基于定向天線的移動自組網TDMA協議研究

陳謀 李曉毅 王申濤 李夢如

【摘要】? ? 傳統的移動自組網大多采用全向天線組網，為提高傳輸距離、減少時隙沖突、提高時隙利用率，因此在組網過程中引入定向天線。為解決移動自組網中因引入定向天線帶來的時隙沖突問題，論文從研究較為成熟的DTRA協議出發，通過在幀結構中增加隨機微時隙的方式來減少時隙沖突。為給網絡中各節點提供高效、公平的時隙分配策略，論文改進了DTRA協議中的時隙預留過程，提出了基于節點自身緩存隊列數分配不同優先級時隙數目的動態時隙分配算法。通過提出的DTDMA協議與DTRA協議進行的對比仿真，驗證了提出的DTDMA協議能夠有效減少時隙沖突，且協議在保證高優先級節點可多申請數據時隙的前提下，改善了節點接入信道的公平性。

【關鍵詞】? ? 移動自組網? ? 定向天線? ? 定向傳輸協議? ? 減少時隙沖突? ? 動態時隙分配

Abstract： Most traditional MANET adopt omnidirectional antennas， in order to improve transmission distance， reduce slot conflicts and improve slot utilization， directional antenna is introduced in the networking process. To solve the time slot conflict problem caused by directional antenna in MANET， this paper starts from the relatively mature DTRA protocol and adds random micro time slots to the frame structure to reduce the time slot conflicts. In order to provide an efficient and fair slot allocation strategy for each node in the network， this paper improves the time slot reservation process in DTRA protocol， and proposes a dynamic slot allocation algorithm which allocates time slots to nodes with different priorities according to the number of their own cache queues. By comparing the proposed DTDMA protocol with DTRA protocol， it is verified that the proposed DTDMA protocol can effectively reduce slot conflicts， and the protocol can improve the fairness of the access channel on the premise of ensuring that high-priority nodes can apply for more data slots.

Key words： MANET; directional antenna; directional transmission protocol; reduce slot conflicts; dynamic slot assignment

引言：

隨著無線通信技術的發展，移動自組織網絡以其無中心、自組織、網絡抗毀性強等特點受到越來越多的關注[1]。目前傳統的移動自組網大都是基于全向天線結構[2]，但由于全向天線能量不集中、時隙沖突較大，導致節點間通信存在時延大、信道利用率不高[3]等問題。為解決上述問題，研究人員嘗試在移動自組網中引入定向天線[4]。定向天線在特定方向上有很高的收發增益，在其他方向上收發增益很小[5]，相比全向天線，將定向天線應用在移動自組網中可以擴大節點傳輸范圍、增加空間復用、提高網絡吞吐量以及增加抗干擾性[6]，因此展開了對基于定向天線的組網協議研究。

基于定向天線的媒體接入控制（MAC）協議有使用RTS/CTS握手的D-MAC協議[7]、MMAC協議[8]、DVCS協議[9]，和不使用于RTS/CTS握手DOA-MAC協議[10]、Smart-802.11b協議[11]以及一些改進類的協議[12-13]。在這些協議的設計中，如何解決因引入定向天線帶來的隱藏終端問題和聾節點問題[14]成為關鍵因素。采用TDMA接入方式的移動自組網絡研究中重點是對其時隙分配算法的研究，現有的時隙分配算法大致可以分為三類[15]：固定時隙分配算法、動態時隙分配算法以及固定與動態相結合的混合時隙分配算法。從為網絡中各節點提供高效、公平的時隙分配策略出發，移動自組網中優先選用采取基于動態時隙分配算法的TDMA協議。動態時隙分配算法中具有代表性的有TSMA協議[16]、USAP協議[17]和FPRP協議[18] 。論文選取移動自組網定向通信協議中研究較為成熟的DTRA協議[19]作為研究基礎。DTRA協議與其類似的定向MAC協議[20-21]相比，其利用特有的天線掃描方式，能較好的解決定向通信條件下的鄰居節點發現問題。為減少時隙沖突、提高節點接入信道公平性，論文對協議做了部分改進，結合新設計的動態時隙分配算法，提出了一種基于定向天線的移動自組網TDMA協議——DTDMA協議。通過與DTRA協議進行仿真對比，驗證了提出的DTDMA協議能夠在一定程度上減少時隙沖突和提高節點接入信道公平性。

