一种适用于Ad Hoc网络的协作MAC协议

【摘 要】物理层协作通信技术的应用给媒体接入控制（MAC）协议的设计带来了挑战。针对协作通信特点，提出一种适用于Ad Hoc网络的自适应协作MAC（ADCO-MAC）协议。基于最短路径算法，在源、目的节点之间选择最佳的协作节点。根据网络条件，可自适应选择是否进行协作传输。利用OPNET软件实现对ADCO-MAC协议的网络仿真。通过仿真结果表明，ADCO-MAC协议在吞吐量、端到端时延、接收成功率方面性能有显著提升。

【关键词】Ad Hoc网络 协作通信 MAC协议

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-22-0040-06

A Novel Cooperative MAC Protocol for Ad Hoc Networks

LI Lan1， CUI Miao1，2

（1. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute， Guangzhou 510310， China;

2. Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

[Abstract] The application of cooperative communication technology on physical layer introduces great challenges to MAC protocol design. Based on the characteristics of cooperative communication， an adaptive cooperative MAC （ADCO-MAC） protocol for ad hoc networks is proposed. Based on shortest path algorithm， ADCO-MAC protocol selects the best cooperative node between source node and destination node. While ADCO-MAC protocol adaptively chooses whether cooperative transmission or not according to network conditions. The network simulation of ADCO-MAC protocol is carried out using OPNET. Simulation results show that the performance of ADCO-MAC protocol improves significantly in terms of throughput， end to end delay and reception success rate.

[Key words]ad hoc network cooperative communication MAC protocol

1 引言

在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户（节点）可按照一定方式共享彼此的天线协作发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，极大地提高系统传输性能。这种通信方式因为需要网络节点之间密切的配合协作，所以称为协作通信（Cooperative Communication）或协作分集（Cooperative Diversity）。协作通信技术应用在Ad Hoc网络中，利用节点天线间信道独立性进行分集收发，能够减少节点对信道变化的敏感程度，改善系统容量或者抗干扰能力。而且即使在节点间信道存在噪声的情况下，通过虚拟的空间分集，协作通信技术也能为系统性能的提高带来好处[1-3]。

协作通信技术给网络带来的优势和良好性能还需合理的设计高层协议来实现，如MAC层协议。在分布式网络中应用的退避机制（如IEEE 802.11的CSMA/CA协议）被设计成在同一时刻一跳范围内只能接受一对用户通信，当节点发生冲突时，提高其竞争窗口;另一方面，当节点发送成功后，竞争窗口减小。如果在协作通信系统中采用这种退避机制，不仅不能体现公平性，而且极大地降低了吞吐量。因此，在Ad Hoc网络中如何将协作分集能力同MAC协议设计相结合，能够有效地提高网络吞吐量和降低网络时延[4-6]。

本文提出了一种适用于Ad Hoc网络的自适应协作ADCO-MAC协议。该协议具有以下特点：根据实际信道特点，自适应选择传输方式;通过最短路径树算法选择潜在的协作节点进行中继传递;高速率节点协助低速率节点完成传输;多副本信息联合处理提升网络纠错能力。

2 相关工作

基于IEEE 802.11协议，P.Liu等人首先提出了一种CoopMAC协议[6]，每个节点将维护一张协同表，其中包括源节点到中继节点的速率、中继节点到目的节点的速率、表项更新时间等，当有数据要传输时，首先查找该协同表来判断是否有可以利用的协作节点，从而决定是否采用协作传输。当需要协作时，源节点S首先发送请求协作发送帧（CoopRTS）;Helper节点H在正确收到CoopRTS后，判断是否能够支持源节点所期望的传输速率，如果可以即发送协作节点确认发送帧（HTS）;最后目的节点D回复确认发送帧（CTS），从而静默了周围其他的邻节点，成功预约到信道的使用权，并由它高速地转发给目的节点。而当源节点和目的节点不需要协作传输以及不存在协作节点时，则使用传统的802.11协议。

