高士娟，谭同德，朱清超

(1.郑州工业应用技术学院 信息工程学院，河南 新郑 451100; 2.郑州大学 信息工程学院，郑州 451100;3.武警工程大学 信息工程学院，西安 710086)

0 引言

认知媒体接入控制协议(Cognitive Media Access Control, C-MAC)是IEEE工作组针对静态频谱分配算法中的频谱“白洞”问题[1]，于2005年提出的新型协议模型，以高吞吐量和信道利用率等优势，受到国内外学者的广泛关注，且协议正由中心控制网络向Ad Hoc类网络演进[2]。移动自组网(Mobile Ad Hoc NETwork, MANET)[3-4]作为后者的重要分支，其分布式、多跳、移动性、自组织等特点增强了网络的鲁棒性，于是C-MAC和MANET的结合便成为新的研究热点。

尽管二者在吞吐量等方面取得一定成效，但是协议本身存在收发器数多、单跳局限性、链路负载失衡、控制开销高等缺陷。文献[5-7]指出C-MAC协议可通过带内或带外控制信息的交换实现感知、共享等功能，分别对应以空间分割的公共控制信道(Common Control Channel, CCC)模型和以时间分割的双相模型(Double Phase model, DP)，前者至少配置两个射频装置用于控制信号和数据传输，节点能耗增加，生存周期降低，无法满足MANET移动性需求，而DP可有效缓解上述不足，但引入了传输时延。文献[2,8]指出现有C-MAC协议依赖接入点或基站等基础设施，与MANET节点分布式特点不符，并指出对于Ad Hoc类网络而言，可基于DP模型中的功率节省模式(Power Saving Mode, PSM)机制实现分布式感知操作，但存在同步、共享、能耗等诸多问题。文献[5,9]在分析了基于PSM机制的C-MAC协议模型中公共控制信道、数据结构、相关实现等基础上，指出信道预留开销、额外能耗等问题，并分析了单跳C-MAC协议对应信道空出时间(Channel Vacate Time, CVT)和信道开启时间(Channel Opening Time, COT)等性能指标，缺乏多跳考量。为改善控制开销、多跳等性能，Jeon等[10]以节点存储和计算资源为代价，实现了时延和控制开销的折中。针对上述问题，课题组同样进行了相关研究[11-13]，并指出多跳分析的关键在于节点之间可用信道数目的实时更新；移动性影响传输分组数量，与功率之间存在一定的数学关联，可用信道可维持时间表示，但信道协商和切换过程仍依赖多收发器，信道之间负载不均衡，且引入浮点型功率比特开销。

图1 C-MAC协议模型

鉴于以上研究，本文在PSM基础上，提出一种适用于MANET，可实现信道协作和数据传输功能的单收发器、分布式C-MAC协议优化模型。首先针对收发器限制问题，基于PSM机制，从时域实现C-MAC协议信道感知和数据传输功能的分离；其次对节点功率值进行格雷编码，降低浮点功率值引入的控制开销比特数；然后基于前期研究，优化信道感知和预留机制，并兼顾公平性，实现信道切换的优化，进一步改善信道负载均衡；最后实现了协议的仿真分析。结果表明，新协议在COT、CVT、吞吐量和信道利用率等方面均得到明显改善。

1 模型设计

本章针对收发器限制问题，基于PSM机制的不同时间窗口实现C-MAC协议信道感知和数据传输功能。在此基础上，为兼顾移动性和多跳性，定义信道信息字段，并通过功率参数的格雷编码降低浮点型控制开销。

1.1 单收发器C-MAC协议模型

为满足PSM工作需求，首先作如下假设：

1)所有节点包含n个带宽相同的可用信道，信道信息可通过检测分组能量获得；

2)节点配置一个半双工收发器，使得任意时刻仅可完成收发或监听功能，二者不可兼备；

3)收发器可自动切换信道，切换时延[14]低于224 μs；

4)节点之间已基于时间同步函数(Time Synchronization Function, TSF)算法[15]实现帧同步，确保正确恢复分组对应语义。

基于以上假设，可实现信道感知及交互，但节点配置单收发器，则信道感知和数据传输无法实现空间分离。而PSM机制可通过时间分割方式实现上述功能，因此可将面向MANET的单收发器分布式C-MAC协议优化模型的设计等价为PSM机制与控制信道和数据信道的对应关系，结果如图1所示。

