摘 要： 針對節(jié)點具有多個可用信道的自組網(wǎng)的信道資源利用率問題，提出了一種基于認知無線電的MAC接入?yún)f(xié)議，協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡中節(jié)點的鄰居關系，通過認知推理對兩跳鄰居范圍內的不同網(wǎng)絡節(jié)點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，每個節(jié)點只需要兩部半雙工收發(fā)信機就能夠實現(xiàn)在多個信道上高效的數(shù)據(jù)收發(fā)。仿真結果表明，協(xié)議在網(wǎng)絡總吞吐量、端到端時延等方面具有優(yōu)良的性能，能很好地適用于節(jié)點密集的應用場合。
??? 關鍵詞： 自組網(wǎng)；認知無線電；信道分配；多信道；MAC協(xié)議
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自組網(wǎng)(Ad-hoc Networks)[1]是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡相結合的網(wǎng)絡，MAC協(xié)議是其設計、研究的主要技術難點之一，網(wǎng)絡的性能如吞吐量、容量、時延及功耗等性能都依賴于所采用的MAC協(xié)議。現(xiàn)有自組網(wǎng)對頻譜資源的使用所基于的網(wǎng)絡頻譜資源固定分配假設存在2個缺陷：未考慮網(wǎng)絡周圍電磁頻譜資源利用對網(wǎng)絡容量的影響；未考慮任意時間任意地點靈活構建的自組網(wǎng)作為臨時性網(wǎng)絡存在時與周圍電磁環(huán)境的兼容問題?，F(xiàn)有自組網(wǎng)MAC技術主要基于MAC層的預約和沖突避免，沒有充分考慮底層監(jiān)測信息的共享，導致網(wǎng)絡開銷大且效率不高。如何提高頻譜利用率，在各地區(qū)和各個時間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為如何進一步提高和優(yōu)化網(wǎng)絡性能問題的另一個重要技術手段[2]。
在軟件無線電基礎上提出的認知無線電CR(Cognitive Radio)是一種新的智能無線通信技術[3]。在自組網(wǎng)中采用CR技術，通過對網(wǎng)絡周圍電磁環(huán)境感知信息的分析推理，在網(wǎng)絡不同覆蓋范圍和時間段有效利用不同的空閑頻譜資源。一方面，可有效解決信息流量急劇增加與頻譜資源緊張之間的突出矛盾，改善網(wǎng)絡容量和傳輸瓶頸問題；另一方面，可解決自組網(wǎng)在復雜多變電磁環(huán)境下系統(tǒng)的干擾問題和頻譜管理問題，改善網(wǎng)絡電磁環(huán)境的兼容問題。在自組網(wǎng)中通過CR對網(wǎng)絡電磁環(huán)境的認知推理和共享利用，能把自適應MAC技術推向更高層次的智能化，改善現(xiàn)有自組網(wǎng)中典型的隱藏終端和暴露終端問題[4]?，F(xiàn)有自組網(wǎng)路由技術由于底層MAC技術的局限而性能較低，尤其是多徑路由。通過共享認知無線電對周圍電磁環(huán)境感知信息實現(xiàn)底層MAC性能的提高，可有效地改善路由開銷、多徑路由的耦合等問題，大大改善網(wǎng)絡的分組傳輸時延低、時延抖動小等服務質量的性能，滿足網(wǎng)絡業(yè)務量和業(yè)務類型不斷增長的需要[5-6]?；贑R的自組網(wǎng)終端作為網(wǎng)絡中的基本節(jié)點，在更高級更復雜的應用中，還應具備對傳播條件的自適應功能、多種優(yōu)良的抗干擾能力以及靈活多變的多址方式、多種業(yè)務、多種組網(wǎng)與接口的能力等，從而面臨類似于多信道軟件無線電臺的組網(wǎng)問題[7]?；贑R頻譜感知的MAC接入技術，可以在由不同信道和調制方式構成的多徑物理拓撲情況下完成代價最小的低耦合多路徑路由集合構建，并結合路由協(xié)議解決具有不同傳輸質量和容量的多信道構成的多條路徑間的業(yè)務流分配問題[8-9]。
目前已經(jīng)有不少關于多信道的MAC協(xié)議提出，參考文獻[10]在對近20種已提出的設計方法進行詳細研究的基礎上，提出了一種拓撲無關的多信道MAC協(xié)議。協(xié)議采取按需方式對信道進行動態(tài)預約，所需要的信道數(shù)與網(wǎng)絡的拓撲和最大連接度無關，不需要在所有網(wǎng)絡節(jié)點之間進行時鐘同步，每個節(jié)點只需要1部收發(fā)信機進行信道狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收發(fā)。協(xié)議能夠很好地支持節(jié)點的移動性和適應網(wǎng)絡業(yè)務流強度的變化，對節(jié)點的硬件配置要求很低。但是，該協(xié)議對于多信道切換時的耳聾問題沒有進行很好的解決，即相鄰節(jié)點在通信過程中有可能由于偵聽著不同信道而無法進行信息交互。耳聾問題在多信道自組網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生，造成拓撲結構的動態(tài)變化，進而影響網(wǎng)絡性能。
??? 基于上述分析，本文針對自組網(wǎng)多信道MAC設計中的耳聾問題和通信沖突問題，在參考文獻[10]協(xié)議的基礎上對每個節(jié)點增加了1部收發(fā)信機，提出了一種新的多信道MAC協(xié)議，采用認知無線電設計思想進行設計，通過認知推理對不同網(wǎng)絡節(jié)點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，有效提高了網(wǎng)絡信道資源利用率。
1 協(xié)議描述
1.1 基本假設
??? 假設每個節(jié)點已實現(xiàn)頻譜感知功能，監(jiān)測其無線覆蓋范圍附近的頻譜使用情況并識別可用頻譜。每個節(jié)點配備2部半雙工收發(fā)信機，每部收發(fā)信機都是頻率敏捷的，可以在所選擇的可用信道之間快速切換。
??? 假設在網(wǎng)絡初始化時，每個節(jié)點可以通過交互控制消息知道其兩跳鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，1個節(jié)點發(fā)出的消息能夠被其所有的鄰居節(jié)點在很短的時間內正確收到。
??? 每個節(jié)點選擇1個信道作為其駐留信道，其他節(jié)點可以在任何時候找到該節(jié)點并與之通信。假設在節(jié)點執(zhí)行駐留信道選擇算法期間，節(jié)點的鄰居關系及鄰居狀態(tài)不發(fā)生改變。節(jié)點將1個收發(fā)信機用于監(jiān)聽駐留信道以接收其他節(jié)點發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，直到由于主用戶的出現(xiàn)或節(jié)點移動等原因導致鄰居關系發(fā)生變化，使得本節(jié)點在駐留信道上接收到其他用戶的RTS/CTS等控制分組，之后通過重啟駐留信道選擇過程為本節(jié)點選擇1個新的駐留信道。節(jié)點將另1個收發(fā)信機用來發(fā)送數(shù)據(jù)，當節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，切換到與之通信的節(jié)點所在駐留信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。
1.2 協(xié)議設計思想
??? 基于多信道的自組網(wǎng)MAC協(xié)議包括信道分配和接入控制，前者負責為通信節(jié)點對分配相應的信道，使盡量多的節(jié)點可以無沖突地同時通信，后者負責確定節(jié)點接入信道的時機、沖突的避免和解決方式。本文協(xié)議中，信道分配主要是由各節(jié)點通過頻譜感知獲得可用頻譜，在可用頻譜中分布式選擇駐留信道，并通知其鄰居節(jié)點；信道接入則是各節(jié)點在有數(shù)據(jù)發(fā)送時，將其用于數(shù)據(jù)發(fā)送的收發(fā)信機切換到需要進行數(shù)據(jù)交互的鄰居節(jié)點的駐留信道上，采用競爭方式占用信道進行數(shù)據(jù)交互。因此，本協(xié)議的設計重點是沖突避免的可用信道選擇分配。
