一種基于信道化并行接收的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)*

毛建兵，武 明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信物理層收發(fā)機(jī)的能力得到不斷提升[1-2]。信道化接收技術(shù)賦予了收發(fā)機(jī)“一發(fā)多收”的能力，可同時(shí)對(duì)較大帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行全概率接收，并進(jìn)行多路信號(hào)的并行接收處理，實(shí)現(xiàn)寬帶、多頻點(diǎn)的高速信息傳輸，從而有利于提升無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信道接收的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量。為了滿(mǎn)足未來(lái)更大帶寬、更大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信需求，基于信道化并行接收能力的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

在無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)共享利用信道資源，需要利用媒體訪問(wèn)控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)接入信道的行為進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)[3]。目前，受電氣電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的802.11 標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的影響，隨機(jī)接入類(lèi)MAC 協(xié)議研究備受關(guān)注。IEEE 802.11 MAC 層協(xié)議提供了一種基于載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoid，CSMA/CA）的分布式協(xié)調(diào)協(xié)議設(shè)計(jì)，通過(guò)采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的信道競(jìng)爭(zhēng)接入沖突，具有易于實(shí)現(xiàn)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，基于CSMA/CA 的MAC 協(xié)議在無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)以及航空網(wǎng)絡(luò)中被廣泛采用。

文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]對(duì)多信道條件下的CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]研究的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置了多個(gè)收發(fā)機(jī)，通過(guò)多個(gè)收發(fā)機(jī)分別在多個(gè)信道上接入傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多信道利用能力。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于正交頻分復(fù) 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）子載波信道化傳輸?shù)腗AC 協(xié)議，對(duì)寬帶信道傳輸?shù)淖虞d波進(jìn)行了自適應(yīng)切割和分配利用，提高信道傳輸效率。針對(duì)正交頻分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）多 子信道傳輸網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于CSMA/CA的MAC 協(xié)議。文獻(xiàn)[8]利用Markov 鏈模型對(duì)基于預(yù)約的多信道多址接入CSMA/CA 擴(kuò)展協(xié)議進(jìn)行了研究，該協(xié)議主要針對(duì)具有一個(gè)控制信道和多個(gè)數(shù)據(jù)信道的網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。然而，上述這些研究都不適用于具有信道化并行接收工作特性的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)CSMA/CA 協(xié)議基于單信道設(shè)計(jì)，無(wú)法直接應(yīng)用于支持信道化并行接收的新型網(wǎng)絡(luò)。其主要原因在于，CSMA/CA 感知信道與傳輸信道相同，同一時(shí)間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能接入一個(gè)信道并發(fā)送數(shù)據(jù)。針對(duì)現(xiàn)有CSMA/CA 不支持多信道傳輸工作，不能充分利用節(jié)點(diǎn)信道化并行接收產(chǎn)生的新能力的不足，本文對(duì)CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建了基于Markov 鏈的分析模型，對(duì)協(xié)議性能進(jìn)行了分析研究；利用分析模型，對(duì)協(xié)議工作的節(jié)點(diǎn)傳輸特性進(jìn)行了刻畫(huà)，并給出了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的計(jì)算分析；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了協(xié)議分析模型，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能進(jìn)行了多角度的分析討論。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)一個(gè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式工作，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間對(duì)等，網(wǎng)絡(luò)中無(wú)中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行調(diào)度控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式MAC 協(xié)議隨機(jī)接入信道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置“一發(fā)一收”的收發(fā)機(jī)能力不同，本文考慮節(jié)點(diǎn)具有“一發(fā)多收”的能力。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置具有信道化接收能力的寬帶接收機(jī)，可以同時(shí)接收k路正交頻率信號(hào)，并通過(guò)物理層接收信號(hào)并行處理，解調(diào)恢復(fù)出所接收的數(shù)據(jù)。

與接收機(jī)多路信道化并行接收不同，節(jié)點(diǎn)發(fā)信機(jī)只能在一個(gè)信道頻率上發(fā)送，但可以根據(jù)MAC層調(diào)度算法控制，選擇在k個(gè)正交頻率信道中的任意一個(gè)上發(fā)送。同時(shí)，受硬件成本、功耗以及復(fù)雜度等條件限制以及信道隔離度的影響，節(jié)點(diǎn)發(fā)信機(jī)執(zhí)行發(fā)送時(shí)，會(huì)干擾接收機(jī)正常接收工作，導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。基于此考慮，本文假設(shè)節(jié)點(diǎn)只能半雙工工作，即同時(shí)間節(jié)點(diǎn)只可以發(fā)送或是接收，無(wú)法同時(shí)正常工作。

