一種基于多信道協作的Ad hoc組網的MAC實現

余紅明，騰潢龍

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

一種基于多信道協作的Ad hoc組網的MAC實現

余紅明，騰潢龍

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

主要介紹了一種更高效的基于Ad hoc多信道協作的MAC接入方式和全網同步協議。這種實現方式能夠增加組網的公共信道資源，減少碰撞，提升網絡吞吐量，具有很好的工程應用價值。

Ad hoc 多信道 MAC

1 引言

Ad hoc網絡是一組帶有無線射頻的可移動終端組建的多跳自治系統，具有易部署、自組織、無需借助基礎設施等特點，可廣泛應用于軍事、災害救援和環境監測等領域。但由于網絡受帶寬資源限制、分布式競爭接入和動態拓撲等特性影響，信道接入協議和路由協議受到極大的挑戰。本文基于Ad hoc組網方式，研究一種更高效的多信道協作的MAC接入方式和全網同步協議。

2 設計與實現

2.1 MAC層協議在移動Ad hoc網絡中的分類

在移動Ad hoc網絡中，會有多個網絡節點同時使用同一個無線信道的情況，此時就需要MAC層協議來協調各個節點，避免信道使用的沖突。對移動Ad hoc網絡來說，MAC層協議的主要功能是無線信道的接入控制，實現多個節點間分組傳輸和隨機接入控制。需要解決以下3個問題：

（1）避免信道使用沖突問題；

（2）隱終端的問題；

（3）QoS的支持保障等。

經過多年的研究，業界已經提出數十種Ad hoc的接入控制協議。目前按照Ad hoc網絡信道接入使用的信道數目來劃分，可以分為單信道和多信道MAC協議。

（1）單信道的主要MAC協議有：MACAW、MARCH、MACA、MACA-BI等協議；

（2）多信道的主要M A C協議有：多信道CSMA、DPC、DBTMA、PAMAS等協議。

2.2 單信道MAC機制的弊端

由于單信道的MAC采用單個信道，所有的節點共用同一個資源，如果有某個節點在傳輸數據，則其他相鄰的節點就不能使用該信道，必然會造成擁塞的問題，因此單信道方式信道利用率非常低。

如圖1所示，當1號節點在傳輸數據時，如果4、5號節點也需要傳輸數據，則會造成公共信道資源沖突，不能完成傳輸。

圖1 單信道組網情況

如圖2所示，如果此時采用信道協調機制的多信道組網方式，8、4、9預約同一個頻點F2，5、6、7預約同一個頻點F3，則可以將頻點錯開，不會造成網絡擁塞，對網絡吞吐量會有很大的提升（整個網絡采用頻分機制）。

圖2 多信道組網情況

2.3 多信道組網時間同步方案

（1）多信道協作方式

在通信系統支持多個信道的前提下，可以將信道劃分為控制信道（CCH）和多個業務信道（SCH），同時需要整個組網保持全網同步。具體如圖3所示：

圖3 多信道時隙劃分情況

對于多個SCH而言，實際傳輸時各個業務信道的頻點是分開的，這樣能夠保證頻分復用。

而CCH的意義在于：多信道協商，就像開會一樣，大家各個節點約定時間一起開會，分配好后續傳輸資源。如果大家都同意，就結束會議；如果不同意，則繼續協商、分配。CCH的另一個作用就是廣播：有重要事情在會議上廣播一下，大家都能聽到。

因為要確定什么時候開會（公共時隙）、在哪個地點（公共信道），所以需要全網時間保持一致，這樣大家都能按時參加協調會議。

同步好后就開始預約。1號節點預約附近點的時隙，同意就應答一下；如果和其他點的預約有沖突，則回答不行，并進行調整。此過程是隨機的，附近節點都可以預約，這樣解決了附近點在下一時隙頻率可能沖突的問題，通過這個覆蓋到全網，保證全網頻率錯開且時隙不沖突。具體如圖4所示。

全網在CCH上對后續在業務信道上采用哪個業務信道的哪個時隙進行預約。由于是成對預約，采用應答機制。應答成功后表示預約成功，后面在業務時隙同時采用該頻率通信。如果預約失敗（比如在對端看到有時隙沖突的情況），則發端再重新發起預約。如果時間不夠，則考慮在后面的時隙發起預約。

圖4 各節點時隙預約情況

圖5 是各個節點間在公共信道和業務信道上的信息交互情況：

圖5 各節點在公共信道上的時隙預約情況

（2）網絡同步基準實現

全網同步可以采用以下方案：

◆GPS或者北斗實現全網同步；

◆在同步覆蓋距離比較近，不能覆蓋全網的情況下，考慮時鐘同步機制。

下面對時鐘同步機制進行介紹：

網絡采用群首的同步機制：群首產生，在開機后監聽網絡，如果多個超幀沒有收到網絡信息，則將自己設置為群首，由群首來發送同步信息。

按建網節點為全網標準時鐘，定義為0級時鐘。該時鐘精度最高，下一跳是1級時鐘，低于0級時鐘；再下一跳是2級時鐘，以此類推。具體如圖6所示：

圖6 網絡節點的時鐘層級關系

如果各級時鐘不加補償機制，則各級時鐘會有偏差。如圖7所示，此時全網時鐘沒有完全同步。

圖7 網絡同步的時間關系（未補償前）

采用時鐘補償機制如下：0級網絡節點廣播0級時鐘，1級網絡節點收到0級時鐘，及時修正自己的時鐘，同時在隨機時延后應答0級時鐘，0級時鐘接收到數據后，檢測與0級時鐘的偏差，廣播發送1節點需要修正的偏差，使1級時鐘和0級時鐘沒有偏差，1級時間同步完成。

1級和0級完成同步之后，按上述方法向下廣播1級時鐘，使2級時鐘同步，以此類推，可使整個網絡保持同步。全網同步以后，則可以區分是業務和公共控制信道，不會造成信道沖突情況。

時鐘調整后的時序關系如圖8所示。

2.4 系統仿真結果

針對上述組網搭建仿真環境，對組網的時延和丟包情況進行分析，具體分析結果如圖9和圖10所示：

圖8 時鐘調整后的時序關系

圖9 不同組網方式的時延情況

圖10 不同組網方式的丟包率情況

由此可以看出，隨著節點數的增加，時延和丟包率在單信道、多信道組網的情況下都有所增加，這是因為節點密度增加后信道更加擁擠。但多信道協作的時延和丟包率明顯低于單信道，這說明多信道協作方式在Ad hoc自組網上對QoS有較大的改善。

3 結論

通過本文分析可以看出，多信道組網較單信道在組網性能上有比較明顯的優勢，在移動自組網上具有很好的應用價值。

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余紅明：工程師，畢業于西安電子科技大學通信工程專業，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事軍用通信系統的研究與開發工作。

騰潢龍：高級工程師，畢業于北京理工大學計算機科學與工程專業，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事軍用通信系統的研究與開發工作。

MAC Implementation of Ad Hoc Network Based on Multi-Channel Collaboration

YU Hong-ming, TENG Huang-long
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

An efficient MAC and network synchronization protocol based on Ad hoc multi-channel collaboration was introduced, which can increase common channel resource of network, reduce collision and enhance network throughput. It has better engineering application value.

Ad hoc multi-channel MAC

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.006

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0029-04

余紅明,騰潢龍. 一種基于多信道協作的Ad hoc組網的MAC實現[J]. 移動通信, 2015,39(12): 29-32.

2015-04-07

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn