乔平安　李峰杰　颜景善

(西安邮电大学计算机学院　西安　710121)



Ad hoc网络双忙音多址访问协议的研究与仿真*

乔平安李峰杰颜景善

(西安邮电大学计算机学院西安710121)

摘要由于移动Ad hoc网络没有固定控制中心,信道访问冲突十分严重。论文通过对双忙音多址访问(DBTMA)协议的仿真,发现当网络中存在暴露接收节点时,DBTMA协议出现了严重的不公平性问题,有些节点甚至可以垄断信道。论文提出了一种针对DBTMA协议不足进行改进的策略,该策略通过设计一种基于竞争节点数目的自适应竞争窗口调整因子,以达到根据网络竞争状况动态调整退避窗口的目的。仿真结果表明,改进后的DBTMA协议有效地解决了原协议存在的不公平性问题。

关键词Ad hoc网络; 公平性; 调整因子; 退避窗口

Research and Simulation of DBTMA Protocol for Ad hoc Network

QIAO Ping’anLI FengjieYAN Jingshan

(School of Computer Science, Xi’an Univerity of Posts and Telecommunications, Xi’an710121)

AbstractChannel access conflict is very serious as mobile Ad hoc network has no fixed control center. By emulating dual busy tone multiple access(DBTMA) protocol, it is found that when there is receiving node in the network, DBTMA agreement appeared a serious problem of unfairness, some node can even monopolize the channel. An improve strategy is proposed in this paper aiming at the shtorage if the DBTMA protocol. By designing a kind of adaptive contention window adjument factor based on the number of node, in order to adjust the backoff window according to dynamic network competition. The simulation results show that the improved DBTMA agreement effectively solve the unfairness problem exists in orginal agrement.

Key WordsAd hoc network, fairness, adjustment factor, backoff window

Class NumberTP393

1引言

目前在无线Ad hoc网络的研究工作中,多数采用IEEE802.11DCF[1]作为媒体接入控制(MAC)层协议。该协议大多利用载波监听技术(CSMA)[2]来减少数据碰撞,但这样就会带来隐藏节点和暴露节点的问题,从而影响节点访问信道的公平性。一些研究表明节点在访问信道时可能出现单个数据流独占信道而其他数据流完全处于“饥饿”的状态,这就是所谓的公平性问题。现有的公平性改进方案大都以退避算法为基础,文献[3]提到一种针对信道访问的乘数递增线性递减(Multiplicative Increase Linear Decrease,MILD)退避算法,在一定程度上改善了节点的公平性,但会使节点较长时间处于较大竞争窗口状态,这样反而会降低网络吞吐量。文献[4]提出一种改进的指数递增指数递减算法,递增和递减指数参数可以灵活配置,但如何准确配置参数还需认真考虑。

双忙音多址接入(Dual Busy Tone Multiple Access,DBTMA)协议[5~6]是一种双信道MAC协议,该协议可以在一定程度上解决隐藏节点和暴露节点[7]问题,其吞吐量性能优于在单信道上使用RTS/CTS分组对话机制的其他MAC协议,以及所有使用单个忙音的MAC协议。然而DBTMA协议中忙音信号与数据信号的传输范围相同,当网络中存在暴露接收节点时,该协议存在严重的不公平问题[8]。

文章分析了Ad hoc网络中存在暴露接收节点时DBTMA协议的工作原理,提出了一种新的方案以改善DBTMA协议的公平性,该方案提出一种动态感知的退避算法。在保证原有网络吞吐量的条件下,经过改进后的DBTMA协议能有效地解决DBTMA协议存在的不公平问题,避免出现部分节点对信道的独占和“饿死”节点现象。

2DBTMA协议描述

2.1暴露节点问题

DBTMA协议把整个带宽划分为两个独立的信道(数据信道和控制信道),同时增加两个窄带忙音,即发送忙音(BTt)和接收忙音(BTr),分别表示节点是否正在发送RTS分组或接收数据分组。忙音信号在数据持续发送期间,传输范围与通信范围相同[9]。

图1　暴露节点

暴露节点是处于发送节点的通信范围之内而在接收节点的通信范围之外的节点。如图1所示,节点B为暴露接收节点。当节点A向节点B发送RTS控制信号时,由于传输范围限制,节点C无法监听到节点A发送的BTt信号,所以节点C能同时向节点D发送RTS控制信号。此时节点C处于接收节点B的传输范围之内,节点A发送的信息和节点C发送的信息可能在节点B处发生冲突,导致节点B无法正确接收到节点A发送的控制信号,而节点D始终可以正确接收节点C发送来的控制信号,继而完成数据传输任务。所以,DBTMA协议虽然能够通过数据信道和控制信道避免信号的碰撞,但当网络中存在暴露接收节点时,控制信号的碰撞仍无法避免,从而带来严重的不公平性。

2.2DBTMA协议仿真与分析

利用NS-2[10]对DBTMA协议进行仿真。采用图2所示网络拓扑结构,节点均为静止状态,节点间距250m,通信范围300m。需要指出的是,为了尽量减少其他因素对DBTMA协议公平性的影响,采用恒定比特率(CBR),仿真参数如表1所示。

