余红明，腾潢龙

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

一种基于多信道协作的Ad hoc组网的MAC实现

余红明，腾潢龙

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

主要介绍了一种更高效的基于Ad hoc多信道协作的MAC接入方式和全网同步协议。这种实现方式能够增加组网的公共信道资源，减少碰撞，提升网络吞吐量，具有很好的工程应用价值。

Ad hoc 多信道 MAC

1 引言

Ad hoc网络是一组带有无线射频的可移动终端组建的多跳自治系统，具有易部署、自组织、无需借助基础设施等特点，可广泛应用于军事、灾害救援和环境监测等领域。但由于网络受带宽资源限制、分布式竞争接入和动态拓扑等特性影响，信道接入协议和路由协议受到极大的挑战。本文基于Ad hoc组网方式，研究一种更高效的多信道协作的MAC接入方式和全网同步协议。

2 设计与实现

2.1 MAC层协议在移动Ad hoc网络中的分类

在移动Ad hoc网络中，会有多个网络节点同时使用同一个无线信道的情况，此时就需要MAC层协议来协调各个节点，避免信道使用的冲突。对移动Ad hoc网络来说，MAC层协议的主要功能是无线信道的接入控制，实现多个节点间分组传输和随机接入控制。需要解决以下3个问题：

（1）避免信道使用冲突问题；

（2）隐终端的问题；

（3）QoS的支持保障等。

经过多年的研究，业界已经提出数十种Ad hoc的接入控制协议。目前按照Ad hoc网络信道接入使用的信道数目来划分，可以分为单信道和多信道MAC协议。

（1）单信道的主要MAC协议有：MACAW、MARCH、MACA、MACA-BI等协议；

（2）多信道的主要M A C协议有：多信道CSMA、DPC、DBTMA、PAMAS等协议。

2.2 单信道MAC机制的弊端

由于单信道的MAC采用单个信道，所有的节点共用同一个资源，如果有某个节点在传输数据，则其他相邻的节点就不能使用该信道，必然会造成拥塞的问题，因此单信道方式信道利用率非常低。

如图1所示，当1号节点在传输数据时，如果4、5号节点也需要传输数据，则会造成公共信道资源冲突，不能完成传输。

图1 单信道组网情况

如图2所示，如果此时采用信道协调机制的多信道组网方式，8、4、9预约同一个频点F2，5、6、7预约同一个频点F3，则可以将频点错开，不会造成网络拥塞，对网络吞吐量会有很大的提升（整个网络采用频分机制）。

图2 多信道组网情况

2.3 多信道组网时间同步方案

（1）多信道协作方式

在通信系统支持多个信道的前提下，可以将信道划分为控制信道（CCH）和多个业务信道（SCH），同时需要整个组网保持全网同步。具体如图3所示：

图3 多信道时隙划分情况

对于多个SCH而言，实际传输时各个业务信道的频点是分开的，这样能够保证频分复用。

而CCH的意义在于：多信道协商，就像开会一样，大家各个节点约定时间一起开会，分配好后续传输资源。如果大家都同意，就结束会议；如果不同意，则继续协商、分配。CCH的另一个作用就是广播：有重要事情在会议上广播一下，大家都能听到。

因为要确定什么时候开会（公共时隙）、在哪个地点（公共信道），所以需要全网时间保持一致，这样大家都能按时参加协调会议。

同步好后就开始预约。1号节点预约附近点的时隙，同意就应答一下；如果和其他点的预约有冲突，则回答不行，并进行调整。此过程是随机的，附近节点都可以预约，这样解决了附近点在下一时隙频率可能冲突的问题，通过这个覆盖到全网，保证全网频率错开且时隙不冲突。具体如图4所示。

全网在CCH上对后续在业务信道上采用哪个业务信道的哪个时隙进行预约。由于是成对预约，采用应答机制。应答成功后表示预约成功，后面在业务时隙同时采用该频率通信。如果预约失败（比如在对端看到有时隙冲突的情况），则发端再重新发起预约。如果时间不够，则考虑在后面的时隙发起预约。

图4 各节点时隙预约情况

图5 是各个节点间在公共信道和业务信道上的信息交互情况：

图5 各节点在公共信道上的时隙预约情况

（2）网络同步基准实现

全网同步可以采用以下方案：

◆GPS或者北斗实现全网同步；

◆在同步覆盖距离比较近，不能覆盖全网的情况下，考虑时钟同步机制。

下面对时钟同步机制进行介绍：

网络采用群首的同步机制：群首产生，在开机后监听网络，如果多个超帧没有收到网络信息，则将自己设置为群首，由群首来发送同步信息。

按建网节点为全网标准时钟，定义为0级时钟。该时钟精度最高，下一跳是1级时钟，低于0级时钟；再下一跳是2级时钟，以此类推。具体如图6所示：

图6 网络节点的时钟层级关系

如果各级时钟不加补偿机制，则各级时钟会有偏差。如图7所示，此时全网时钟没有完全同步。

图7 网络同步的时间关系（未补偿前）

采用时钟补偿机制如下：0级网络节点广播0级时钟，1级网络节点收到0级时钟，及时修正自己的时钟，同时在随机时延后应答0级时钟，0级时钟接收到数据后，检测与0级时钟的偏差，广播发送1节点需要修正的偏差，使1级时钟和0级时钟没有偏差，1级时间同步完成。

1级和0级完成同步之后，按上述方法向下广播1级时钟，使2级时钟同步，以此类推，可使整个网络保持同步。全网同步以后，则可以区分是业务和公共控制信道，不会造成信道冲突情况。

时钟调整后的时序关系如图8所示。

2.4 系统仿真结果

针对上述组网搭建仿真环境，对组网的时延和丢包情况进行分析，具体分析结果如图9和图10所示：

图8 时钟调整后的时序关系

图9 不同组网方式的时延情况

图10 不同组网方式的丢包率情况

由此可以看出，随着节点数的增加，时延和丢包率在单信道、多信道组网的情况下都有所增加，这是因为节点密度增加后信道更加拥挤。但多信道协作的时延和丢包率明显低于单信道，这说明多信道协作方式在Ad hoc自组网上对QoS有较大的改善。

3 结论

通过本文分析可以看出，多信道组网较单信道在组网性能上有比较明显的优势，在移动自组网上具有很好的应用价值。

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余红明：工程师，毕业于西安电子科技大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事军用通信系统的研究与开发工作。

腾潢龙：高级工程师，毕业于北京理工大学计算机科学与工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事军用通信系统的研究与开发工作。

MAC Implementation of Ad Hoc Network Based on Multi-Channel Collaboration

YU Hong-ming, TENG Huang-long
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

An efficient MAC and network synchronization protocol based on Ad hoc multi-channel collaboration was introduced, which can increase common channel resource of network, reduce collision and enhance network throughput. It has better engineering application value.

Ad hoc multi-channel MAC

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.006

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0029-04

余红明,腾潢龙. 一种基于多信道协作的Ad hoc组网的MAC实现[J]. 移动通信, 2015,39(12): 29-32.

2015-04-07

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn