一种应用于分布式网络的新型私有多信道ＵＷＢ　ＭＡＣ协议设计|信道

　　摘要：目前，单信道MAC协议在网络负载较重时的冲突和退避，造成信道带宽浪费而使得协议效率不高。本文主要针对UWB应用在无线个域网络中的特定场景，提出了一种新的应用于分布式网络的私有多信道UWB MAC协议,既可以解决隐藏终端和暴露终端问题，又可以有效地分配信道资源，提高网络性能。
　　关键词：私有多信道；接入策略； MAC； UWB
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31599-02
　　A New Application of Distributed Network of Private Multi-channel UWB MAC Protocol Design
　　XIAO Zhi-hong,WU Yao-hui
　　(Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,Chian)
　　Abstract: At present, there have conflict and withdraw when the network load is heavy in the single-channel MAC protocol. This article proposed a design for new private multi-channel UWB MAC protocol applied distributed network in the background of UWB applied in wireless local network in this paper. This protocol nor only solve the hidden terminal and exposed terminal, but also distribute channels effectively and improve network performance.
　　Key words: Private Multi-Channel；Access Strategy；MAC；UWB
　　
　　1 引言
　　
　　目前,单信道MAC协议在网络负载较重时的冲突和退避,造成信道带宽浪费而使得协议效率不高。因此,把信道进行逻辑划分可以更好地避免冲突,提高协议效率。理论和仿真都证明双信道协议效率要高于单信道协议,并且可以彻底解决暴露终端问题。同时,各种扩频技术(DSSS, FHSS等)的成熟,将带宽从逻辑上分为多个信道,每一个信道用一个码字进行标识。如果信道数目相对于网络规模足够多,可以给每一对需要通信的节点分配一个信道来进行通信,从而减少冲突,提高网络吞吐量和协议效率。
　　但这种多信道划分方式并不是资源分配的最优方式,它会在一定程度上造成资源的巨大浪费。在无线个域网络中,各个终端节点存储和计算能力普遍较低,信道特性变化非常复杂,要灵活实现高质量服务将增加MAC层协议设计难度,所以MAC协议设计应充分发挥UWB物理层特性,克服高速率、低功耗等带来的复杂性。
　　
　　2 网络拓扑结构
　　
　　考虑在一个UWB微微网内部,用户数一般不超过10个,随机分布于网络中某一区域,以固定通信半径R互相通信。各个节点仅有一部收发信机,按照协议设计的多信道方式工作。
　　在网络建立之初,需要做初始化工作。初始化阶段,各个节点进入网络之后,会周期性广播自己所选用的码字信息。码字的生成不仅跟码多项式有关,还跟节点设备号及网络ID号有关,因此每一个用户所选择的码字都是唯一的。各节点所选码字加上节点其他相关信息作为网络内部的一个ID号对节点进行标识。广播信道是全0码字信道或是全1码字信道,这样就可以和网络建立之后所使用的其他码字信道区分开来。每个节点加入网络后,都会在广播信道上进行搜寻,获取网络初始化的相关信息。因此网络中各个节点可以接收到其他节点的MAC ID信息,即包含有其他节点所选用的码字信息,保存在各自MAC控制缓冲区内。网络建立之后,若有新节点加入,也会重复搜索过程,直到获取网络内部各个节点相关信息。各个节点处于空闲状态时,周期性地在广播信道上进行搜索,更新自己网络内部相关信息。
　　在接入过程设计中,假设网络初始化结束时,各个节点都已获得同一MAC区域内其他节点MAC ID信息。协议接入过程的描述都是建立在这一假设的基础之上。
　　
　　3 接入策略分析
　　
　　整个协议设计的目的就是在异步分布式网络结构中,当每一个微微网内部用户数较少时,用码字来区分用户和信道,达到多信道多对节点同时通信的目的。在这个协议中,信道的分配是基于接收节点的,理论和仿真结果证明基于接收节点的分配会更加有效,而且这种信道分配只有在有通信请求时才会在发送和接收节点之间进行。
　　如图1所示,当B节点需要跟A节点进行通信时,B节点在A节点私有码字(Code (A))信道发送一个请求信息,A节点收到此请求信息后,在B节点私有码字(Code ( B ) )信道回应回复信息,并告诉B节点数据信息传送的码字信息(Code (A-B))。 B节点和A节点在双方指定的码字信息(Code CA-B))信道进行数据传输。此时当有其他节点需要通信时,过程类似于A, B之间的通信过程,在各自私有码字信道进行协商,然后指定其他空闲码字信道进行数据传输,这样网络中就可以实现多对节点同时通信而不互相干扰。当然,协议没有采用载波侦听机制,其他节点可能不知道A节点正在通信。当有C节点需要向A节点通信时,它会在A节点私有码字(Code ( A ) )信道发送一个请求信息,可能在A节点产生冲突。此时,A节点也不能正确接收B节点数据信息,向B节点回送一个没有正确收到数据的信息NACK,而对于C节点的请求信息不会做任何处理。B节点收到NACK后,启动重传机制开始数据信息的重传,C节点等待一段时间后没有收到A节点的回复信息,自动退避一段时间,然后重新发起通信请求。
