實時性，避免實時業務因為時隙競爭的失敗而產生過大的延遲.

4)通過FPRP 協議的5 次握手過程第5 階段的EP 分組，確實可以消除網絡的非孤立死鎖節點，但是并不能完全消除.這是因為，若一組非孤立死鎖節點中有2 個節點同時發送EP 分組，則這2 個節點還是無法發現自己是非孤立死鎖節點.針對這種情況，可以在接下來的RC 的第1 階段，繼續補充發送EP分組，經過這樣的操作，若協議的M 參數取值合理，網絡中存在非孤立死鎖節點的概率就近似為零了.而且這些補充發送的EP 分組也不會被RR 分組所干擾，因為在TN 預約成功一個時隙后，其他節點就不會再參與這個時隙的競爭預約.

5)在網絡規模不大(三跳以內)且節點分布呈網格狀的時候，孤立死鎖節點和非孤立死鎖節點很難發生，且沒必要考慮三跳以外的節點，這樣，FPRP協議的第4 階段和第5 階段就可以省略，成為簡化的FPRP 協議，可以稱之為3 步預約協議(Three Phase Reservation Protocol，TPRP)協議，從而簡化系統實現的復雜性.

3 仿真及結果分析

為驗證改進后FPRP 協議的性能，設置網絡仿真參數如表1 所示.仿真實驗結果如圖2 ～5 和表2 所示.

表1 仿真參數設置表

圖2 按1)、2)改進后的效果

圖3 超長數據分組業務時隙平均競爭成功率

圖4 TPRP 與FPRP 協議在不超過三跳的微型自組網中MAC 接入時延對比

圖5 TPRP 與FPRP 協議在不超過三跳的微型自組網中吞吐量對比

表2 網絡中平均非孤立死鎖節點個數

從圖2 可看出，由于節點根據無線信道質量做了選擇，并在5 次握手階段，采用動態功率調整措施，使得改進后的FPRP 協議的丟包率得到明顯降低.

在圖3 中，固定5 個節點發數據，形成超長數據分組業務.在這種情況下，對比FPRP 協議改動前后時隙預約成功率，從仿真結果看出，由于改進后的FPRP 協議加上了節點在下一幀根據其數據是否發送完成來決定是否釋放時隙的機制，這樣就可以使得在一幀中沒有傳完數據的節點，在下一幀時優先使用上一幀的時隙，當節點的數據分組業務很長時，可以明顯提高節點競爭時隙的成功率.

在表2 的仿真場景中，本研究有意設置網絡結構使非孤立死鎖節點發生的概率大大增加，對比FPRP 協議改動前后，預約幀結束后網絡中的平均非孤立死鎖節點個數.由于當時隙預約成功后，TN節點利用余下未用的RC 補發EP 分組，完全消除了網絡中的非孤立死鎖節點個數.這個改動不僅提高了預約幀的利用率，而且提高了廣播業務的可靠性.

從圖4、圖5 可看出，在不超過三跳的微型自組網絡中，改進的FPRP 協議的接入時延、吞吐量和FPRP 協議基本相同.當不超過三跳時，可以用改進的FPRP 協議代替FPRP 協議，以簡化協議實現的復雜度.

4 結 語

本研究對無線自組織時隙分配協議FPRP 進行了研究與改進.仿真結果表明，改進后的協議比改進前的協議性能有顯著提高，改進的結果與實際仿真結果一致.

［1］林淑藝.基于TDMA 的無線自組織網絡時隙分配機制研究與仿真［D］.廈門:廈門大學，2009.

［2］于宏毅.無線移動自組織網［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

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［4］楊雙懋，郭偉，蘇儉.基于FPRP 的無線自組織網的MAC協議［J］.計算機應用研究，2008，25(1):68－70.

［5］Zhu C，Corson M S.An evolutionary-TDMA scheduling protocol(E-TDMA)for mobile ad hoc networks［C］//Proceedings of Advanced Telecommunications and Information Distribution Research Program，2000.College Park，MD:University of Maiyland，2000.

［6］黃偉.基于OPNET 的動態TDMA 接入網絡半實物仿真研究與實現［D］.西安:西安電子科技大學，2009.