基于UWB的MAC协议仿真研究

摘要：超宽带（UWB）技术是目前热点研究的一种无线个域网（WPAN）技术，而其MAC协议对网络的整体性能有着极重要的作用。文中运用NS网络仿真软件搭建了完整的UWB网络环境，实现了一种融合物理层编码技术的MAC协议，并与几种传统的MAC协议进行了仿真分析比较。仿真结果表明，该协议可使网络吞吐量得到较大提高。最后提出未来设计UWB MAC协议的方向。

关键词：超宽带；无线个域网；媒体接入控制；跨层设计

中图分类号：TN914文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11580-02

1 引言

超宽带(UWB)应用系统大都采用了ad hoc 组网思想，即采用分布式的网络结构。媒体接入控制（MAC）层协议就是要解决节点什么时候、怎样接入共享信道的问题，从而保证网络的整体性能，其重要性显而易见。而传统的窄带系统MAC层协议在UWB Ad hoc 这样的网络中并不能很好的发挥性能。要充分发挥UWB的优势，就必须针对UWB的物理层特点设计MAC层协议。

本文着重分析了一种根据跨层设计思想提出的使用动态调整码率的DCC-MAC协议[1]，并引入NS网络仿真软件，在近似真实的网络测试环境中对该协议以及IEEE802.11 DCF标准协议、文献[2]提出的CA/CDMA协议进行了仿真分析比较，验证了该跨层设计算法应用在低功率UWB系统的有效性。

2 传统的MAC协议

目前提出的主流无线分布式MAC协议可以分为两类，一类是基于接收端“”互斥发送机制的协议，典型应用如IEEE802.11 标准协议等，另一类是基于功率控制的协议，典型应用如文献[2]提出的CA/CDMA等。

IEEE 802.11 标准采用分布式的DCF接入模式，MAC 层协议是基于CSMA/CA（载波检测多址接入/冲突避免）机制。在基于载波检测的无线网络中，节点的检测（和干扰）范围通常大于通信范围，在网络仿真器NS2.29实现的 802.11 MAC 协议中，干扰和检测范围的半径为接收和发射范围半径的2.2倍。而干扰范围越大，隐藏终端问题越严重；检测范围越大，暴露终端问题越严重。另外在Ad hoc 环境中，RTS/CTS

收稿日期：2007-03-07

基金项目：国家自然科学基金重点项目（60432040）

握手机制和网络空闲时的侦听都造成了大量的能量耗费。而且对于UWB的低功率特性，实现载波检测是非常困难的。

应用于CDMA Ad hoc网络MAC层的CA/CDMA协议，主要通过功率控制来管理多用户干扰，减小严重影响网络性能的远近效应的影响。该协议使用干扰门限来决定节点的发射功率，并且能够动态调整发射功率。另外还使用一条专用控制信道来侦听RTS/CTS。应用于Ad hoc网络时，还需使用互斥机制。与完全基于互斥机制的协议相比，在限制的干扰电平范围内，CA/CDMA允许少量的并行传输，性能有所提高，但通信期间调整所有节点的发射功率需要节点间大量的协调，从而严重影响了网络性能。

3 跨层设计的MAC协议

与基于互斥机制或功率控制的传统协议不同，适用于较低功率UWB系统的DCC-MAC协议结合了物理层的相关特性，它允许节点以最大功率发送数据。DCC-MAC主要包括两个部分，一是动态信道编码（Dynamic Channel Code），即动态调整物理层编码速率去适应干扰及信道条件的变化；二是专用MAC协议，它解决多节点发送到同一节点时的竞争问题，从而回避了复杂的“”计算的问题。并且专用MAC协议不占用任何公用信道，完全避免了隐藏终端和暴露终端问题。

3.1动态信道编码

源节点以系统能够达到的最大功率发送数据，而不管其他可能并行发送的节点，这样确保了高速率，更好地利用了信道。文中使用速率兼容穿孔卷积码(RCPC)[3]来实现在发送端和接收端之间自适应的调整编码率，它能够提供增量冗余。通过从低码率比特块中删除一些特定的编码位（即穿孔），来达到高码率。设R0 = 1> R1 > . . . > Rk （索引从0 到k）是通信双方事先定义好的编码速率序列，其中最大速率R0 = 1 是发送没有编码的数据比特块得到的。