图1(a)为C-MAC协议流程，不难看出，协议包含信道感知和数据传输两部分。前者基于PSM机制中ATIM(Announcement Traffic Indication Message)窗口实现节点信道状态信息的收集与共享，为可用信道选择提供数据基础，后者利用整个游标间隔实现信道预留及分组传输，即基于信道优先级选择可用信道传输分组直至通信完成，是协议的本质，因此当且仅当无数据传输时方执行信道感知。图1(b)为对应PSM具体实现，包含各功能分组及其对应PSM周期。换言之，ATIM窗口对应控制信道，传输信道感知及协商控制分组，所有节点在该周期内保持唤醒状态；DATA窗口对应数据信道，在此关注基于RTS(Ready to Send)/CTS(Clear to Send)/DATA/ACK(Acknowledgement)四次握手虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense, VCS)机制[14]的分组交换模式，为节省能量，仅收发节点保持唤醒状态，其他邻节点为假寐(Doze)模式。例如A与B交换数据，则A向B发送ATIM分组执行信道协商，B从本地列表择优选择信道通过ATIM-ACK帧向A确认，A随后通过该信道向B传输数据，并广播自定义ATIM-RES分组通知邻节点可用/释放信道。由于存在其他节点同时竞争该信道的概率，因而节点A通过RTS竞争预留信道，并广播预留时间，B利用CTS应答，二者竞争成功后执行DATA发送及ACK应答，以此循环，直至完成分组传输。节点C监听到A与B在此信道执行数据传输，则在ATIM窗口执行信道感知，在DATA窗口保持假寐。不难理解，该C-MAC协议基于时间分割实现了控制信道与数据信道的分离，摆脱了多收发器的依赖性；而且通过重定义ATIM/ATIM-ACK等分组中各字段的语义可实现多跳信道感知、协商和预留，避免引入额外字段，控制开销较低，在此侧重于数据传输机制的优化和实现。与现有协议模型相比，新协议的优势分为两点：一是数据传输过程采用VCS方式，可有效缓解多跳移动环境中的隐藏终端和暴露终端问题；二是增加了ATIM-RES分组，实现了邻节点之间信道忙闲状态信息的共享，进一步降低感知时延。

1.2 信道信息字段

节点之间信道信息的交互是确保分组成功传输的基础，其实现依赖于节点信道瞬时忙闲状态的存储及基于控制分组的信息共享。在此仍采用文献[12]中的信道字段定义，沿用CH_STk(i)、RN(i)、S(i)、Rk(i)、Hk(i)和φ(x)等符号表征可用信道，利用Tk(i)、Pkl(i)、Pkn(i)、Pm(i)和Pkt(i)等能量参数表征节点移动性。

在此基础上，由于信道可维持时间Tm为当前功率降低到接收功率阈值所需的时间。基于以上字段信息，节点可计算Tm值，并依降序对信道进行优先级排序，而后执行信道感知和数据传输。由于节点速度和信道参数具有时变性，Tm符合微积分特性，无疑引入计算时延。考虑到感知周期远小于数据收发时间，节点速度突变概率较低，该时间间隔内设为定值。由于接收功率与其正相关，同样可视为均匀变化。令感知周期Ts内功率变化率为定值P′(不同感知周期其值可不同)，若节点远离时，变化率为(Pkl(i)-Pkn(i))/Ts，反之为(Pkn(i)-Pkl(i))/Ts，即:

P′=|Pkl(i)-Pkn(i)|/Ts

(1)

当节点相互靠近时，Tm为当前功率达到最大功率并降低到阈值功率所需时间的总和，反之Tm等于当前功率降低到阈值功率所需的时间，即:

(2)