一、DTRA協議簡介

DTRA協議是一種基于全網時鐘同步的純定向MAC協議，它利用天線特定掃描方式可以較好的解決純定向通信條件下的鄰節點發現問題，其使用的基于負載的動態時隙分配算法可以很簡易的實現動態時隙分配過程。

在DTRA協議中的時幀劃分結構，將時間被劃分為幀，每幀又劃分為三個子幀：鄰居發現子幀、時隙預留子幀和數據發送子幀。第一個子幀用于發現新鄰居，接著在第二個子幀中，已經建立通信鏈路的節點重新確認節點連通性，然后節點對做時隙預留，并最終在第三個子幀實現數據發送，時幀結構如圖1所示。

在DTRA協議幀結構中，每一時隙由多個子時隙組成。在鄰居發現和時隙預留階段，協議都使用了一個三步握手策略，每一個子時隙都能提供在鄰居發現和時隙預留過程中所需要的三步握手信息。在鄰居發現和時隙預留過程中，三步握手的信息內容是不同的。協議假定了網絡中的每個節點均配備一個帶有可控天線的收發信機，工作模式為半雙工通信，每個節點都能快速在發送和接收模式間轉換，且所有的節點都是同步的。

二、鄰居節點發現過程的改進

2.1 改進目的

DTRA協議中的鄰居節點發現過程由于引入了定向天線，使得節點發送信息時的沖突概率增加，因此為解決這一問題，對DTRA協議原有的幀結構進行了改進，利用增加隨機微時隙的方式來減少沖突。改進后的幀結構如圖2所示。

2.2改進后的鄰居發現過程

DTRA協議中的鄰居節點發現過程中包含扇區掃描、模式選擇和三部握手協議，因此在基于DTRA協議改進后的DTDMA協議中，相鄰的兩個時隙間節點完成一次收發模式的切換，每一個子時隙里節點完成一次三步握手過程，相鄰兩個子時隙間節點完成掃描扇區的切換。在整個鄰居發現階段，如果某節點發現了鄰居，便通過三步握手過程在時隙預留階段中的子時隙中進行標記一對公共子時隙，用于時隙預留階段中的確認連接和數據發送階段中的時隙的申請和釋放。假設節點1為發送節點，節點2為接收節點，改進后的鄰居發現三步握手過程如下：

第一步握手：節點1在T0至TM-1時隙中隨機選擇一個微時隙，發送廣播信息給它潛在的鄰居。

第二步握手：節點2在T0至TM-1時隙都偵聽發射信息。如果什么都沒有接收到，則節點2放棄握手。

如果節點2成功的收到了廣播信息，則節點2首先判斷是否是新鄰居，如果不是則等待下一周期。若是新鄰居則節點2在TM至T2M-1時隙中隨機選擇一個時隙，將自身時隙預留子幀中的空閑子時隙發送給節點1。

第三步握手：節點1在TM至T2M-1時隙偵聽回復信息。如果什么都沒有接收到，則節點1放棄握手。

如果節點1成功的收到了節點2回復的信息，則節點1會將自身的空閑子時隙與節點2的空閑子時隙進行比對挑選出公共空閑子時隙對，如果有公共空閑子時隙且滿足需求，便對其進行標記，創建鄰節點表，在T2M時隙向節點2發送確認信息。如果沒有公共空閑子時隙，則節點1放棄與節點2的握手。節點2在T2M時隙偵聽節點1的回復信息，如果什么都沒有接收到，則節點2等待下一周期。反之如果成功收到了回復信息則節點2設置預留子時隙，創建鄰節點表從而完成三步握手過程。

