基于業(yè)務(wù)量感知的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議

陳柯帆，呂 娜，張偉龍，包志祥

（空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710077）

0 引 言

由于協(xié)作通信改變了傳統(tǒng)的通信方式，導(dǎo)致現(xiàn)有的MAC （medium access control）協(xié)議在協(xié)作通信模式下存在明顯不足，需要研究合適的MAC 協(xié)議來(lái)有效地利用協(xié)作通信技術(shù)提供的物理層優(yōu)勢(shì)［1］。

文獻(xiàn) ［2，3］提出針對(duì)802.11的協(xié)作MAC 協(xié)議；文獻(xiàn)［4］提出一種采用協(xié)作機(jī)制的時(shí)隙ALOHA 協(xié)議，較好改善了采用隨機(jī)接入類MAC 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。針對(duì)時(shí)分多址 （TDMA）網(wǎng)絡(luò)，目前已有一些協(xié)作MAC 協(xié)議提出，但依然不多。文獻(xiàn) ［5］提出一種基于微時(shí)隙設(shè)計(jì)的協(xié)議，雖然提高了傳輸成功率，但并沒(méi)有說(shuō)明微時(shí)隙的引入對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的影響；文獻(xiàn) ［6］提出一種C－TDMA協(xié)議，分析結(jié)果表明C－TDMA 較傳統(tǒng)的TDMA，較大提高了系統(tǒng)吞吐量，但C－TDMA 是基于時(shí)隙固定分配的TDMA設(shè)計(jì)的，并未擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)TDMA 中；文獻(xiàn) ［7］將協(xié)作技術(shù)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)TDMA 中，提出一種基于動(dòng)態(tài)TDMA 的協(xié)作MAC協(xié)議，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)吞吐量。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)具有相同優(yōu)先級(jí)的自組織網(wǎng)絡(luò)，某一節(jié)點(diǎn)由于數(shù)據(jù)傳輸失敗帶來(lái)的不斷重傳將造成傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)積壓，嚴(yán)重影響該節(jié)點(diǎn)的傳輸性能，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔⒉荒芗皶r(shí)有效被其它節(jié)點(diǎn)獲取。文獻(xiàn) ［7］利用網(wǎng)絡(luò)中無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的空閑數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳，對(duì)于業(yè)務(wù)量持續(xù)恒定的網(wǎng)絡(luò)，及高業(yè)務(wù)量或是存在較大干擾的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的概率很小，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)獲得的吞吐量較有空閑數(shù)據(jù)時(shí)隙時(shí)大幅降低。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議（C－DTDMA）基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種基于業(yè)務(wù)量感知的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得出了相應(yīng)結(jié)論。

1 協(xié)議描述

本節(jié)詳細(xì)描述改進(jìn)的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議。

1.1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文改進(jìn)的協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn) ［7］相似，由控制時(shí)隙部分與數(shù)據(jù)時(shí)隙部分組成。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)控制微時(shí)隙［8］，控制微時(shí)隙用于發(fā)送預(yù)約類相關(guān)信息和節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量信息。數(shù)據(jù)發(fā)送部分每一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙由數(shù)據(jù)發(fā)送與反饋時(shí)隙組成，在數(shù)據(jù)發(fā)送后，節(jié)點(diǎn)在反饋時(shí)隙接收來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)的反饋信息，傳輸成功則收到ACK 報(bào)文，傳輸失敗則收到NACK 報(bào)文。

圖1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

1.2 業(yè)務(wù)量感知過(guò)程

本文以節(jié)點(diǎn)IP層緩存區(qū)數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)表征節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的大小，緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量越多說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量越大。利用跨層的思想，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在每一幀自身數(shù)據(jù)時(shí)隙完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，便讀取IP層緩存區(qū)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，在其它時(shí)刻不進(jìn)行讀取。在控制信息交互階段，將所讀取的數(shù)據(jù)包數(shù)通過(guò)控制報(bào)文發(fā)送至其它節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張緩存區(qū)記錄表用于記錄當(dāng)前自身以及網(wǎng)中其它節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，當(dāng)接收到其它節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制報(bào)文廣播的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量信息，便立即對(duì)緩存區(qū)記錄表進(jìn)行更新。

1.3 數(shù)據(jù)包傳輸流程

如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)D。在全連通網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C在節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送時(shí)接收A 發(fā)往D 的數(shù)據(jù)包并緩存到協(xié)作數(shù)據(jù)包緩存區(qū)中。若D 成功接收A 發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送ACK 報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A，B，C 收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)D 的ACK 報(bào)文，則丟棄其緩存的A 發(fā)往節(jié)點(diǎn)D 的數(shù)據(jù)包。若由于信道環(huán)境影響導(dǎo)致D 接收數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，則D 發(fā)送NACK 報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A，B，C 在收到NACK 報(bào)文后，則準(zhǔn)備在下一幀進(jìn)行協(xié)作重傳。

