Ad Hoc网络中双信道区分服务QoS MAC机制研究

第３３卷第３期　２０１０年３月　合肥工业大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＶｏＩ．３３　Ｎｏ．３　Ｍａｒ。２０１０　Ａｄ　Ｈｏｃ网络中双信道区分服务ＱＪ＝）Ｓ　ＭＡＣ机制研究　刘兵伟，　沈明玉　（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥２３０００９）　摘要：文章分析了现有的Ａｄ　Ｈｏｃ网络ＭＡＣ层的ＱｏＳ保障机制，针对目前基于区分服务的方法，把　８０２．１ｉｅ的ＥＤＣＦ机制和改进的退避方法结合起来，并通过利用双信道解决ＱｏＳ保障问题。仿真结果表明，　该方案能有效提高网络吞吐量和实时业务的服务质量。　关键词：Ａｄ　Ｈｏｃ网络；ＭＡＣ协议；区分服务；退避方法；ＱｏＳ保障　中图分类号－ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２０１０）０３—０３７６—０３　Ｄｕａｌ—ｃｈａｎｎｅｌ　ＤｉｆｆＳｅｒｖ　ＱｏＳ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ａｄ　Ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ＬＩＵ　Ｂｉｎｇ—ｗｅｉ，　ＳＨＥＮ　Ｍｉｎｇ－ｙｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ＱｏＳ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｔ　ＭＡＣ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　Ａｄ　Ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ＤｉｆｆＳｅｒｖ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ＥＤＣＦ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　８０２．１ｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂａｃｋｏｆｆ　ｍｅｔｈｏｄ。ｔｈｅ　ｄｕａｌ－ｃｈａｎｎｅ１　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ＱｏＳ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—　ｔｉｍｅ　ｔｒａｆｆｉｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｄ　Ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＤｉｆｆＳｅｒｖ；ｂａｃｋｏｆｆ　ｍｅｔｈｏｄ；ＱｏＳ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　Ａｄ　Ｈｏｃ网络的ＱｏＳ问题已经成为当前研究　的新热点。迄今为止，已经有许多用于Ａｄ　Ｈｏｃ　本文在８０２．１ｌｅ　ＥＤＣＦ的基础上，研究如何　进一步提高ＭＡＣ层的ＱｏＳ性能，把改进后的区　网络中提供ＱｏＳ支持的信道接人机制和方法，其　中采用改进的ＩＥＥＥ８０２．１　１协议来支持实时业务　和服务区分比较适用于无线Ａｄ　Ｈｏｃ网络［１］。在　最初的ＩＥＥＥ８０２．１ｌＤＣＦ机制中，所有的数据流　分服务退避算法引入信道接入机制之中，并运用　到双信道上，提高了信道利用率，提升了网络的吞　吐量，降低了实时业务的平均时延。　都是以相同的概率竞争接人媒质，对具有时延和　带宽要求的实时业务支持很差，不能满足ＱｏＳ的　１　ＩＥＥＥ８０２．１ｉｅ基于ＥＤＣＦ的ＱｏＳ机制　ＩＥＥＥ８０２．１ｌｅ基于ＥＤＣＦ的ＱｏＳ机制为了　改善ＩＥＥＥ８０２．１１协议对于ＱｏＳ的支持，８０２．１１　工作组制订了８０２．１１ＭＡＣ协议的增强机制，即　要求。为此，ＩＥＥＥ８０２．１１工作组提出了基于竞　争的信道接人机制ＥＤＣＦ，这种机制是基于队列　的优先级服务区分，对不同的业务提供了不同优　８０２．１　ｌｅ。ＥＤＣＦ是基于竞争的信道接人机制，是　对原有的ＤＣＦ机制ＭＡＣ规范的大幅度改进。　通过引入业务流分类（ＴＣ）来实现ＱｏＳ服务区　分，每个移动站点内通过虚队列的形式来实现８　种不同优先级的业务流，并映射为４种接人种类　（ＡＣ）ｃ引，每个队列的优先级ｋ等价于接人类级　ＡＣ，见表１所列。　先级的信道接人（ＡＣ），保证了高优先级的（ＴＣ）　业务获得好的服务，低优先级的业务获得少的服　务。然而ＥＤＣＦ在网络负载高时，多业务类容易　产生冲突碰撞，系统吞吐量下降，由于退避机制的　静态设置，只能一次性地保证高优先级的信道接　入优先权，从而造成不必要的信道接人延迟。　收稿日期：２００９—０２—１９　作者简介：刘兵伟（１９８２一），男，河南洛阳人，合肥工业大学硕士生　第３期　刘兵伟，等：Ａｄ　Ｈｏｃ网络中双信道区分服务ＱｏＳ　ＭＡＣ机制研究　３７７　表１优先级与接入类别的映射关系　度。对于最高优先级业务，可以不考虑退避计数器　的值，直接用Ａ值取代ＢＯ，且在等待时问长度（１）　式中不加Ａ，最高优先级业务的等待时间小于Ａ个　时隙。对于次优先级业务，Ｂ值可大于１，次优先级　的等待时间则大于等于Ａ个时隙。而对低优先级　业务则选取Ｂ值为１，低优先级业务的等待时间最　在ＥＤＣＦ中每个ＡＣ都是ＤＣＦ变体，使用一　组ＥＤＣＦ信道接人参数去竞争传输机会（ＴＸ—　长。这样通过改变参数Ａ和Ｂ的值，就可以为不　同类型的业务提供不同的信道接人优先级。　ＯＰ），ＴＸＯＰ表示当一个站点被获准向信道发起　传输的一段时间间隔。具有高优先级的ＡＣ被指　定给更小的竞争窗口（ＣＷ），以保证高优先级比　低优先级的ＡＣ能优先发送。可以通过对ＡＣ设　置竞争窗口限界（ＣＷｍｉｎｒＡＣ］，ＣＷｍａｘＦＡＣ］）来　得到这种接人优先。为了进一步进行服务的区　分，不同的ＡＣ采用不同的帧间隔。优先级高的　ＡＣ分配小的ＡＩＦＳ和ＣＷ，这样就保证了高优先　级业务可以优先的竞争接入信道，获得较大的传　输带宽。文献［３～５］分析表明，８０２．１ｌｅ可以有　效提供高优先级的信道接入，但在负载较高的情　况下较易发生冲突。　现有的保障Ｑｏｓ的ＭＡＣ协议大都是利用　单一的区分服务策略，而且是在单信道情况下提　出的，无论如何设计都不可能完全解决隐终端和　暴露终端的问题，实时业务的信道接人优先权很　难得到充分保证，网络的空间复用度低，无法很好　地支持对语音等实时业务韵ＱｏＳ保障。使用双　重区分服务和双信道策略可有效解决以上问题。　２一种双信道区分服务Ｑ０Ｓ保障机制　如果移动节点使用双信道，那么控制报文和　数据报文就可以在不同的信道上传送，数据报文　不会和控制报文发生冲突，这对解决隐终端和暴　露终端非常有利（已在文献［６］中得到了解决），从　而可以提高对实时业务服务质量的支持。本文将　单信道条件下的区分服务机制运用到双信道中，　并结合改进的退避算法，形成了以下具有ＱｏＳ保　障的双信道服务区分接入机制。　２．１改进的退避算法　退避算法将业务分为３种不同类型，即最高　优先级业务、次优先级业务和低优先级业务，并在　ＩＰ报文的区分服务（ＤＳ）字段对业务类型进行标　识。等待时间长度的通用公式为：　Ｗ　一｛Ａ＋（ｒａｎｄ（）ｒｏｏｄ　ＢＯ）／Ｂ｝Ｓ　（１）　其中，Ａ和Ｂ的默认值分别为。和１；ｒａｎｄ（）为节点　产生的随机数；１３０为退避计数器值；Ｓ为时隙长　２．２机制描述　将共享信道按频带划分为２个子信道：控制　信道和数据信道，所有数据的传输采用这样的报　文交互顺序ＲＴ　ＣＴ　ＤＡＴＡ—ＡＣＫ。　（１）如图１所示，源节点Ａ向节点Ｂ发送报　文，Ａ运用载波监听方法探知控制信道和数据信　道的情况，如果信道忙，则等待；如果信道空闲，则　等待ＡＩＦＳ仲裁间隔时隙，由８０２．１ｌｅＥＤＣＦ机制　可知，ＡＩＦＳＥＴＣｉ］一ＤＩＦＳ＋ａ（ＴＣｉ）Ｓｌｏｔ—Ｔｉｍｅ。　其中，ＴＣ为ＥＤＣＦ为不同优先级分配的标识；　ａ（ＴＣｉ）为此优先级额外增加的时隙数。优先级　最高ＴＣ的ＡＩＦＳ最小（等于ＤＩＦＳ）。　（２）进入退避窗口，使用具有区分服务的退　避算法，对于最高优先级业务，由（１）式知其等待　时间为：　一（ｒａｎｄ（）ｒｏｏｄＡ）Ｓ　（２）　对于次优先级业务，由（１）式知等待时间为：　一｛Ａ＋（ｒａｎｄ（）ｒｏｏｄ　ＢＯ）／Ｂ｝Ｓ　（３）　而对低优先级业务，由（１）式知等待时间为：　Ｗ　＝＝＝｛Ａ４－（ｒａｎｄ（）ｍｏｄ　ＢＯ））Ｓ　（４）　低优先级业务的等待时间最长，而最高优先级得　等待时间最短。　（３）假如高优先级节点Ａ在退避窗口减为０　后，顺利接人信道，等待ＤＩＦＳ时隙，在控制信道　发送ＲＴＳ控制报文。　（４）Ｂ收到ＲＴＳ报文后，等待ＳＩＦＳ时隙，在　控制信道发送ＣＴＳ控制报文，表示节点Ａ可以　向Ｂ发送数据。　（５）Ａ收到ＣＴＳ报文后，开始在ＴＸＯＰ时限　内，在数据信道传送数据分组，从而不用在每次发　送完数据重新竞争信道，帧间间隔仅为ＳＩＦＳ，当　达到ＴＸＯＰ时限值或者Ａ没有数据要发送时，开　始新一轮的竞争。　通过以上描述，节点接入信道总的等待时间　为ＡＩＦＳＥＴＣｉ－１＋Ｗ　，从而在接人抢占和冲突退避　两方面共同保证高优先级业务的信道接人优先　权，并且对不同的优先级等待时间不同，控制报文　３７８　合／ｉ￣Ｘ－，＆大学学报（自然科学版）　第３３卷　和数据报文运行在不同的信道上，发生冲突的可　能性大大降低了，从而又可以增加吞吐量。　控制　数据　控制　图１双信道帧传输图　３　试验与分析　Ｕ　２ＵＵ　４００　６ＵＵ　ＵＵ　ｌ　ＵＵＵ　包到达率／（ｐｂ・一）　图３语音帧延迟时间　从图２和图３仿真结果看出，利用双信道的　特性，减少了分组问的冲突，信道利用率高，提高　了网络的吞吐量；利用２次区分服务机制，高优先　级业务时延得到了减小，达到了预期的目标。　