改進后的鄰居發現過程流程圖如圖3所示。

三、時隙預留過程

3.1 改進目的

在DTRA協議中，為了滿足高優先級的節點能申請到較多的數據時隙用于發送數據，因此DTRA協議為節點提供了三種優先級，依次為優先級1、優先級2、優先級3，其中優先級1表示優先級最高，從而將數據時隙分段使用。在時隙預留過程中預留公共數據時隙時，如果高優先級的公共可用時隙少于節點所需的最小時隙數，則可“借用”較低優先級部分的公共可用時隙。但在DTRA協議中，可“借用”的時隙最大值是通過預先設定的，并沒有一個確定可“借用”時隙數目的算法，從而導致在滿足高優先級節點能夠多申請數據時隙的條件下不能較好的兼顧節點接入信道公平性原則。因此為解決這一問題，論文提出了一種基于節點自身緩存隊列數分配可“借用”時隙數目的算法，從而可以在既保證高優先級節點可多申請數據時隙的條件下，又能盡量保證節點接入信道的公平性。

3.2 新的時隙分配算法

對于TDMA協議來說，節點會為其每一個鄰居節點建立了一個緩存隊列，用來緩存需要發送的數據包。只有當與某鄰居節點預約的數據時隙到來時，節點才會將與鄰居節點對應的緩存隊列中的數據包按照先入先出的原則取出，將其發送給預約的鄰居節點。當節點需要進行時隙申請時，節點統計當前時刻自身各緩存隊列中數據包數量，設優先級為1所對應的緩存隊列中數據包總數為P1，優先級為2所對應的緩存隊列中數據包總數為P2，優先級為3所對應的緩存隊列中數據包總數為P3。優先級1包含可“借用”的時隙段總數目為M，優先級2包含可“借用”的時隙段總數目為N，總數據時隙數目為K，則傳輸數據包的總時間為t，則

分配各優先級時隙數目算法的數學模型為：

3.3 改進后的時隙預留過程

在DTDMA協議時隙預留階段，互為鄰居的一對節點對在預約的公共子時隙對到來時通過三步握手過程確認連接和申請或釋放數據發送過程中的時隙。相鄰子時隙之間根據鄰居發現過程中預約的公共子時隙里標記的鄰居所在扇區等信息直接調整發射與接收扇區，從而直接進行三步握手過程。如果某節點兩次都未在時隙預留階段中的預約子時隙里偵測到鄰居，則節點將鄰居信息刪除，重新進行鄰居發現。在仿真中，申請節點確定時隙申請數量k值是根據統計一定時間T內需要發送的數據決定的。

若節點T時段內需要傳輸的數據包數量為Pk，每個微時隙最多能發送的數據為DTmax，則k=Pk /DTmax。假設節點1為發送節點，改進后的時隙預留三步握手過程如下：

第一步握手：節點1在T0至TM-1時隙中隨機選擇一個微時隙后，判斷數據時隙是否滿足需求，從而判斷此時需發送時隙申請或時隙釋放信息以及具體的時隙申請或時隙釋放數目，發送給節點2。