假定有源节点S和目的节点D。当S第一次向某节点D发送数据时，S 先对数据进行CRC（循环冗余码）校验，然后以最低码率Rk编码即具有最强纠错能力的编码向D 发送数据，D收到数据后，解码并且校验CRC。如果D能成功解码，它就估算能成功解码的最大码率Rj，这样在成功解码的同时达到了最大的链路速率。然后回复ACK到S，其中附带有码率Rj+2的索引信息j+2，S将该信息存储于自己的缓存区。理论上用在下次传输的编码率应该等于本次传输的最高码率，但实际应用中，对于成功解码后最高码率的索引值加2效果良好，也能更好的适应信道条件。如果下一次S要与D进行通信，直接以Rj+2对数据包进行编码。如果D能收到S发送的数据包却不能成功解码，D将回复NACK。如果S收到NACK，就增加编码冗余度，重新发送分组，直到传输成功或者没有更多的删除比特可用为止。后一种情况下，S将尝试下次发送。如果S既没有收到ACK也没有收到NACK，它将中断传输，等待随机时间后重传数据。另外，当源节点S的缓存中对D的索引信息为i，而接收到索引信息为j+2的ACK时，如果j+2

3.2专用MAC协议

这是一个接收端主动发起信道预约的MAC协议，它能确保在某一时间内每个待接收节点只从一个源节点接收数据。该协议使用选择不同的跳时序列（THS）的方式取代了载波检测，节点间没有共享信道，避免了隐藏终端和暴露终端问题。

专用MAC协议对竞争同一目的节点的源节点使用目的节点自身固定的公用THS，已经建立通信的节点对使用它们联合的专用THS，专用THS决定在一帧中发送哪个码片。每个节点都有一个相同的伪随机数发生器（PRNG）和唯一的标志符即它的MAC地址，通信时将使用公用或专用THS。MAC地址为A的节点的THS（A），是PRNG以 A为种子生成的。而节点A和B的专用THS（A，B），是PRNG以A和B级联后的二进制表示为种子生成的。

假定有节点S1和节点D。如果没有任何节点在与D通信，那么D会正在以自己的THS（D）在侦听信道。当S1要发送数据到D时，S1就以THS（D）发送REQ（并使用最低的信道编码率Rk），此时范围内的所有节点都能侦听到S1想和D通信。D侦听到S发送的REQ后，也以最低编码率Rk和THS（S1，D）回复RESP，RESP中包括后面数据传输要使用的编码率Ri，它是由上面的动态信道编码过程指定的。当S1接收到RESP，它就开始以编码率Ri和THS（S1，D）发送数据包。传输完成后，S1以码率Rk和THS（S1 ，D）等待D的回应。如果D能成功解码，它就发送ACK，否则发送NACK。如果S1收到ACK，本次通信成功结束。如果S1收到 NACK，那么S1增加编码冗余度Rj再次发送数据，直到它能收到ACK为止，这显然导致Ri> Rj > Rk ，或者S1达到最大编码冗余度而放弃发送则通信以失败而结束。如果没有收到任何回应，那么S等待一个随机的退避时间后重新发送。通信结束后，无论是成功还是失败，发送者和接收者都将继续以各自自身固定的THS发出空闲信号以通知其他节点。

如果当节点D正从节点S1接收数据时，节点S2想发送数据到D，那么S2会以THS（D）发出REQ，这可能引起一些干扰但一般不会中断S1和D的通信，因为它们使用的不同THS而保证了信号间的正交性。由于D正在通信中，它将不会回应S2的请求，因此S2将不再以自己的THS(S)侦听，而转换到THS（D）上等候D的空闲信号。一旦S2侦听到D的空闲信号，S2就等待一个短的随机退避时间，然后再次发送REQ要求与D通信。

4 UWB MAC 的性能仿真

在NS网络仿真器中搭建了完整的低功率UWB网络环境，实现DCC-MAC协议，并与CA/CDMA和802.11标准协议做了性能比较分析。

4.1物理层模型

文中使用了文献[4]建议的基于UWB室内信道的传播模型。物理层使用文献[5]描述的TH-UWB模型，使用跳时扩频的方式实现多址接入，但是使用了速率可调的RCPC码取代了文献中的循环码；使用二进制相移键控（bpsk）方式调制数据信息。