　　采用私有码字信道传输请求信息、回复信息及确认信息,进一步降低了碰撞冲突概率。由于采用网络ID号来区分不同微微网,因此在此协议中只考虑10个用户的情况,降低了设计的难度,但是增加了网络在初始化过程中相关信息传输,一定程度上增加了网络开销。
　　协议程序实现流程图如图2所示。
　　图1 协议流程图
　　图2 程序实现流程图
　　
　　4 仿真结果
　　
　　4.1 理想状态MAC层仿真结果
　　考虑在一个UWB微微网内部,各个用户节点随机分布在一个MAC区域内,都可以进行直接通信。由于一个微微网内部用户节点数目相对较少(如10个),总可以找到一组正交码字满足通信要求,因此在本协议中可以认为信道资源是理想的。假设所有控制信息(包括请求信息,回复信息和确认信息)的包长固定(如200bits ),控制信息的传送速率为网络可提供速率的最小值Rn。在协议仿真过程中,为了方便比较,其他协议所采用的相关参数与上述参数取值相同。
　　在仿真过程中,假设业务到达服从参数为兄的泊松分布,用户数UserNum=10;数据包长PacketLength=1024x8bits,控制信息的包长ControlLength =200bits。网络可以提供的数据速率有[50, 110, 200, 480 7 Mbps四种可供选择,数据传送随机选择速率,这样可以模拟实际网络在MAC层加入数据速率控制机制后选取传输数据速率的功能。如果信道不理想或者是其他冲突导致数据包在接收端没有正确接收,则采用重传机制:而其他各个相应冲突节点进行退避,采用的退避算法是二进制指数退避算法。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　从图3、4中可以看出,采用本文提出的私有多信道UWB MAC协议后,在ad hoc网络场景下,吞吐量一直保持在一个比较理想的水平,成功传输包数与仿真发送包数相比,可以达到87%以上,且网络时延没有持续增加。若考虑本协议应用最恶劣的情况,网络中仅有一个码字信道可以提供数据通信,网络的吞吐量虽然下降,但仍然可以达到65%左右,时延也没有大幅度增加,说明协议具有一定的健壮性。
　　图3 业务量-吞吐量仿真结果比较
　　图4 业务量一时延仿真结果比较
　　通过与其他几个经典无线网络MAC协议比较,使用相同的网络环境和设置,统计量采用相同的量纲,可以看出本文提出的私有多信道UWB MAC协议性能要优越,特别是网络负载较重的情况,大量数据需要传输时,这种协议所体现的性能仍然非常好,成功传输包数比其他几种协议多。这主要是因为信道资源进行私有化码字设计之后,相对非常充足,只要通信双方节点都处于空闲状态就可以并发进行通信;而其他几种协议都只允许网内有且仅有一对节点相互通信。
　　此协议与其他多信道协议的最大不同在于私有化节点的协商控制信道(包括请求信道、回复信道和确认信道)。当有多对节点需要同时进行通信时,若采用其他多信道协议,节点需要在某一控制信道上进行协商,此时可能产生冲突而使节点无法获取空闲数据信道资源进行通信,浪费了系统资源。而采用本文提出的私有多信道UWB MAC协议,各个节点通过获得私有控制信道码字,同时进行通信协商时不会产生互相干扰,最大可能地降低了冲突概率,提高了系统性能。
　　4.2 MAC/PHY联合仿真结果
　　仿真条件如下表;
　　表1 联合仿真条件参数设置
　　由于联合仿真数据量相当大,一般微机很难处理。因此对数据包长和仿真进行了简化处理,因此得到的仿真结果只能认为是近似解。另外,由于所用的码字仅仅是16位的walsh码,其性能并不是最好的,因此整个仿真结果只能从大体趋势上反映协议的性能。若改善仿真条件,将会得到更加精确的结果。
　　仿真结果纵坐标是成功传送的概率,横坐标是单位时间节点产生的包数(反应全网总业务量)。可以看出这种新型的UWB MAC协议能够达到很好的性能,成功传送的概率非常高,因此网络的吞吐量也将比较好,也进一步验证了上一小节MAC层仿真结果。
　　
　　6 小结
　　
　　本章提出了一种新型私有多信道UWB MAC协议,利用码字在逻辑上划分多个信道,且通过码字与用户节点某些特定信息相联系,私有化了各个节点的控制信道和业务信道,进一步降低了系统碰撞的可能性,提高了系统吞吐量性能。并且,多信道划分从根本上解决了无线网络中隐藏终端和暴露终端问题。各个节点
　　对于此新型的UWB MAC协议,下一步要做的工作是完善其接入策略,设计网络初始化所需要的步骤及工作,去掉一些理想的假设条件。
　　
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　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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