1.2 CSMA/CA 機(jī)制擴(kuò)展

考慮到“一發(fā)多收”（1TkR）以及半雙工的工作條件，MAC 協(xié)議工作需遵循以下幾點(diǎn)基本原則：

（1）節(jié)點(diǎn)可同時(shí)對(duì)k個(gè)信道進(jìn)行載波偵聽(tīng)檢測(cè)，獲得信道實(shí)時(shí)的忙閑狀態(tài)。

（2）節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送不能同時(shí)被MAC 協(xié)議調(diào)度，發(fā)送操作將干擾接收通道使得節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收任何數(shù)據(jù)。

（3）節(jié)點(diǎn)不能向當(dāng)前正在執(zhí)行發(fā)送的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)送行為會(huì)使得該節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收來(lái)自k個(gè)信道中任何信道的傳輸，因此向正在執(zhí)行發(fā)送的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)將造成無(wú)效信道占用，浪費(fèi)信道資源。

為了將CSMA/CA 機(jī)制應(yīng)用于支持信道化并行接收的網(wǎng)絡(luò)，本文對(duì)CSMA/CA 進(jìn)行必要的擴(kuò)展。CSMA/CA 機(jī)制擴(kuò)展說(shuō)明如下文所述。

基于CSMA/CA 機(jī)制擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線(xiàn)信道過(guò)程中，對(duì)于信道的載波檢測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送均以時(shí)隙時(shí)間（a Slot Time）為基本單位。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng)。與傳統(tǒng)單信道條件下工作不同，如果偵聽(tīng)到k個(gè)信道中任意一個(gè)持續(xù)空閑分布式幀間隙（Distributed Inter-Frame Space，DIFS）時(shí)間，則節(jié)點(diǎn)立即可在該信道上發(fā)起傳輸，否則節(jié)點(diǎn)等待全部k個(gè)信道忙狀態(tài)任意其一結(jié)束后啟動(dòng)退避過(guò)程。

節(jié)點(diǎn)接入信道發(fā)起傳輸有基本模式和RTS/CTS模式2 種不同的工作模式。基本模式下，節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送Data 數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)正確接收后間隔短幀間隙（Short Inter-Frame Space，SIFS）時(shí)間向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK 幀確認(rèn)；請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）模式下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)首先在信道上通過(guò)RTS/CTS 控制幀的信息交換，預(yù)約接下來(lái)的信道使用權(quán)，并在成功完成RTS/CTS 交互后再進(jìn)行Data 數(shù)據(jù)幀的傳輸。

退避過(guò)程中，為了減小節(jié)點(diǎn)之間競(jìng)爭(zhēng)接入信道的沖突概率，CSMA/CA 通常采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法。退避算法工作初始，首先對(duì)退避計(jì)數(shù)器（Backoff Counter，BC）進(jìn)行初始化，在[0,W-1]范圍內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)值賦為其初值，其中，W為退避算法工作的當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口值，其取值范圍在系統(tǒng)定義的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值Wmin與最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值Wmax之間。BC 初始化后，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到任意一個(gè)信道空閑一個(gè)時(shí)隙時(shí)間，則將BC 減1。當(dāng)BC 值遞減到0 時(shí)，節(jié)點(diǎn)在信道上發(fā)起Data 數(shù)據(jù)幀傳輸或是RTS 控制幀傳輸。如果偵聽(tīng)到有多個(gè)信道都處于空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)選取其中任意一個(gè)信道進(jìn)行傳輸。