圖2 數(shù)據(jù)包傳輸

1.4 協(xié)議運(yùn)行流程與協(xié)作重傳機(jī)制

如圖2所示，若節(jié)點(diǎn)A 傳輸失敗，則節(jié)點(diǎn)A，B，C 在下一幀將對(duì)A 傳輸失敗的數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)作重傳，以提高A重傳數(shù)據(jù)的可靠性。在控制時(shí)隙階段，網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自身控制微時(shí)隙期間不僅廣播時(shí)隙動(dòng)態(tài)占用信息，同時(shí)也要廣播自身業(yè)務(wù)量大小信息。

節(jié)點(diǎn)B，C若發(fā)現(xiàn)自身緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量小于節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)包數(shù)量，則B，C將在自身控制微時(shí)隙期間申請(qǐng)利用自身數(shù)據(jù)時(shí)隙為節(jié)點(diǎn)A 重傳錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，源節(jié)點(diǎn)A 也必須發(fā)送相應(yīng)申請(qǐng)。若除A 外沒(méi)有其它節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)，則所有正確收到A 數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)與A 一起在A 的數(shù)據(jù)時(shí)隙為節(jié)點(diǎn)A重傳相應(yīng)數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點(diǎn)D 以MRC （最大比合并）的方式接收多節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。若有除節(jié)點(diǎn)A 外其它節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)，節(jié)點(diǎn)A 在自身數(shù)據(jù)時(shí)隙傳輸其它數(shù)據(jù)，并在選中的申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)隙與其它節(jié)點(diǎn)一起重傳錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提前申請(qǐng)的節(jié)點(diǎn)具有較高的優(yōu)先級(jí)，即若B的控制微時(shí)隙在C 之前，并在C 之前進(jìn)行申請(qǐng)，則C偵聽(tīng)到B的申請(qǐng)后，放棄自身對(duì)該錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的申請(qǐng)，并在B的數(shù)據(jù)時(shí)隙部分幫助A 重傳錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)時(shí)隙部分協(xié)議的運(yùn)行如圖3所示。

協(xié)作重傳機(jī)制需通過(guò)控制時(shí)隙部分的信息交互才能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制信息交互，每個(gè)節(jié)點(diǎn)更新并記錄其相鄰節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量信息。當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)有傳輸失敗的數(shù)據(jù)包，且自身成功接收這一數(shù)據(jù)包，通過(guò)比較自身緩存區(qū)與記錄的鄰居節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量大小，決定是否申請(qǐng)利用自身數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙為相應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)作重傳失敗數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包數(shù)量比鄰居節(jié)點(diǎn)大則申請(qǐng)，小則放棄申請(qǐng)。若在對(duì)某一傳輸失敗數(shù)據(jù)包進(jìn)行申請(qǐng)前，已感知到其它節(jié)點(diǎn)對(duì)該數(shù)據(jù)包的申請(qǐng)，則放棄申請(qǐng)?jiān)摂?shù)據(jù)包。若存在多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸失敗，選擇未被申請(qǐng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行申請(qǐng)，其它正確接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)成功節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)隙協(xié)作重傳該數(shù)據(jù)包。若無(wú)節(jié)點(diǎn)對(duì)某一鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸失敗數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)作申請(qǐng)，則其它正確接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)隙協(xié)作重傳該數(shù)據(jù)包。控制時(shí)隙部分協(xié)議運(yùn)行如圖4所示。

2 系統(tǒng)模型及假設(shè)

為便于數(shù)學(xué)模型的建立，描述相關(guān)系統(tǒng)模型及假設(shè)條件。

圖3 數(shù)據(jù)時(shí)隙部分協(xié)議運(yùn)行流程

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型與假設(shè)

本文考慮一個(gè)有N 個(gè)節(jié)點(diǎn)的全連通網(wǎng)絡(luò)，任意節(jié)點(diǎn)間可相互進(jìn)行通信。每一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙部分有N 個(gè)時(shí)隙，與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，且時(shí)隙長(zhǎng)度相同。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度固定且相同，每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙只能發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生相互獨(dú)立，并且服從概率為δ的伯努利分布［9，10］。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)緩存區(qū)，一個(gè)為自身數(shù)據(jù)包緩存區(qū)，用于存儲(chǔ)自身需要發(fā)送數(shù)據(jù)，大小為L(zhǎng)；一個(gè)為協(xié)作數(shù)據(jù)包緩存區(qū)，用于存儲(chǔ)將要協(xié)作重傳的數(shù)據(jù)包，大小為N－1。緩存區(qū)都采用FIFS （先到先服務(wù)）的服務(wù)方式。本文假設(shè)任意節(jié)點(diǎn)都能準(zhǔn)確無(wú)誤的接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK 與NACK 報(bào)文。

