动态时隙控制的双概率随机多址接入ad hoc网络MAC协议分析

李春芬，赵东风，丁洪伟，赵一帆

（云南大学 通信工程系，云南 昆明 650091）

1 引言

随着无线通信网络的快速发展，以ad hoc网络为代表性的典型系统，在移动性、自组织性、多业务服务、高可靠性等方面都有了较大发展。通信终端与数据处理技术的融合，以及低成本、低功耗的终端设备越来越广泛的应用，促进了对ad hoc网络的研究[1～5]。用户多业务的需求和传输控制中的QoS要求，也促进了对其MAC层的控制策略和协议的研究[6,7]。作为经典的CSMA/CA系列控制协议[8]，也为开展多通道的随机多址接入控制协议的研究奠定了良好的基础。

本文针对ad hoc网络的特性，提出了一种动态时隙控制的双概率随机多址接入MAC（DSTPMA）协议。用户终端以p1概率侦测空闲信道，以p2概率检测忙信道，并在发送状态调整时隙定位后接入信道发送信息分组。本文采用文献[9，10]中的平均周期分析方法，对 DSTPMA控制协议进行建模分析，给出了的系统吞吐量和分析结果。

2 动态时隙式控制的双概率随机多址接入协议描述

在ad hoc网络中设置N条信道(i = 1,2,… ,N )，为简化计算，用户终端也设置有N类服务业务(m=1,2,…,N)，并假定序号大的服务业务其优先级越高。每类业务的到达过程均服从Poisson分布，i(i=1,2,…,N)信道上到达的Poisson信息流的到达率为Gi。系统控制时钟以网络覆盖范围的最大时延a作为基本时间单位，归一化的信息分组长度为单位时间长度，并且为a的整数倍。当某个用户终端要发送第m类业务的信息分组时，则依秩序侦测i(i=1,2,…,m)条信道，若发现空闲信道就以p1概率发送，以1-p1概率放弃发送，发信终端放弃发送后随机后退一个时间段，再次启动侦测信道的程序；若用户终端侦测信道为忙时，则以p2概率继续检测信道，以1-p2概率放弃检测信道，发信终端放弃检测信道后随机后退一个时间段，再次启动侦测信道的程序。若某个发信用户终端是在时间段内到达，则发送信息分组的时间规定在时刻；若发信用户终端是在时间段内到达，则发送信息分组的时间规定在na+a时刻。另外，由于发信用户终端是以概率接入信道，接入信道后发送信息分组也会发生分组碰撞，碰撞的信息分组即为发送失败，该用户终端随机后退一个时间段后再次侦测信道，并重复信息分组的发送程序，直到成功发送信息分组为止。

采用上述动态时隙控制的双概率随机多址接入MAC协议，在所接入的信道中有3种随机事件发生：信息分组发送成功的事件(U)、信息分组发生碰撞的事件(B)以及信道空闲的事件(I)。本文采用文献[9，10]中的分析方法，将3种随机事件划分为空闲事件和信息分组发送成功或发生碰撞的复合事件，则信道上出现的随机事件就为(I, BU)。第i(i=1,2,…,N)条信道上发送信息分组的随机过程如图1所示。

根据DSTPMA协议的控制过程，可建立在一个循环期(BU, I)中随机变量NBU与NI的联合概率分布。

3 动态时隙式控制的双概率随机多址接入协议的吞吐量分析

定理1 DSTPMA控制协议的系统吞吐量为

证明 首先计算E(Ui)。

由式(1)可得：

由于E(NBU)=E(NB)+E(NU)，则有：

再由式(1)可得：

图1 DSTPMA协议中第i条通道中信息分组发送过程

再由式(1)计算E(B Ui)。

则有：

最后由式(1)计算E(Ii)。

由于动态时隙调整，在最后一个空闲时隙中调整和不调整的概率同是，则平均调整时间为

则有：

由于系统中各信道负载均衡，即 G1=G2=…= Gi= … = GN=G ，根据以上分析得到：

4 实验仿真与分析

在以上分析结果的基础上，对DSTPMA控制协议进行仿真实验，实验采用MATLAB7.0软件工具。在仿真实验中选取归一化网络时延a=0.1，信息分组长度为单位时间，信道数为4，业务优先级为4。

图2是在选取 p1= 0.0958, p2=0.086 0的概率参数下 DSTPMA控制协议与文献[11]中的时隙式二维概率型CSMA（STPMCMA）控制协议和连续时间二维概率型CSMA（TPMCMA）控制协议的性能对比分析；图3是在选取 p1= 0.9, p2=0.0893的概率参数下DSTPMA控制协议与STPMCMA控制协议和TPMCMA控制协议的性能对比分析。图4～图12是在选取不同的p1、p2概率参数下对DSTPMA控制协议的仿真实验结果，给出了各优先级业务的吞吐量的S-G变化曲线。

从仿真实验的结果中可以得出如下结果。

图2 DSTPMA控制协议与时隙式及连续型二维概率CSMA吞吐量比较（ p1=0.0958, p2=0.086 0）

图3 DSTPMA控制协议与时隙式及连续型二维概率CSMA吞吐量比较（ p1= 0 .9, p2=0.0893）

图4 p1=0.0958, p2=0

图5 p1=0.0958, p2=0.086 0

图6 p1=0.4671, p2=0

图7 p1=0.0958, p2=1

图8 p1=0.3737, p2=0.086 0

图9 p1=0.4671, p2=1

图10 p1=0.4671, p2=0.0860

图11 p1= 0 .6, p2=0.0893

图12 p1= 0 .9, p2=0.0893

如图4～图12所示，DSTPMA控制协议在p1∈ [ 0.0958,0.9432]、 p2∈ [ 0.086 0,0.0893]的取值范围，系统会获得较大的吞吐量特性。当系统负载轻负时，选择较大的p1、p2值，以减少用户终端接入信道的时间，提高系统的吞吐量；当系统负载较重时，选择较小的p1、p2值，减小用户终端接入信道时的碰撞，提高发送信息分组的成功概率。还有，当系统负载轻负时增大p1、p2值，可以使得系统吞吐量的曲线提升较快；而当系统负载较重时减小p1、p2值，可以使得系统吞吐量的曲线下降变缓，维持系统的较高吞吐量，同时也可改善系统的稳定性。

如图2和图3所示，在轻负载时DSTPMA的吞吐量与TPMCMA和STPMCMA的吞吐量基本相同，但在重负载时则明显优于 TPMCMA和STPMCMA的值。这是由于DSTPMA采用了动态时隙控制技术，减少了发送信息分组的等待时间，从而提高了信道的利用率。有关动态时隙控制方法，可以将划分改为，在求极限值的情况下，可进一步减小E(Ij)均值，提高系统的吞吐量。

5 结束语

针对ad hoc网络，本文提出的动态时隙控制的双概率随机多址接入MAC协议，采用双概率随机多址接入控制策略，根据系统负载的大小选取合适的p1、p2概率值，使系统在不同的负载情况下均有较好的QoS性能指标。本文中提出的动态时隙控制方法，使用户终端接入信道的时间缩短，这对系统的性能改进也是有效的。理论分析结果与仿真实验结果一致，分析方法有效，所提出的控制策略是有意义的[12,13]。

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