1.3 并行接收沖突分析

與單信道條件下CSMA/CA 工作不同，多信道并行接收條件下，節(jié)點(diǎn)存在并行接收沖突現(xiàn)象。

如圖1 所示，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用基本模式傳輸，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 和C 都同時(shí)向節(jié)點(diǎn)B 發(fā)起信道傳輸時(shí)，B在完成對(duì)來(lái)自節(jié)點(diǎn)A 所發(fā)送Data 幀的接收后，需要即時(shí)發(fā)送ACK 幀進(jìn)行回復(fù)。這時(shí)，節(jié)點(diǎn)C 向B的傳輸可能還沒(méi)有結(jié)束，如果節(jié)點(diǎn)B 轉(zhuǎn)而進(jìn)行信道發(fā)送，則將導(dǎo)致對(duì)節(jié)點(diǎn)C 發(fā)送數(shù)據(jù)的接收錯(cuò)誤，節(jié)點(diǎn)C 向節(jié)點(diǎn)B 的分組傳輸失敗。并行接收沖突同樣存在于采用RTS/CTS 模式的應(yīng)用中。

圖1 多節(jié)點(diǎn)傳輸并行接收沖突

節(jié)點(diǎn)并行接收沖突產(chǎn)生的原因一方面在于節(jié)點(diǎn)半雙工能力特性限制，另一方面在于節(jié)點(diǎn)通過(guò)載波偵聽(tīng)并不能獲知其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前接收的狀況。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)發(fā)起信道接入向任意鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生并行接收沖突。

2 協(xié)議分析

2.1 Markov 鏈模型

為了簡(jiǎn)化模型分析的復(fù)雜度，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)一致，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接進(jìn)行通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中N個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)始終有數(shù)據(jù)等待MAC層進(jìn)行發(fā)送，物理層信道傳輸不會(huì)產(chǎn)生誤碼。除非多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在同一信道發(fā)送產(chǎn)生信道碰撞沖突，否則節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都假設(shè)能被正確接收。針對(duì)沖突導(dǎo)致傳輸失敗的報(bào)文，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行退避重傳，最大允許重傳次數(shù)為L(zhǎng)。

借鑒文獻(xiàn)[9]提出的退避機(jī)制Markov 鏈模型分析方法，對(duì)面向“一發(fā)多收”的CSMA/CA 擴(kuò)展協(xié)議進(jìn)行建模分析。圖2 給出了節(jié)點(diǎn)退避過(guò)程的Markov 鏈模型，圖中每個(gè)狀態(tài)采用二元組{s(t),b(t)}進(jìn)行表示，其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t的退避階數(shù)。此外，b(t)表示節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t時(shí)退避計(jì)數(shù)器BC 的取值，Wi表示節(jié)點(diǎn)處于第i退避階段時(shí)采用的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，pb表示退避過(guò)程中節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到k個(gè)信道全部處于忙（busy）狀態(tài)的概率，pf表示節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)產(chǎn)生碰撞沖突導(dǎo)致失敗的概率。在不同退避階段，傳輸失敗概率pf假設(shè)為一個(gè)恒定不變值。

在圖2 所示的Markov 鏈模型中，對(duì)應(yīng)的非空一步轉(zhuǎn)移概率為：

圖2 CSMA/CA 擴(kuò)展協(xié)議Markov 鏈模型

由Markov 鏈模型的性質(zhì)可知，所有狀態(tài)的概率和為1，即：

聯(lián)合式（1）、式（2）、式（3），可求得b0,0的表達(dá)式為：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)退避計(jì)數(shù)器BC 的值遞減到0 時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)起信道傳輸。因此，節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙執(zhí)行發(fā)送的概率τ的計(jì)算式為：

2.2 傳輸性能分析

同一時(shí)間，節(jié)點(diǎn)只能在一個(gè)信道上向一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)BC 退避遞減到0 執(zhí)行發(fā)送時(shí)，可以在當(dāng)前空閑的kidle個(gè)信道中隨機(jī)選擇其中一個(gè)信道發(fā)起傳輸，選擇其中某一信道的概率為1/kidle。因此，節(jié)點(diǎn)接入某一信道發(fā)送的概率τc可表示為：

考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)始終有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，并且節(jié)點(diǎn)半雙工工作，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不在發(fā)送或是接收狀態(tài)下時(shí)，則節(jié)點(diǎn)處于新一輪信道接入發(fā)送機(jī)會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)接入狀態(tài)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入信道發(fā)送失敗的情況包括2 種可能情形：Q1，有其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入同一信道發(fā)送；Q2，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送隨機(jī)選擇的目的節(jié)點(diǎn)正處于發(fā)送或是接收狀態(tài)。以na表示網(wǎng)絡(luò)中參與信道競(jìng)爭(zhēng)接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，兩種情形對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率表示為：