文献[6]提出了“按需”的协作MAC协议，协议中节点并不维护任何协作节点的信息，当有数据要发送时，通过源节点首先发送RTS（Request to Send，请求发送）信息，目的节点收到回复CTS（Clear to Send，清除发送）信息，那么潜在的协作节点通过这两个握手信息即可获得源节点到本节点以及目的节点到本节点的信道信息：Hsr和Hrd。协作节点通过设置退避时间T来竞争参与协作，T是Hsr和Hrd反比例函数，当退避计时器减为零时，协作节点发送同意中继帧（RTR）。但是，该协议在预约协作节点的过程中可能会发生碰撞，从而导致整个握手过程失败。

F.Liu等提出相应的增强型CoopMAC协议[7]，该协议采用MAC-PHY联合的跨层架构，其握手过程以及信息传输过程和CoopMAC协议基本一致。目的节点收到分别来自源节点的复制包和协作节点的复制包，将其联合处理，从而判断选择哪个节点作为最终的协作节点以及下一跳采用什么传输速率。其仿真结果相较于原始CoopMAC协议吞吐量提高了10%，但是该协议对硬件设备有更高的要求。

综上所述，在最早提出的CoopMAC协议中仅仅利用了802.11的多速率传输特性，而当目的节点能够综合处理分别来自源节点和协作节点的信号时，才形成了真正意义上的虚拟MIMO系统[8-9]。由于信息来源于不同的时间和节点，通信系统可同时获得空间分集和时间分集。通过分析上述几种典型的协作MAC协议可以看出，针对不同的网络环境以及不同配置，为提高整个网络的性能，充分利用协作通信系统的增益，需要针对具体的网络特性设计合适的MAC协议[10]。

3 协作MAC协议思路与实现

3.1 协作MAC协议设计

ADCO-MAC协议包括3个过程：协议建立过程，包括控制包交换和帮助节点的选择;接入控制;数据传输。

图1描述单协作节点转发模式的处理过程，图2描述转发模式的ADCO-MAC协议时序。在随机退避之后，源节点首先发送1个RTS分组。RTS分组包含接收节点（目的节点和中继节点）的识别码，这样只有该RTS分组指定的接收节点才能够允许目的节点发送CTS分组及中继节点发送HCTS（Helper Clear to Send）来应答该RTS分组。中继协作节点接收到RTS分组后，如果可以协助本次传输，则发送1个HCTS分组。目的节点接收到RTS分组后，设定1个定时器等待接收HCTS分组，若收到HCTS，则本次传输为协作传输;若没有收到HCTS，则为直接传输模式。目的节点接收到原始数据分组，将其保存，收到协作节点转发的数据分组后，回复1个ACK给源节点。其他移动节点接收到RTS或者CTS、HCTS分组，则推迟其发送，推迟的时间由RTS、CTS和HCTS握手控制分组中的NAV（Network Allocation Vector，网络分配矢量）来确定。

（a）控制包的交互过程

（b）数据包的交互过程

图1 协议中的包流程

图2 协作协议时序图

源节点和目的节点首先确认在本次传输中是否存在中继节点来协助本次传输。为了确定是否存在协作节点，网络中每个节点都维护1个协作表（CoopTable）。CoopTable表包括节点MAC地址、中继节点最近收到信息时间、本节点和邻居节点传输速率（表征上次通信信道质量），通过周期性的Hello包和握手过程的控制包动态更新邻节点的最新信息。如果节点是移动的，利用CoopTable表可以检测到邻节点的移动模式。协作节点的选取算法采用基于最短路径算法，如图3所示：

（a）候选协作节点集合

（b）选择过程

图3 最佳协作节点选择

首先以源节点为根构建树，所有到源节点的链路被添加到候选对象列表，然后将候选列表中速率的倒数（1/R）的值最小的链路添加到树中，如此迭代，可以生成一棵最短路径树（这棵树各枝上的代价是由1/R来确定），树上到目的节点的枝上那个中继节点就是被选用的协作节点。此外，本协议还参考末次通信信道质量，在同样距离的几个节点中，自适应选择末次通信信道质量较好的节点。如果候选节点的末次通信信道质量都比较差，则候选的协作节点不发送HCTS包，因此实现了自适应选择距离和通信信道质量较好的协作节点，并且隐藏节点的数量得到一定程度减少。如果无中继节点，则按照IEEE 802.11 MAC协议进行传输。