图2网络拓扑结构

为构造暴露接收节点环境,建立节点A向节点B发送数据,节点C向节点D发送数据的通信线路。仿真时间为200s,数据包发送间隔为1ms。为评价数据流之间的公平性,采用文献[11]提出的公平性指数FI(Faurness Index)来衡量公平性,公平性指数定义为网络最大链路吞吐量Tmax和最小链路吞吐量Tmin的比值,即:

表1　仿真参数

显然,FI=1是最理想情况,每条链路吞吐量相同,公平分配资源。FI越大,节点竞争能力越悬殊,不公平性越明显。表2给出了仿真实验的吞吐量和公平性指数。

表2　DBTMA公平性仿真数据

注:ThAB表示节点A到节点B的吞吐量。

在图2中节点A向节点B发送控制信号,节点C向节点B和D发送控制信号,由于节点B同时处于节点A和节点C的通信范围之中,则节点A和节点C发出的控制信号可能在节点B处冲突。从而导致节点A发送的控制信号无法被节点B正确接收。同时,节点A无法检测到节点C的发送忙音,所以一直认为控制信道空闲而持续向节点B发送控制信号。

仿真数据表明,由于节点B同时处于节点A和节点C的通信范围内,使得DBTMA协议出现严重不公平性,节点C向节点D发送数据的通信线路几乎独占了全部信道。通过对仿真数据的分析,发现DBTMA协议在暴露接收节点场景下存在严重的不公平问题。

3DBTMA协议的改进与分析

3.1DBTMA协议的改进策略

针对2.1节所出现的问题以及对原有DBTMA协议的分析与仿真,对DBTMA协议进行改进,引入一种新的能根据网络中竞争节点的数目自适应调节竞争窗口的动态感知退避(Situational Awareness Backoff,SAB)算法,使退避窗口随着网络节点的竞争状况处于动态变化之中,从而减少部分节点对信道的垄断,改善协议的公平性。

3.2算法描述

SAB算法的核心思想是:通过建立竞争窗口初始值和退避阶数与竞争节点数目的对应关系,从而使调整因子随竞争节点的数目处于动态变化之中,使竞争窗口可以根据节点的竞争状态自适应地调整。具体算法如下:

1) 估算网络竞争节点的数目n。

2) 通过节点数n和CWmin,CWmax建立起竞争窗口CW的变化规律公式如式(1)所示。

(1)

其中a为函数的底数,n为竞争节点数目,竞争窗口初始值为CWint。

3.3仿真与结果分析

利用NS-2对改进的DBTMA协议进行仿真。对图2所示网络拓扑结构进行改进,在节点C覆盖区域内增加n个竞争节点,节点目标地址随机选择。传输层采用UDP协议,物理层无线结点采用DSSS模型,竞争窗口参CWmin=15,CWmax=1023,仿真时间为200s。

3.3.1参数a的选取

为了使改进DBTMA协议的性能达到最优,SAB算法中对参数a的选取非常重要。针对a的取值问题,仿真了场景中存在不同竞争节点数目n时,a取不同值时Thcd(节点C和D之间的平均吞吐量)的值,仿真结果如表2所示。

表2　a不同值时Thcd的值(单位Kbps)

通过对表2中的数据比较可知,在竞争节点数目n取不同值得情况下,当底数a=3时节点C和D之间的网络吞吐量最大,因此对SAB算法中a=3。

3.3.2公平性分析

根据3.3.1节分析得出,使SAB算法性能达到最优时参数a=3。在此前提下利用3.1.1节中仿真的网络结构和仿真参数对改进后的DBTMA协议进行仿真。

表3为改进后DBTMA协议两条线路吞吐量和公平性指数的仿真结果。从表3可知,不论n取何值两条通信线路的吞吐量相差无几,公平性指数FI几乎趋于最理想状况。图3更直观地显示了改进前后DBTMA协议两条线路吞吐量的比较。两条线路吞吐量几乎一样,不存在差值较大的不公平现象。

图4显示了竞争节点数目不同时公平性指数FI的分布。如图所示,改进后的DBTMA协议接入信道的公平性指数接近于1且相对稳定。

图3　改进后DBTMA协议两条线路吞吐量的比较

图4　不同竞争节点下公平性指数的变化

nThAB(Kpbs)ThCD(Kpbs)FI31158.3921245.6831.0744956.7811086.4721.1365903.351984.2371.0906698.504748.8721.072

4结语

本文通过对DBTMA协议在暴露接收节点场景下的仿真,发现节点接入信道存在严重的公平性问题甚至可能出现垄断的现象。针对该问题,提出了一种改进方案,设计了一种基于竞争节点数目的窗口调整因子,使竞争窗口可以随着Ad hoc网络的信道使用情况而自适应调整。仿真结果表明,该改进方案能有效地改进原DBTMA协议的公平性,使通信线路间的资源能平均分配。

参 考 文 献

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中图分类号TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.024

作者简介:乔平安,男,副教授,研究方向:数据库技术、计算机网络。李峰杰,男,硕士研究生,研究方向:PC客户端开发。颜景善,男,硕士研究生,研究方向:Web服务器开发。

收稿日期:2015年9月9日,修回日期:2015年10月24日