2.2 物理層模型與假設(shè)

假設(shè)全網(wǎng)時(shí)間同步，所有節(jié)點(diǎn)均采用MISO （多收單發(fā)）收發(fā)方式。若有k－1個(gè)節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作重傳，則形成天線數(shù)量為k的虛擬天線陣，在瑞利衰落信道下采用BPSK調(diào)制時(shí)，利用MRC方式接收數(shù)據(jù)的平均誤碼率為［11，13］

式中：r——k個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路的平均信噪比。假設(shè)任意一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，信噪比保持恒定，對(duì)于一個(gè)含u 個(gè)比特的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕蕿閜s（k）＝（1－Pb（r，k））u，其中Pb（r，k）表示當(dāng)有k 個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸時(shí)的誤碼率，ps（k）表示當(dāng)有k個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸時(shí)所有u 個(gè)比特正確傳輸?shù)母怕剩瑐鬏斒〉母怕蕿閜e（k）＝1－ps（k）。

3 數(shù)學(xué)建模與分析

本節(jié)基于C－TDMA［6，12］性能分析模型，對(duì)改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議在瑞利衰落信道下傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的吞吐量進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。

令Qr（t）表示除源節(jié)點(diǎn)外其它節(jié)點(diǎn)中有t個(gè)節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)重傳傳輸失敗數(shù)據(jù)包的概率，則

式中：ps（1）——當(dāng)k＝1，即沒(méi)有協(xié)作傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕省?/p>

令pF（f）表示數(shù)據(jù)包傳輸失敗的平均概率

式中：pnth——相同數(shù)據(jù)包進(jìn)行第n 次重傳的概率，pr（E｜nth）——第n次重傳依然傳輸失敗的概率。

圖4 控制時(shí)隙部分協(xié)議運(yùn)行流程

由之前假設(shè)可知

式中：pe（1）——沒(méi)有協(xié)作傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)包傳輸失敗的概率，pe（1）＝1－ps（1）。

通過(guò)上述分析，式 （3）可重新寫(xiě)為

根據(jù)之前假設(shè)，數(shù)據(jù)包生成概率可用式 （6）表示，其中pi表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在上一次讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量到本次讀取之間產(chǎn)生i個(gè)數(shù)據(jù)包的概率

對(duì)任意節(jié)點(diǎn)，其緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量的情況可近似用一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣B（L＋1）×（L＋1）進(jìn)行描述，如式 （7）所示，其中行狀態(tài)表示當(dāng)前緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，列狀態(tài)表示下一讀取時(shí)刻緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，pF（s）表示數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)钠骄怕剩琾F（s）＝1－pF（f）。本文假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)可以緩存L 個(gè)數(shù)據(jù)包，且僅考慮當(dāng)L 小于N時(shí)的情況

令l＝（l0，l1，l2……lL）表示在穩(wěn)定狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)有 （0，1，2……L）個(gè)數(shù)據(jù)包的概率，由式 （8）可求出l0，l1，l2……lL的穩(wěn)態(tài)值

本文以數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕蕘?lái)表示節(jié)點(diǎn)的吞吐量。對(duì)于C－TDMA 協(xié)議，傳輸失敗的數(shù)據(jù)包總是利用源節(jié)點(diǎn)本身數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳，故傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量可表示為

對(duì)于動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議，由于可利用其它節(jié)點(diǎn)空閑的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳，故在有空閑時(shí)隙可用時(shí)，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量大小為

無(wú)空閑時(shí)隙可用時(shí)，其吞吐量退化為C－TDMA 的吞吐量。于是動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議下傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的吞吐量可近似表示為

改進(jìn)的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議通過(guò)比較網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量 （IP 層數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量）大小，來(lái)決定網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)是否申請(qǐng)利用自身數(shù)據(jù)時(shí)隙幫助源節(jié)點(diǎn)重傳傳輸失敗數(shù)據(jù)包。對(duì)任意節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中存在緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量大于自身節(jié)點(diǎn)的概率pg為

可以推導(dǎo)出改進(jìn)后協(xié)議下傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量可表示為