根据式(1)和式(2)可得Tm值，按照Tm降序对信道排序、过滤，则Tm越大信道中断概率越低，被选择的概率越高，从而避免信道选择的盲目性。

1.3 功率参数优化编码

若直接传输Tm值，将引入至少2 B浮点型控制开销，该值相对于分组大小而言不可忽略，需对其进一步处理，在此基于量化编码机制对其优化。量化规则规定如下：由于Tm小于分组传输时间即功率低于最小可传输功率Pmin时，分组已无法成功传输，(0,Pmin)区间内所有功率便毫无意义；反之较大功率区间均可满足传输需求，且其值越高，维持信道连接的时间越长，直至最大值Pmax。基于此，将功率值非均匀量化为7段，各区间内取中间值，并对其编码。鉴于安全性考虑，在此采用格雷编码[16]，各区间对应比特流如图2所示。

不难看出，功率位数降低到3 b，可分别用P1、P2、P3表示，则开销降低了80%，使得预留比特的使用及重定义成为可能，且接收端以此可确定Tm值并实现信道优先级排序。与此同时，量化误差同样不可避免，但隶属于物理层范畴，在此不作深入分析。

图2 功率参数编码结果

2 数据传输

2.1 信道协作

值得注意的是，对于MANET，其信道协作需考虑多条链路以及节点移动性，图3(a)所示拓扑对应多跳信道协作算法如图3(b)所示。根据算法流程，信道协商结果为A与E、E与F分别采用信道3和2执行分组传输。值得注意的是，若存在多个信道，可基于序号大小优先选择。通过该步骤，可实时更新节点信道字段信息，进一步实现优先级排序。

图3 信道协商示意图

2.2 信道切换优化设计

由于任意时刻存在多个节点成功竞争空闲信道，为降低碰撞概率，在此假定节点之间仍基于载波监听多址接入碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)机制[14,17]执行分组交换，但从图3(a)可知，MANET节点具有移动性，存在离开相互覆盖范围的可能，此时面临信道切换问题。同时在此期间其他节点空闲信道可用于分组转发，则信道列表更新势在必行，因此数据交换除完成DATA传输外，需完成额外两种功能：一是信道列表更新；二是空闲信道切换。对于前者，在信道监听空闲基础上，按照Tm降序排列插入到相应位置，如图4中信道5。对于后者，目前常用按序搜索，即优先查找高优先级信道，然后次之，以此类推，直至切换成功，如图4中信道4无法继续通信时，节点查找信道1，若忙碌，则查找信道3，以此类推，直至成功切换至信道5。

该查找方式可确保信道质量最优，但优先级越高信道使用频率越高，空闲概率越低，且其他信道使用频率较低，导致信道资源浪费，破坏信道使用公平性，同时引入查找时延。针对该问题，在此对其作简单修改，即从本次使用信道之后下一信道标号中选择满足Tm要求的信道进行切换：一则提高效率，二则减小信道负荷，三则简单易行。例如图4中信道4失效后，直接切换至按Tm排序后的信道5继续通信。

图4 信道切换示意图

3 性能分析

3.1 参数设置

假设节点为手持设备，对应中低速运动场景，速率限定为0～10 m/s，频率为300 Mb/s，分组传输速率为11 Mb/s。对于MANET而言，网络层选择动态源路由(Dynamic Source Routing, DSR)协议[18]，应用层选择恒定比特流(Constant Bit Rate, CBR)，竞争窗口(Contention Window, CW)初始化为最小值32。其他参数与IEEE工作组文档规范保持一致，具体参数设置如表1所示，并利用软件NS2[19]对协议各项性能指标进行仿真。

表1 仿真参数设置

3.2 性能分析

在多跳MANET中，C-MAC协议的性能包括两方面：一是节点之间的相互影响，在此仍沿用CVT和COT性能指标[20-21]；二是引入认知功能对MAC协议性能的提升，在此考虑吞吐量、控制开销和信道负载。网络控制开销与文献[12]基本相同，在此不作分析。以上性能指标均为随机变量，取其10次平均值，所需样本均基于NS2中trace文件获得。为更好地说明算法的优势，在此对比分析PSM机制和新协议(分别记为优化前和优化后)各项性能指标，所得结果如图5～8所示。

