基于CRAHN网络的MAC层竞争时段帧突发机制的研究

殷毓伟

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

摘要：近年来，关于无线电Ad Hoc网络(Cognitive Radio Ad Hoc Networks,CRAHN)接入的研究较多。该文研究了基于竞争型(CP)和时隙分配型(CFP)两种机制混合的混合型MAC层接入机制，在EDCA机制的前提下，给出了在CP时段的帧突发机制（Frame Bursting EDCA，FEDCA），通过仿真验证了所提基于帧突发机制的FEDCA算法的优越性。该算法可提高系统性能，尤其是音频业务的QoS性能。

0引言

CRAHN网络（认知无线电Ad Hoc网络）［1］结合了自组织网络和认知无线电的特征，可广泛应用于没有基础设施的场景，如环境恶劣的山区、救灾、军事等领域［1］。其利用TV频段的空白来缓解频谱紧张的问题。这种网络形态可以作为现有通信网络系统的补充，弥补基础设施易毁性和满足无线业务对频谱资源的渴求性［2］。

Ad Hoc网络的MAC协议按照信道访问策略划分为三类［3］：竞争协议(CP)、时隙分配协议(CFP)、混合协议。其中混合MAC协议是指竞争协议和时隙分配协议的综合，它能综合竞争协议和时隙分配协议的优点，在传输负载较轻时体现出竞争协议的优点，在传输负载较重时体现出时隙分配协议的优点。

1相关概念

本文场景是CRAHN网络，设计了一种多信道分级分簇混合接入机制的网络结构。文中研究的重点是改进的混合型MAC接入机制，用以提高实时性业务的QoS和多用户间多业务通信。当业务量较大时，尤其是实时性要求较高的音频业务帧较多时，若全部通过CFP时段传输，由于CFP时段时隙总长度固定，存在瓶颈，故需要在CP时段传输音频业务帧。这就要求要有CP时段保障音频业务帧QoS的接入机制和节点高速移动时网络中出现大量多跳和隐藏终端问题的解决方案。本文在研究了EDCA机制的前提下，给出了在CP时段的帧突发机制（Frame Bursting EDCA，FEDCA）。FEDCA旨在改善所提混合型MAC协议的音频帧的QoS性能。

2帧突发机制

2.1IEEE 802.11e中EDCA机制

IEEE 802.11e中的EDCA机制是基于分布式协调功能(DCF)机制提出的改进型竞争机制。标准的EDCA［4］机制中采用RTS/CTS机制解决隐藏终端问题，MAC层机制在数据帧连发时，只需要在第一帧前发送一次RTS和CTS帧［5］，而不需要每次都发送RTS/CTS帧。若数据接收成功后，接收端返回一个ACK帧；若RTS帧发生冲突，发射端立即将当期竞争窗口增大一倍，随机选择一个退避时间进行退避，退避结束后，开始重新发送RTS帧，竞争信道。标准的EDCA能很好地解决数据包相对大的数据业务，但是对于当传输实时短数据音频业务时，其QoS就得不到保障，时延及时延抖动较大，丢包率也明显增加。

2.2CP时段改进的F-EDCA机制

本文在标准EDCA的基础上进行改进，提出F-EDCA机制，当实时短数据音频业务的节点需要传输时，先采用标准的RTS/CTS方法竞争接入信道，当获得访问权限时，此后直到数据传输结束，不再启用RTS/CTS过程，而是不间断地发送N个短帧。在通信范围内的其他节点在源节点发送N个短帧的过程中，始终被告知应该处于等待状态，优先让这N个短帧发送结束，才能重新加入竞争信道［6］。

详细工作流程如下：RTS帧中携带的持续时间字段（Duration）保留有源节点要竞争信道的信息，利用Duration也能实现虚拟监测的功能。目的节点收到源节点发送的RTS，等待SIFS时间后，修改确认帧CTS含有的Duration，并发送CTS帧。其他节点持续监听MAC帧中的Duration［7］，当Duration的值大于本节点的网络分配矢量NAV时，则将Duration的值赋给本节点的NAV。如上所述，数据开始传输时，源节点持续发送N个短MAC帧，其他节点递减其NAV，直至NAV=0，收到短MAC帧时，目的节点也会相应地发出ACK确认帧。当NAV=0时，其余节点才会恢复竞争信道过程［8］。