??? 網(wǎng)絡初始化階段，各個節(jié)點首先通過頻譜感知模塊獲得網(wǎng)絡中可用信道集合。如果節(jié)點沒有收到來自其他節(jié)點的駐留信道占用信息，就在可用信道中隨機選擇1個信道作為本節(jié)點的駐留信道。收到其他節(jié)點駐留信道占用信息的節(jié)點，則在節(jié)點駐留信道狀態(tài)表中記錄下鄰居節(jié)點的ID號及所在駐留信道，并根據(jù)當前兩跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，在剩余的可用信道中盡量選擇1個與所有兩跳內鄰居節(jié)點駐留信道不同的信道作為本節(jié)點的駐留信道。如果節(jié)點無法選擇到與兩跳范圍內所有鄰居節(jié)點駐留信道完全不同的信道，則盡量使得相鄰節(jié)點不使用同1個信道作為駐留信道。完成了駐留信道選擇的節(jié)點后，將本節(jié)點所在駐留信道及本節(jié)點當前所記錄的一跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，通過廣播的方式告訴其鄰居節(jié)點。
??? 可見，本協(xié)議的實現(xiàn)主要依據(jù)鄰居節(jié)點的駐留信道狀態(tài)表，該表的建立及更新通過如下方法實現(xiàn)：對于一跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表和兩跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，每個節(jié)點都維護一個鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，該表記錄兩跳范圍內鄰居節(jié)點當前所在的駐留信道，其更新通過鄰居節(jié)點控制信息交互實現(xiàn)。因此，節(jié)點駐留信道狀態(tài)表包括：鄰居節(jié)點ID號；節(jié)點屬性為一跳或兩跳；節(jié)點當前所在駐留信道。
??? 在鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表的基礎上，各節(jié)點根據(jù)下述分布式方法實現(xiàn)兩跳鄰居范圍內的無沖突駐留信道選擇：通過鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表構造兩跳沖突拓撲圖G，該圖頂點集
，節(jié)點vi對應可選信道集Ci。根據(jù)兩跳沖突拓撲圖優(yōu)化選擇各節(jié)點駐留信道，使相鄰兩跳范圍內的所有節(jié)點不選擇相同可用信道作為駐留信道，如果無法實現(xiàn)，則盡量使相鄰節(jié)點不使用同一個信道。當|Ci|=1時，節(jié)點vi選定信道。
??? 可見，通過上述方法，網(wǎng)絡實現(xiàn)了避免沖突的可用多信道選擇分配，該方法具有3個特點：
??? (1)完全分布式的信道選擇在每個節(jié)點本地完成，可以克服集中式分配算法情況下網(wǎng)絡中信道信息交互引入的附加開銷、控制中心瓶頸等諸多缺陷。
??? (2)每個節(jié)點配備兩部半雙工收發(fā)信機，1部收發(fā)信機駐留在1個與鄰居節(jié)點避免沖突的可用信道上，使得節(jié)點可以同時在2個信道上進行收發(fā)工作，大大提高了網(wǎng)絡的吞吐量，避免了由于耳聾問題而產(chǎn)生的鏈路中斷。
??? (3)節(jié)點信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，對于上層協(xié)議性能的提高打下了基礎，有利于優(yōu)化提高網(wǎng)絡吞吐量。
1.3 多信道分配算法
??? 網(wǎng)絡拓撲初始化完成或重啟駐留信道選擇過程時，信道分配具體算法均如下所述：
??? 步驟1：記錄拓撲圖G的初始度序列d(v)。
??? 步驟2：若G=Φ，算法結束；否則，從小下標開始，選擇1個度最大的節(jié)點vi：