以P(kidle=i)表示節(jié)點(diǎn)接入信道時(shí)有i個(gè)信道處于空閑狀態(tài)的概率。因此，節(jié)點(diǎn)傳輸失敗概率pf可表示為：

節(jié)點(diǎn)退避過(guò)程中，檢測(cè)到全部信道均處于忙狀態(tài)的概率pb為：

網(wǎng)絡(luò)中處于信道競(jìng)爭(zhēng)接入狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為na，因此一個(gè)信道時(shí)隙為空閑的概率pidle和一個(gè)信道時(shí)隙有節(jié)點(diǎn)發(fā)起傳輸?shù)母怕蕄tran的計(jì)算式分別為：

由于節(jié)點(diǎn)的信道接入傳輸，信道時(shí)間可以分為空閑時(shí)間和傳輸時(shí)間，其中空閑時(shí)間的占比Ridle與節(jié)點(diǎn)退避結(jié)束接入信道時(shí)可見(jiàn)的空閑信道數(shù)kidle相關(guān)。在既定kidle條件下，信道平均空閑時(shí)間Tch-idle和平均傳輸時(shí)間Tch-tran可分別表示為：

式中：Tidle和Ttran分別為信道中一個(gè)空閑時(shí)隙的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)一次信道傳輸占用的時(shí)間。因此，Ridle可表示為：

考慮到實(shí)際中節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次傳輸所占用信道的時(shí)間Ttran遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)一次退避過(guò)程所持續(xù)的空閑時(shí)間，并且網(wǎng)絡(luò)中存在大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行飽和傳輸，因此kidle≥3 的情況存在的概率非常小。為了簡(jiǎn)化模型分析難度，這里僅考慮kidle≤2 進(jìn)行分析，將不同空閑信道數(shù)kidle發(fā)生的概率近似計(jì)算表示為：

由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入，一個(gè)信道上有m個(gè)節(jié)點(diǎn)接入的概率為：

參與信道競(jìng)爭(zhēng)接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量na為一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這里對(duì)其求取平均值。發(fā)送節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前正在進(jìn)行發(fā)送以及正在進(jìn)行接收的節(jié)點(diǎn)數(shù)量平均值Ntr和Nrcv可分別表示為：

因此，na可表示為：

聯(lián)立關(guān)于τ，pf，pb，na，P(kidle=i)的計(jì)算式，構(gòu)建方程組，代入?yún)f(xié)議的Wi和L參數(shù)值，從而對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行求解。

2.3 吞吐量性能分析

一個(gè)頻率信道上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入發(fā)起傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)選擇同一個(gè)信道執(zhí)行接入傳輸，將產(chǎn)生隨機(jī)接入競(jìng)爭(zhēng)沖突，信號(hào)相互干擾，無(wú)法正確接收，其概率為：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)向一個(gè)正在發(fā)送或接收的目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)送操作將干擾其接收機(jī)，使其無(wú)法正確接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中共有N-na個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送或是接收狀態(tài)，隨機(jī)選中這些節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)的概率為：

因此，信道時(shí)隙發(fā)送失敗的概率pfail為：

信道時(shí)隙發(fā)送成功的概率psuc為：

定義Tidle，Tsuc和Tfail分別表示信道中一個(gè)空閑時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間、成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄掷m(xù)時(shí)間以及一次失敗傳輸發(fā)生的平均持續(xù)時(shí)間，Te表示信道一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中有效載荷部分的傳輸時(shí)間。基于信道上傳輸事件的概率計(jì)算，一個(gè)工作信道傳輸?shù)臍w一化吞吐量（以信道速率為基準(zhǔn)）So為：

式中：So(kidle)為在既定kidle條件下的歸一化吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)總的吞吐量大小S為：

3 數(shù)值分析與仿真

本節(jié)將針對(duì)上文中的模型分析，給出數(shù)值計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果，并從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信道數(shù)量、競(jìng)爭(zhēng)窗口參數(shù)等方面分析其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

協(xié)議基本參數(shù)設(shè)置參考IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議[10]，具體參見(jiàn)表1。網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景采用一個(gè)無(wú)中心的一跳無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)。默認(rèn)節(jié)點(diǎn)采用基本模式傳輸，并且工作于飽和狀態(tài)下。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組的大小相等，數(shù)據(jù)在信道傳輸過(guò)程中不產(chǎn)生誤碼。