3算法的设计

对FEDCA机制的算法设计主要是从源节点、目的节点、其他节点的详细处理过程入手。

（1）源节点的处理过程

当源节点有实时音频业务帧要发送时，先采用RTS/CTS方式进行信道预约［9］。发送RTS帧前，需要计算源节点中高优先级的音频业务帧的数量Vnum。表示此次信道预约的总时间Duration字段值按照如下规则设定：

当1≤Vnum<N时，RTS帧含有的Duration字段的Tduration为：

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×Vnum)+Vnum×(SIFS+TACK+Tdata)（1）

其中，Tprop为传播时延，TCTS和TACK为CTS帧和ACK帧的传输时延，Tdata为数据包的传输时延。

当Vnum>N时，RTS帧含有的Duration字段的Tduration为：

Tduration=TCTS+2(SIFS+Tprop×N)+N×(SIFS+TACK+Tdata)（2）

源节点预约信道成功后，连续发出Vnum个音频业务帧，每完成一次音频业务帧传输，源节点会收到目的节点返回的ACK帧，然后才进行下一个音频业务帧的传输，这时Duration字段的值为：

Tduration=TACK+SIFS+2×(Vnum－1)+(Vnum－1)×(TACK+Tdata+SIFS)（3）

（2）目的节点的处理过程

目的节点收到源节点发送来的RTS帧后，返回一个确认帧CTS，并根据RTS中Duration的值修改CTS中Duration的值：

TCTS_duration=TRTS_duration－(TCTS+SIFS)（4）

其中，TCTS为传送一个CTS帧需要的时间，TRTS_duration为RTS帧中含有的Duration值。

音频业务帧传输过程中，发送的ACK帧里面含有的Duration值为：

TACK_duration=TData_duration－(TACK+SIFS)（5）

其中，TACK为传送一个ACK帧需要的时间，TData_duration则是音频业务帧的Duration值。目的节点会依据接收到的帧中的Duration值来更新自身的NAV值。

（3）其余节点的处理过程

其余节点的处理较为简单，只需要依据接收到的ACK确认帧和音频业务帧中的Duration帧，来更新自身NAV的值，当NAV=0时，重新开始竞争信道。

4仿真结果与分析

用MATLAB仿真实现对MAC协议的评估。假设每个工作节点机的通信距离为半径50 000 m，场景有80个工作节点机随机分布在20 000 m×20 000 m的平面范围内，每个超帧周期为80 ms。

4.1节点相对静止时的通信仿真

假设节点速度很慢或者需要通信的节点相对静止，为了不考虑隐藏终端的影响，本仿真验证只考虑单跳情况。仿真中设定的数据帧为实时性音频业务帧，分别对标准EDCA［10］机制（正常使用RTS/CTS机制）、不使用RTS/CTS情况下的EDCA机制和本文所提的FEDCA机制这三种情况的时延和时延抖动进行QoS性能评估。比较结果如图1、图2所示。

由图1可以看出，当音频业务流数变多时，三种机制的时延都递增，且FEDCA始终是三种机制中时延最小的一个，当音频业务流数大于9时，标准EDCA和noRTSEDCA的时延都急剧增加，且标准EDCA的时延开始明显大于noRTSEDCA［11］，但是FEDCA的时延增加得仍然比较缓慢，FEDCA平均时延比标准EDCA和noRTSEDCA的平均时延减少了36%左右。因而看出FEDCA很好地降低了音频业务帧的时延。

由图2可知，三种机制时延抖动都是随着音频业务流数递增而递增［12］，但是FEDCA的时延抖动相对标准EDCA和noRTS-EDCA都较低，当音频业务流数大于15时，标准EDCA和noRTSEDCA的时延抖动都急剧增加，但是F-EDCA的时延抖动增加得仍然比较缓慢。此外当音频业务流数大于16时［13］，标准EDCA和noRTS-EDCA的时延抖动开始超出音频业务时延抖动的指标要求，而F-EDCA的时延抖动始终小于1 ms，符合时延抖动的指标要求。因而看出F-EDCA很好地降低了音频业务帧的时延抖动［14］。