比較式 （9）、式 （11）與式 （13），分析3 種協(xié)議的性能。

4 數(shù)值仿真分析

本節(jié)利用MATLAB仿真軟件對(duì)瑞利信道下C－TDMA，C－DTDMA，以及改進(jìn)后的C－DTDMA 協(xié)議進(jìn)行數(shù)值仿真分析。首先分析傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量變化的情況。

假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)間的SNR （鏈路信噪比）固定為25dB；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小為15，單位為數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)包大小為1024比特；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為20 個(gè)節(jié)點(diǎn)，且可以相互通信；通過(guò)式 （6）中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生概率δ的變化來(lái)表征節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的變化。對(duì)傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量也顯著提高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較高時(shí)，節(jié)點(diǎn)的吞吐量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因是受節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率以及信道環(huán)境的影響，限制了節(jié)點(diǎn)吞吐量的進(jìn)一步提高。同時(shí)可以看出C－DTDMA 較C－TDMA 在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較低時(shí)，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量明顯高于C－TDMA，主要是因?yàn)镃－DTDMA 利用控制時(shí)隙的信息交互，使得傳輸失敗的節(jié)點(diǎn)可以利用網(wǎng)中無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的空閑時(shí)隙對(duì)傳輸失敗數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)作重傳，而在自身數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送其它數(shù)據(jù)包。但隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)中無(wú)數(shù)據(jù)可發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅減少，導(dǎo)致傳輸失敗節(jié)點(diǎn)無(wú)其它空閑數(shù)據(jù)時(shí)隙可用，導(dǎo)致采用C－DTDMA的傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量大幅降低，性能退化為與C－TDMA 相同。

圖5 傳輸失敗節(jié)點(diǎn)下一次傳輸時(shí)吞吐量隨業(yè)務(wù)量變化情況

改進(jìn)后的C－DTDMA 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較低時(shí)，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量與C－DTDMA 一致，主要是因?yàn)樵跇I(yè)務(wù)量較低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中存在空閑的數(shù)據(jù)時(shí)隙，改進(jìn)后的C－DTDMA 與C－DTDMA 一樣都是利用空閑的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳。但隨著業(yè)務(wù)量的增加，改進(jìn)后的C－DTAMA 協(xié)議的性能雖也有所下降，但穩(wěn)定時(shí)，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量明顯高于C－DTDMA與C－TDMA，因?yàn)樵跓o(wú)空閑時(shí)隙時(shí)，改進(jìn)后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點(diǎn)仍然可以利用業(yè)務(wù)量小于自身的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作重傳，而在自身數(shù)據(jù)時(shí)隙傳輸其它數(shù)據(jù)包，提高了傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的吞吐量。

下面考慮傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量隨鏈路信噪比變化的情況。δ的值分別為0.05 與0.03，其它條件與之前相同。考慮SNR 從15dB 到40dB 變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6 （a）可以看出當(dāng)δ＝0.05時(shí)，即網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，隨著SNR 的增加，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量也快速增加，在接近40dB 時(shí)，受傳輸速率的限制趨于穩(wěn)定。同時(shí)C－TDMA 與C－DTDMA 的曲線幾乎重合，主要是由于在δ ＝0.05時(shí)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大，幾乎沒(méi)有空閑數(shù)據(jù)時(shí)隙，C－DTDMA 的性能與C－TDMA 相近。

由圖6 （b）可以看出在δ ＝0.03 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較小，在信噪比較低時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率高，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增大，幾乎沒(méi)有空閑的數(shù)據(jù)時(shí)隙，C－DTDMA 的性能與C－TDMA 性能相近。但隨著信噪比的增加，C－DTDMA 使發(fā)送失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量明顯高于C－TDMA。當(dāng)信噪比增加到超過(guò)25dB時(shí)，節(jié)點(diǎn)的吞吐量開(kāi)始下降，并最終與C－TDMA 趨于一致，主要是因?yàn)殡S著信噪比的增加，節(jié)點(diǎn)幾乎不會(huì)存在發(fā)送失敗數(shù)據(jù)包，傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量最終與發(fā)送成功的吞吐量一致。

圖6 傳輸失敗節(jié)點(diǎn)下一次傳輸時(shí)吞吐量隨信噪比變化情況

同時(shí)綜合圖6可以看出，在信噪比較低時(shí)，改進(jìn)后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點(diǎn)在下一次傳輸時(shí)可獲得的吞吐量高于C－DTDMA 與C－TDMA，使得傳輸失敗節(jié)點(diǎn)的傳輸性能在高業(yè)務(wù)量網(wǎng)絡(luò)與低信噪比網(wǎng)絡(luò)下優(yōu)于C－DTDMA與C－TDMA，在低信噪比網(wǎng)絡(luò)下性能較優(yōu)的原因主要是在低信噪比下節(jié)點(diǎn)傳輸錯(cuò)誤率高，幾乎沒(méi)有空閑的數(shù)據(jù)時(shí)隙，而改進(jìn)后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點(diǎn)依然可以利用緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量較小的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議 （C－DTDMA）進(jìn)行改進(jìn)，采用跨層的思想，提出了基于業(yè)務(wù)量感知的動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議；并且通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型與數(shù)值仿真，比較和分析了在瑞利衰落信道下C－TDMA，C－DTDMA 以及改進(jìn)后的C－DTDMA 的協(xié)議性能。

仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的C－DTDMA 協(xié)議使得傳輸失敗的節(jié)點(diǎn)在高業(yè)務(wù)量網(wǎng)絡(luò)下依然可以獲得較高的吞吐量，提升傳輸?shù)目煽啃裕苊庥捎趥鬏斒≡斐傻木彺鎱^(qū)數(shù)據(jù)積壓，確保傳輸失敗節(jié)點(diǎn)信息的有效傳輸；同時(shí)在低信噪比環(huán)境下，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳輸錯(cuò)誤率高，業(yè)務(wù)量較大節(jié)點(diǎn)利用業(yè)務(wù)量較小節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作重傳，滿足業(yè)務(wù)量較大節(jié)點(diǎn)的吞吐量需求，保證了其數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。

［1］LI Yun，DU Yang，CAO Bin，et al.Cooperative MAC for wireless networks［J］.Journal of Software，2011，22 （1）：101－114 （in Chinese）.［李云，杜楊，曹儐，等.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作MAC協(xié)議機(jī)制 ［J］.軟件學(xué)報(bào)，2011，22 （1）：101－114.］

［2］Sheu Jang－Ping，Chang Jung－Tzu，Ma Chuang.A cooperative MAC protocol based on 802.11in wireless ad hoc networks［C］／／IEEE WCNC，2013：416－421.

［3］Gokturk MS，Gurbuz O.Cooperation in wireless sensor networks：Design and performance analysis of a MAC protocol［C］／／IEEE International Conference on Communication，2008：4284－4289.

［4］Gokturk MS，Ercetin O，Gurbuz O.Throughput analysis of ALOHA with cooperative diversity ［J］.IEEE Commun Letters，2008，12 （6）：468－470.

［5］Jiao Hongzhi，F(xiàn)rank Y Li.A mini－slot－based cooperative MAC protocol for wireless mesh networks ［C］／／IEEE Globecom，2010：89－93.

［6］Yang Zhou，Yao Yudong，Li Xiaochen.A TDMA－based MAC protocol with cooperative diversity ［J］.IEEE Comm Letters，2010，14 （6）：542－544.

［7］Lee Jong－Kwan，Noh Hong－Jun，Lim Jaesung.A cooperative TDMA MAC protocol using dynamic slot assignment scheme［C］／／International Conference on Information Networking，2013：216－220.

［8］Lee Jone－Kwan，Lee Kyu－Man，Lim Jaesung.Distributed dynamic slot assignment scheme for fast broadcast transmission in tactical ad hoc networks［C］／／Military Communications Conference Milcom，2012：1－6.

［9］Zheng Di，Yao Yudong.Throughput performance evaluation of two－tier TDMA for sensor networks［C］／／IEEE Sarnoff Symposium，2009：1－5.

［10］CHEN Kefan，LV Na，WANG Jinjiang，et al.A dynamic relaying protocol based on posture information for aeronautical network ［J］.Journal of Air Force Engineering University（Natural Science Edition），2015，16 （3）：61－65 （in Chinese）.［陳柯帆，呂娜，王錦江，等.態(tài)勢(shì)信息感知下的航空網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)中繼協(xié)議 ［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2015，16 （3）：61－65.］

［11］Zhao Yulei，Du Bing，Ge Ning.An empty－queue aware cooperative relay MAC protocol with vacation queue analysis［C］／／IEEE MILCOM，2013：194－199.

［12］Hu Nansai，Yao Yudong，Yang Zhou.Analysis of cooperative TDMA in rayleigh fading channels ［J］.IEEE Transaction on Vehicular Technology，2013，62 （3）：1158－1168.

［13］SU Yuze，REN Qinghua，HAN Ying，et al.Compressed sensing sparse channel estimation method for TDCS ［J］.Journal of Air Force Engineering University （Natural Science Edition），2015，16 （3）：56－60 （in Chinese）.［蘇玉澤，任清華，韓瑩，等.TDCS的壓縮感知稀疏信道估計(jì)方法 ［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2015，16 （3）：56－60.］