第二步握手：節點2在T0至TM-1時隙都偵聽發射信息。如果什么都沒有接收到，則節點2放棄握手。如果累計兩次都未收到，則節點2刪除預約子時隙和鄰節點信息。

如果節點2在某個時隙內收到了節點1的發送信息，則節點2首先判斷是時隙申請信息或是時隙釋放信息。若是時隙釋放信息，則節點2根據時隙釋放請求選擇公共數據時隙進行釋放，在TM至T2M-1時隙隨機選擇某一時隙發送回復信息。如果節點2收到的是時隙申請信息，根據節點1和節點2的優先級關系確定可用的時隙段，然后與節點1發送的空閑數據時隙做比對。如果公共空閑時隙大于或等于時隙申請數，則在節點2在TM至T2M-1時隙內隨機選擇某一時刻發送回復信息。如果公共空閑時隙小于時隙申請數，則節點根據提出的時隙分配算法，取出包含可“借用”時隙段內的空閑數據時隙，其后再與節點1發送的空閑數據時隙對比挑選出公共空閑數據時隙，如果公共空閑時隙大于或等于時隙申請數，則節點2將挑選出的公共時隙數在TM至T2M-1時隙內隨機選擇某一時刻回復給節點1。如果經過“借用”后公共空閑時隙仍小于時隙申請數，則節點2在TM至T2M-1時隙內隨機選擇某一時刻回復不做預留。

第三步握手：節點1在TM至T2M-1時隙偵聽回復信息。

如果節點1成功的收到了節點2回復的信息，則節點1會根據回復的信息設置數據時隙，并在T2M時隙發送確認信息。如果累計兩次都未收到，則節點1刪除節點2的預約子時隙和鄰居節點信息。節點2偵聽節點1的確認信息，如果成功收到了確認信息則節點2根據回復的消息設置預約數據時隙，從而完成三步握手過程。如果什么都沒有接收到，則節點2等待下一周期。

改進后的時隙預留過程流程圖如圖4所示。

四、仿真與分析

4.1 仿真參數設置

采用OPNET軟件對網絡性能進行仿真，仿真場景如圖5所示，場景大小為150km×150km。仿真場景中隨機設置12個節點，假設1、2、3號節點為重要節點，4、5、6號節點為次要節點，7、8、9、10、11、12號節點為普通節點。且當重要節點與任意優先級的節點間進行時隙預留時，定義優先級為1;當次要節點與次要節點或普通節點間進行時隙預留時，定義優先級為2;當普通節點與普通節點間進行時隙預留時，定義優先級為3。

4.2 鄰居發現效率的對比仿真

為了分析協議的鄰居發現效率，論文對兩種協議的全網鄰居發現對數進行了對比仿真，仿真結果如圖6所示。

由仿真對比圖可看出，DTDMA協議發現的鄰居節點對數比DTRA協議要多。分析可知由于DTRA協議數據傳輸過程中沖突較大，其存在的隱藏終端問題使鄰居發現過程中部分節點因時隙沖突從而不能被相互發現，而DTDMA協議通過增加隨機微時隙的方式可在一定程度上解決時隙沖突，從而能夠發現所有鄰居節點。雖然增加隨機微時隙的方式使得一個歷元周期的時間增加，數據發送需等待的時間較DTRA協議有所增加，但協議明顯從一定程度上降低了時隙沖突。

4.3 不同優先級緩存隊列對比仿真圖

隊列i表示節點的優先級為i的緩存隊列中數據包數量的平均值，記為Pi。

表示m號節點里，屬于優先級為i的緩存隊列中的數據包，N表示節點總數。仿真中每隔5s統計一次，仿真結果如圖7所示。

從DTDMA協議不同優先級所對應的緩存隊列數據包數目可看出三種優先級之間的差別相對于DTRA協議來說較小，且由仿真結果可看出，DTDMA協議中隊列1和隊列2的緩存數據包數量都比DTRA協議中要多，雖然犧牲了部分較高優先級的可用時隙數，但卻使隊列3中的緩存數據包數量明顯降低。因此可看出算法在既保證高優先級節點可多申請數據時隙的條件下，又改善了節點接入信道的公平性。

五、結束語

本文針對采用定向天線組網的移動自組網絡，基于研究較為成熟的DTRA協議，論述了協議改進的目的與思路。通過對DTRA協議的鄰居發現過程和時隙預留過程的改進，提高了網絡的鄰居發現效率并改善了節點接入信道的公平性。仿真結果驗證出提出的DTDMA協議比DTRA協議鄰居發現效率更高，節點間公平性更佳。

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