图3音频业务的丢包率图3是对音频业务的丢包率的分析情况。由图可以看出，当音频业务流数增加时，三种机制的丢包率都递增，F-EDCA的音频业务流丢包率明显低于标准EDCA和noRT-EDCA。随着音频业务流的增加，标准EDCA和noRTSEDCA音频业务的丢包率急剧增加，而F-EDCA的音频业务流丢包率增加得极为缓慢，且都小于0.7%［15］，符合音频业务丢包率的指标。因为在FEDCA机制中，预约信道成功后，在发送多个音频业务帧期间，其他节点被告知停留在等待状态，不会再参与信道竞争，故音频业务帧不容易丢包。

综上所述，FEDCA机制在速度较慢或者相对静止情况下，很好地保障了音频业务的QoS，降低了丢包率、时延抖动、平均时延。

4.2节点移动时的通信仿真

节点仍然处于20 000 m×20 000 m的平面范围内移动，设置了8个节点，移动速度分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s和40 m/s，设置8条音频业务帧进行仿真，进行10次仿真取其平均值。使用标准EDCA、AEDCA（自适应EDCA）和FEDCA机制进行比较。如图4、图5所示。

由图4可以看出，当节点移动速度增加时，F-EDCA的时延始终低于标准EDCA和A-EDCA，且平均时延都递增，F-EDCA的时延增加得比较缓慢，明显好于标准EDCA和A-EDCA，F-EDCA平均时延比标准EDCA和A-EDCA的平均时延减少了45%左右。因而得出F-EDCA很好地降低了音频业务帧的时延。

由图5可以看出，当节点移动速度增加时，三种机制的时延抖动都递增，但是F-EDCA的时延抖动始终低于标准EDCA和A-EDCA，F-EDCA的时延抖动增加得比较缓慢，明显好于标准EDCA和A-EDCA。F-EDCA的时延抖动比标准EDCA和A-EDCA减少了39%左右，且F-EDCA的时延抖动始终小于1 ms。因而得出F-EDCA音频业务帧的时延抖动降低很多。

综上所述，F-EDCA机制在节点移动情况下，也很好地保障了音频业务的QoS，降低了时延抖动、平均时延。

5结束语

本文对多信道分级分簇混合接入机制的CRAHN网络的CP时段进行了研究，提出了改进型FEDCA(突发帧)接入机制，方案简单高效，解决了节点移动或者网络负载较大时音频业务的Qos恶化情况，有效地保障了音频业务的Qos性能。仿真结果表明，无论节点在相对静止还是运动的情况下，都很好地保障了音频业务的Qos，降低了时延抖动、平均时延，证实了所提方案的优越性。

参考文献

［1］ 曾桂根. 认知无线电 Ad Hoc 网络接入技术研究［D］.南京：南京邮电大学, 2012.

［2］ 李瑾,刘玉清,袁红，等.资源受限的Ad hoc网络中节点协作激励机制研究［J］.微型机与应用,2014,33(16):4244.

［3］ 罗颖,林茂松,江虹，等.基于Ad Hoc网络的TCP增强算法研究［J］.电子技术应用,2014,40(5):97100,107.

［4］ DOMENICO A D, STRINATI E C, BENEDETTO M D. A survey on MAC strategies for cognitive radio networks［J］. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2012, 14(1): 2144.

［5］ KRUNZ M, MANZI D. Channel access and traffic control for dynamicspectrum networks with singletransmit, dualreceive radios［J］. Computer Communications, 2011, 34(8): 935947.

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［7］ WANG M, CI L, ZHAN P, et al. Multichannel MAC protocols in wireless ad hoc and sensor networks［C］.Computing, Communication, Control, and Management, 2008 ISECS International Colloquium on. IEEE, 2008: 562566.

［8］ KONDAREDDY Y R, AGRAWAL P. Synchronized MAC protocol for multihop cognitive radio networks［C］.Communications, 2008. ICC'08. IEEE International Conference on. IEEE, 2008: 31983202.