从图5可以看出，PSM和新协议中不同信道对应CVT略有差异，如前者信道1和信道8对应CVT平均值分别为110 ms和35 ms，后者对应值分别为102 ms和30 ms，CVT差值降低了13 ms，表明新协议对主用户(Primary User, PU)的影响进一步降低，且信道1对PU的影响高于信道8。产生该现象的原因很多，如PU产生的窗口时间(ATIM与DATA不同)，节点分组类型及大小(DATA分组大于ATIM分组)等。纵向而言，新协议中各信道CVT最大值和最小值差值低于PSM机制，协议性能得到改善。同理从图6可以看出新协议对应COT略优于PSM机制，如后者信道7和信道6平均值分别为60 ms和120 ms，而前者对应值分别为55 ms和105 ms，且二者波动范围略高于CVT。原因在于PU为授权用户，其优先级高于认知用户(Cognitive Radio, CR)，因此信道空闲时以PU为主，甚至牺牲CR性能指标确保PU信道可用性。

图5 平均CVT

图6 平均COT

从图7可以看出，整体而言，随着信道数目的增加，吞吐量整体递增，增幅越来越大；但并非线性增长，存在饱和上限值，达到平衡状态后保持不变，而且新协议吞吐量高于PSM机制对应值。原因在于随着仿真时间的增加，参与通信的节点逐渐增多，吞吐量随之增加；但达到网络饱和时，通信节点或分组数增加，伴随着碰撞概率和重传次数的增加，从而限制了吞吐量的继续增长，因此吞吐量基本保持不变。

图7 不同信道数对应吞吐量

对于信道负载时间，在此与文献[10]所得结果进行对比。从图8(a)可以看出，虽然原协议一定程度上提高了信道利用率，但负载仍集中于信道1、3、4、8，而其他信道空闲时间比例相对较高，信道负载时间差值达到150 s，导致信道分配不均衡，也是网络吞吐量受限的重要原因之一。而新协议(图8(b))引入了新的信道选择和切换规则，信道1～8的负载时间最大差值不超过50s，缓解了信道之间的分配不均衡，性能得到改善。

图8 改进前后各信道负载时间

4 结语

本文基于PSM机制中ATIM和DATA窗口对应的时间分割功能，面向MANET，提出一种单收发器、多跳、分布式C-MAC协议优化模型。在此基础上，对控制开销和信道负载均衡均进行了优化，并通过COT、CVT、吞吐量和信道负载等性能的仿真验证了协议的可行性。但仍存在问题尚得展开研究：一是节点行为(自私或恶意)对协议的影响；二是信道感知与物理感知的性能对比分析；三是多信道隐藏终端问题；四是节点能量对协议的影响。

[13] ZHU Q C, CHEN J, LIU M F, et al. Design and implementation of distributed cognitive medium access control protocol for multi-hop mobile Ad Hoc network [C]// Proceedings of the 2017 2nd International Conference on Computer Engineering, Information Science and Application Technology. Paris: Atlantis Press, 2017: 44-56.

[14] EASTLAKE D Ⅲ, ABLEY J. IANA considerations and IETF protocol and documentation usage for IEEE 802 parameters: RFC7042 [EB/OL]. [2013- 10- 01]. http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc7042.txt.

[15] MAHMOOD A, EXEL R, SAUTER T. Performance of IEEE 802.11’s timing advertisement against syncTSF for wireless clock synchronization [J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2017, 13(1): 370-379.

[16] AGRELL E, LASSING J, STROM E G, et al. Gray coding for multilevel constellations in Gaussian noise [J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2007, 53(1): 224-235.

[17] EASTLAKE D Ⅲ. IANA considerations and IETF protocol usage for IEEE 802 parameters: RFC5342 [EB/OL].[2008- 09- 01]. http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc5342.txt.

[18] MISTRY H P, MISTRY N H. A survey: use of ACO on AODV & DSR routing protocols in MANET [C]// Proceedings of the 2015 International Conference on Innovations in Information, Embedded and Communication System. Piscataway, NJ: IEEE, 2015: 1-6.

[19] CHUNG J, CLAYPOOL M. NS by example [M/OL]. [2015- 06- 10]. http://nile.wpi.edu/NS/.

[20] FAKHRUDEEN A M, ALANI O Y. Identification as a deterrent for security enhancement in cognitive radio networks [J]. IET Networks, 2017, 6(6): 193-202.

[21] TAYEL A F, RABIA S I. A new probabilistic target channel selection approach for load balancing in cognitive radio networks [J]. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 2018, 4(1): 43-52.