该物理层模型如图1所示，它使用传统的IR（冲击无线电）技术，使用极窄脉冲作为信息载体。设PRP表示脉冲重复周期，让PRP个码片组成一帧，节点在每帧的每个码片发送一个脉冲，伪随机THS决定发送哪个码片。

图1 本文使用的UWB模型

在仿真中，我们设定脉冲宽度TC=0.2us（信号带宽约5GHZ）。由于使用在较低功率UWB系统，我们设定PRP=300，以保证节点的平均辐射功率不超过1uw。由于使用了RCPC码，设定的其最大编码率R0 = 1,这样物理层最大速率=R0/PRP*TC = 1/300×0.2ns = 16.7Mbit/s。

我们实现的是单播的ad hoc场景,即节点既能发送又能接收数据,但两者不能同时进行,换句话说,在同一时刻,任一节点只能从仅仅一个节点接收数据。

4.2 NS仿真

本次仿真实验平台为Linux + NS2.29，我们在NS模块中添加了TH-UWB物理层模块、UWB无线传播模块、CA/CDMA协议及DCC-MAC协议模块（NS.29已经附带有IEEE802.11DCF协议模块），然后修改NS目录下的相关头文件，最后在NS目录下重新编译生成带有新模块的NS。

为分析网络性能，我们在NS 仿真中考察了所有节点的平均吞吐量，并在两种拓扑结构下分析比较了DMAC、CA/CDMA和802.11b三种MAC协议应用在同样的低功率UWB环境中的性能。我们设定节点间传输UDP包。

4.2.1随机拓扑

这是一种单跳Ad hoc网络拓扑。节点随机放置在60m×60m的区域,并且以最大速度50m/s，平均速度25m/s不间断地向随机方向运动。源节点随机选择某节点作为接收端，形成一条确定的链路。节点的总个数从2到60变化。仿真结果如图2所示。

图2 随机拓扑中的平均网络吞吐量

图3 多跳拓扑中的平均网络吞吐量

4.2.2多跳(直线)拓扑

不失一般性，将所有的节点放置在一条直线上，直线的两端放置源节点和目的节点，中间的节点辅助它们完成通信，即通过多跳实现数据传输。任两节点间的距离设定为20m，每一节点在垂直于这条直线的方向以最大速度10m/s，平均速度5m/s不间断地上下移动，移动范围不超过20m。节点的总个数在3到31变化。仿真结果如图3所示。

可以看到，在这两种拓扑环境中，当节点数增多到一定数目时，802.11标准协议的平均吞吐量剧烈下降，性能较差。CA/CDMA协议性能比802.11稍好，因为它能通过自适应地调整发射功率来允许节点并行传输，但当节点数增多到一定程度，干扰增大到超过了它的干扰门限，网络性能也随之剧烈下降。与它们相比，DCC-MAC协议性能较好，即使节点数增多干扰增强，都基本能保持比较高的平均吞吐量，这主要依靠动态信道编码机制而具有更强的抗干扰能力。对速率较低的UWB网络，该MAC协议是一种合适高效的方案。

5 结束语

传统的网络协议分层设计方法对UWB网络不是十分有效，由于物理层与MAC层联系紧密，因此融合了物理层的MAC协议设计可以充分利用UWB的特点，而达到更佳的网络性能。本文重点分析并实现的MAC协议正是基于这一思想，通过调整物理层编码率来自适应干扰，有效提高了网络吞吐量。因此网络协议的跨层设计方法是未来UWB网络系统设计的核心。

参考文献：

[1]Boudec JYL,Merz R,Radunovic B,et al.A MAC protocol for UWB Very Low Power Mobile Ad hoc Networks based on Dynamic Channel Coding with Interference Mitigation [R].EPFL Technical Report No.ICIC /2004 /02,EPFL-DI-ICA,2004.

[2]Muqattash A,Marwan K.CDMACbased MAC protocol for wireless ad hoc networks[J].Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MOBIHOC'03), 2003:153-164.

[3]Frenger P,Orten P,Ottosson T,et al.Rate-compatible convolutional codes for multirate DS-CDMA systems [J].IEEE Transactions on Communications,1999,47(6): 828-836.

[4]Ghassemzadeh SS,Jana R,Rice CW, et al. Measurement and modeling of an ultra-wide bandwidth indoor channel[J].IEEE Transactions on Communications,2004,52(10):1786-1796.

[5]Win MZ,Scholtz RA.Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications [J].IEEE Transactions on Communications,April 2000,48(4):679-691.

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