??? 步驟4：將選擇的信道分配給節(jié)點，結束。
2 性能分析與仿真結果
2.1 性能分析
??? 給出的信道分配方案實現(xiàn)了兩跳范圍內的無沖突信道優(yōu)化選擇。算法步驟2中的選擇機制保證了在現(xiàn)有條件下最大限度地避免兩跳干擾，這是因為對于避免兩跳干擾的這個目標來說，左右都受到限制的中間節(jié)點可選擇性最小，但是又必須選擇，只好選擇1個可能造成干擾最小的信道，這在拓撲圖G中對應的就是度最大的節(jié)點。但步驟2中的選擇機制并不能完全避免兩跳干擾，這是由于節(jié)點的可選信道太少。步驟3的分類討論可以盡量避免單跳干擾。
??? 算法給出的信道選擇方法為網(wǎng)絡中每個節(jié)點分配了1個駐留信道，并通過控制信息交互將其發(fā)布給各鄰居節(jié)點，從而解決了參考文獻[10]中的耳聾問題。該問題的解決是通過增加1部收發(fā)信機實現(xiàn)的。同時，每個節(jié)點在其駐留信道上實現(xiàn)其他節(jié)點的接入控制，有效地改善了參考文獻[10]中控制信道為網(wǎng)絡吞吐量性能瓶頸的問題，等效于通過增加控制信道改善了數(shù)據(jù)信道的接入效率。
??? 算法實現(xiàn)兩跳鄰居范圍內的無沖突信道選擇，其復雜度為o(n2)。算法中步驟2每次選擇1個節(jié)點，這樣至多循環(huán)n次算法結束，在每1個循環(huán)中，選擇度最大的節(jié)點至多花費o(n)時間，其他的選擇都跟n無關，因此算法的復雜度不超過o(n2)。
2.2 仿真結果
??? 采用仿真工具OPENET 8.1對本文提出的多信道MAC協(xié)議進行性能評估的仿真結果分別如圖1和圖2所示。仿真采用參考文獻[10]中的方式進行仿真參數(shù)的設置：將60個節(jié)點隨機分布在1 000 m×1 000 m區(qū)域內，每個節(jié)點的通信范圍是250 m，傳播時延時為1 μs，控制分組長度為256 bit，每個節(jié)點的分組到達速率為λ分組/s，每個信道都設定為1 Mb/s帶寬。仿真中對協(xié)議性能的評估主要集中在協(xié)議對網(wǎng)絡吞吐量和端到端時延的影響。在多跳環(huán)境中，配合相應的路由協(xié)議，本文中的MAC協(xié)議將具有更好的性能表現(xiàn)。
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??? 在給定分組長度為512 B的情況下，網(wǎng)絡總吞吐量與可用信道數(shù)N及分組到達速率λ的關系如圖1所示。從圖中可以看出，隨著信道數(shù)N的不斷增加，網(wǎng)絡的吞吐量也隨之不斷地增長，但本文算法所獲得的網(wǎng)絡吞吐量性能明顯優(yōu)于參考文獻[10]中協(xié)議。在可用信道數(shù)較少情況下，2種算法當分組到達率達到公共控制信道的吞吐量極限時，會引起較多的控制分組沖突。在可用信道數(shù)增加的情況下，本文算法能獲得非常大的性能提高。
??? 在分組長度為512 B的情況下，端到端時延特性與信道數(shù)的關系如圖2所示。從圖2中可看出，本文多信道分配方式相比參考文獻[10]算法對于網(wǎng)絡端到端時延特性有一定的改善作用，且隨著信道數(shù)的增加，其改善程度與網(wǎng)絡吞吐量增加情況具有相類似的變化趨勢。
??? 本文采用認知無線電思想從頻譜理性占用的角度，對改善自組網(wǎng)的頻率資源使用效率問題進行了研究，通過無沖突的分布式信道分配方法，充分發(fā)揮通信終端的使用效能，提高自組網(wǎng)網(wǎng)絡容量和對服務質量的支持。仿真結果表明，本文提出的多信道MAC協(xié)議在網(wǎng)絡總吞吐量和端到端時延特性方面都具有良好的性能，使得本協(xié)議能夠支持更多的數(shù)據(jù)信道和獲得更好的網(wǎng)絡總吞吐量和端到端時延性能。
??? 下一步將結合路由協(xié)議設計，針對現(xiàn)有分布式網(wǎng)絡中的路由開銷、多徑路由耦合等問題進行進一步的研究。
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