表1 CSMA/CA 擴(kuò)展協(xié)議參數(shù)設(shè)置

首先對(duì)前面模型分析中的一個(gè)重要假設(shè)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。前面模型分析中為了降低分析難度，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在信道接入時(shí)，可見(jiàn)的空閑信道數(shù)kidle在條件kidle≥3 下的概率非常小，可以忽略。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=50 以及并行接收信道數(shù)分別為k=5 和k=10 的兩種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，圖3 給出了節(jié)點(diǎn)接入信道時(shí)可見(jiàn)的空閑信道數(shù)kidle的分布的仿真結(jié)果。通過(guò)仿真可以看到，kidle=1 是分布占比的最主要部分，而kidle≥3 的分布比例則非常小。kidle≥3 的分布占比在兩種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下分別僅為0.41%和1.28%，因此模型分析采取的假設(shè)是有效的。

圖3 節(jié)點(diǎn)接入時(shí)可見(jiàn)空閑信道數(shù)分布

分別設(shè)置并行接收信道數(shù)k=5 和k=10，圖4 給出了不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量N條件下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量大小的仿真與模型分析結(jié)果。從分析結(jié)果來(lái)看，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N較小時(shí)，模型分析結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性非常好；但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N較大時(shí)，模型分析結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定偏差，在N=100 時(shí)，偏差在10%左右。盡管如此，模型分析結(jié)果很好地反映了網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化

競(jìng)爭(zhēng)窗口參數(shù)Wmin對(duì)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)接入信道傳輸?shù)膹?qiáng)度有直接的影響，過(guò)小的Wmin設(shè)置導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)信道傳輸碰撞增加，而過(guò)大的Wmin設(shè)置又會(huì)帶來(lái)信道的空閑浪費(fèi)。在N=30，k=5 以及N=50，k=10 兩種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量大小隨參數(shù)Wmin變化進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5 所示。可以看到，Wmin=16 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯較低，隨著Wmin增大，N=50 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景吞吐量增加明顯，而N=30 網(wǎng)絡(luò)在Wmin增大到Wmin=64 以后吞吐量變化非常小。從網(wǎng)絡(luò)分析來(lái)看，節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗的原因除了競(jìng)爭(zhēng)沖突，還有節(jié)點(diǎn)發(fā)送隨機(jī)選擇接收節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的接收沖突。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N較小時(shí)，接收沖突表現(xiàn)得更加突出，這使得N=30 網(wǎng)絡(luò)在Wmin增大到較大時(shí)，吞吐量增加并不明顯。

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨競(jìng)爭(zhēng)窗口參數(shù)的變化

圖6 給出了網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨并行接收信道數(shù)k變化的分析結(jié)果。在N=30 和N=50 兩種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，圖中曲線(xiàn)前段吞吐量增長(zhǎng)基本一致，隨著信道數(shù)k的繼續(xù)增加，N=30 場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)吞吐量增速顯著降低。分析其過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，隨著信道數(shù)k的增加，更多的節(jié)點(diǎn)接入信道進(jìn)行傳輸，這使得選擇節(jié)點(diǎn)接收的接收沖突也同時(shí)增加，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量沒(méi)有得到應(yīng)有的增加。

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨并行接收信道數(shù)的變化

4 結(jié)語(yǔ)

基于信道化并行接收的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)寬帶化、規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)重要方向。針對(duì)基于信道化并行接收實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)“一發(fā)多收”的網(wǎng)絡(luò)，本文擴(kuò)展了CSMA/CA 隨機(jī)信道接入MAC 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并針對(duì)擴(kuò)展協(xié)議性能研究提出了一種基于Markov 鏈模型的分析方法，導(dǎo)出了飽和條件下網(wǎng)絡(luò)吞吐量的計(jì)算模型。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論模型分析方法的有效性。研究結(jié)果表明，多信道并行接收能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但接收沖突使得性能提升受到一定限制。因此，減小節(jié)點(diǎn)的接收沖突，最大化利用節(jié)點(diǎn)多信道并行接收的能力，是后續(xù)MAC 協(xié)議研究需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。