４结束语　在ＭＡＣ协议中实现ＱｏＳ保障是近来研究　的热点，也是Ａｄ　Ｈｏｃ网络研究的重点。　本文结合Ａｄ　Ｈｏｃ网络的特性，利用２次服　务区分机制，并将其运用在双信道上，实验结果达　到了预期的效果，提高了吞吐量，并降低了语音等　高优先级业务的时延。　［参考文献］　［１］ＩＥＥＥ　Ｄｒａｆｔ　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｏ　Ｓｔａｎｄａｒｄ－２００２．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａ—　ｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＬＡＮ／　ＭＡＮ　Ｓｐｅｃｉｉｆｃ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，Ｐａｒｔ　１　１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）Ｓｐｅｃｉｉｆ—　ｃａｔｉｏｎｓ：Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｑｕａｌｉｆｙ　ｏｆ　Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＱｏＳ）Ｉｓ３．　［２］赵为粮，李云，刘占军，等．移动Ａｄ　Ｈｏｃ网络中ＱｏＳ参数　的相关性研究［Ｊ］－电子学报，２００６，３４（３）：４８７—４９０．　［３］Ｈｅ　Ｄａ－ｊｉａｎｇ，Ｓｈｅｎ　Ｃ　Ｑ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　８０２．１ｌｅ　ＥＤＣＦＥＣ￣／／５７ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｓｅｍｉａｎｎｕａｌ，２００３：６８５－－６８９．　Ｅ４３　Ｘｉａｏ　Ｙａｎｇ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＩＸ；Ｆ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　８０２．１ｌｅ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ＱｏＳＥＪ］．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｏＣｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，２００３，　（２）：ｌ２９１—１２９６．　Ｅｓ］Ｘｉａｏ　Ｙａｎｇ　ＩＥＥＥ　８０２．１ｌｅ：ＱｏＳ　ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ＭＡＣ　ｌａｙｅｒ　口］．ⅢＥＥ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｒｋｓ，２００４，１１（３）：７２—７９．　［６］顾艳，沈连，邱小华．Ａｄ　Ｈｏｃ网络中一种新的双信道　ＡＭＣ协议及其性能分析［Ｊ］．应用科学学报，２００６，２４（５）：　４４７～２５２．　［７］Ｄｅｎｇ　Ｊ，Ｈａａｓ　Ｚ　Ｊ．Ｄｕａｌ　Ｂｕｓｙ　Ｔｏｎｅ　Ｍｔｉｆｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ（ＤＢＴ—　ＭＡ）：ａ　ｎｅｗ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｐａｃｋｅｔ　ｒａｄｉｏ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋｓ［Ｃ￣／／Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８．　ＩＣＵＰＣ＂９８．ＩＥＥＥ，１９９８，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｏＣｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ，１９９８：　９７３～９７７．　［８］Ｈａｓｓ　Ｚ　Ｊ，Ｄｅｎｇ　Ｊ．Ｄｕａｌ　Ｂｕｓｙ　Ｔｏｎｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ（ＤＢＴ—　ＭＡ）：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｒＣ￣／／Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９９　ＩＥＥＥ　４９ｔｈ，１９９９：３１４—３１９．　（责任编辑张秋娟）