3.2 ADCO-MAC协议实现步骤

ADCO-MAC协议具体实现步骤如下：

步骤1：源节点完成退避后，首先根据和目的节点的直接传输速率来判断是否需要协作传输，如果需要，则进入步骤2;否则，进入执行CSMA/CA操作。源节点流程图如图4所示。为了保证在多个候选协作节点能够收到RTS帧，在RTS帧格式中增加Helper ID域以及本节点的速率信息域，源节点通过查询CoopTable表，确定是否有候选协作节点。

步骤2：当邻节点的速率信息已知时，根据最短路径原则选择Helper节点;否则，源节点仅利用以往监听到的节点间的速率信息来选择Helper节点。如果存在协作节点，则进入步骤3;否则，执行CSMA/CA操作。

步骤3：源节点发送RTS信息。

步骤4：协作节点收到正确的RTS且自身处于空闲状态，则立即回复HCTS;否则，不发送任何信息。

步骤5：目的节点正确收到RTS，设定时器Tr等待接收HCTS。若在Tr时间内正确接收到HCTS后取消Tr，则在回复CTS包中标识采用协作传输模式;若在Tr时间内没有正确接收到HCTS，则在回复CTS包中标识采用直接传输模式。目的节点流程图如图5所示。

步骤6：源节点接收到HCTS和CTS则启动协作模式，源节点只接收到CTS则启动直接传输模式;否则，再次进入退避过程。启动传输进程后，侦听SIFS时间后发送DATA数据包。

步骤7：协作节点接收到DATA后，侦听媒介1个SIFS时间，发送DATA_Help。

步骤8：如果采用协作传输模式，目的节点接收到DATA后，将其保存下来;目的节点接收到DATA_Help后，回复ACK包给源节点、协作节点。如果采用直接传输模式，则利用传统IEEE 802.11 DCF协议传输数据。

4 仿真与分析

采用基于三层建模机制的OPNET仿真软件搭建网络模型。50个节点随机分布在1 000m*500m区域，网络是一个单跳全连通的网络，每条数据流随机地产生目的地址，业务产生采用ON-OFF模式，发包间隔为0.3s，包大小为1 024bytes，高层包在MAC层中不拆分。对本文所提的ADCO-MAC协议和CSMA/CA协议进行对比仿真分析，仿真参数具体如表1所示：

表1 仿真参数

参数 数值 参数 数值 参数 数值

Slot 50μs 仿真区域 1 000m

*500m Hello包发送间隔 1s

SIFS 28μs 节点数 50 物理特性 跳频

DIFS 128μs 控制包速率 1Mbps 带宽 2MHz

CWmin 15 RTS 160bits ON的平均持续时间 40s

CWmax 1 023 CTS 112bits OFF的平均持续时间 0s

数据基本速率 2Mbps ACK 112bits 分组平均到达间隔 0.3s

Tr 0.003 调制方式 BPSK 分组平均

大小 1 024

bytes

图6―8是ADCO-MAC和CSMA/CA仿真结果，由此可见ADCO-MAC协议性能更好。图6是2种协议吞吐量仿真结果，由于2种协议都有缓存和重传机制，当缓存满或重传次数达到最大值时，就会将数据包丢弃。从图6可以看出，2种协议在40s之后吞吐量趋于稳定，ADCO-MAC饱和吞吐量比CSMA/CA饱和吞吐量提高近12%，这是由于ADCO-MAC自适应的选择协作传输，从而目的节点收到源节点和协作节点的数据包，极大地提高了传输可靠性。同样地，CSMA/CA协议中如果接入信道的节点数大于1，就会发生碰撞，这些节点将会退避重传，降低了信道的利用率，因此时延性能较差，如图7所示。ADCO-MAC协议由于自适应的选择速率高的节点进行传输，时延上得到了显著降低，其值大约只有采用CSMA/CA时平均时延的14%。此外，同样原因采用本协议时，丢包率也低于采用CSMA/CA的丢包率，如图8所示。

图6 吞吐量仿真

5 结束语

本文提出了一种适用于移动Ad Hoc网络的协作ADCO-MAC协议，实现了高速节点帮助低速节点完成传输，在吞吐量、端到端时延、接收成功率等方面的性能得到较大改善，极大地提高了系统传输可靠性。目前仅研究了单个协作节点的情况，多个协作节点的算法将有待下一步进行研究。

参考文献：

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