一种跳预约多址接入协议的Qualnet仿真

许凤扬，贾连祥，马 鑫，李海源，瞿力扬

（1.73687部队;2.66287部队;3.61541部队;4.61401部队;5.72506部队）

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳临时性自组织系统［1］，网络同时具备移动通信和计算机网络特点，可以实现移动的计算机通信和数据收发。Ad Hoc网络具有无中心、自组织、多跳协作、抗毁性强、易于快速部署等优点，在临时组网通信、车载Ad Hoc通信、军事通信、灾难救援中具有广阔的应用前景。

信道接入控制（Media Access Control，MAC）协议控制节点接入无线信道，解决无线信道中潜在的竞争和冲突，对Ad Hoc网络的性能起着决定性的作用，一直是研究的重点之一。随着无线终端技术的发展，通过信道切换、配置多天线等方式可以很容易实现多信道通信，多信道MAC协议成为Ad Hoc网络研究的新热点。根据控制方式的不同，现有的Ad Hoc网络多址接入协议可以分为专用控制信道协议［2］、基于模式分裂的多址协议［3］、基于多汇合点的协议［4］和跳预约多址接入协议［5］。由于无线通信的开放性，容易受到人为和非人为的干扰和破坏，对网络安全构成了严重的威胁。

在网络协议设计中，性能仿真比较是验证协议完善性、优越性的重要环节。本文利用网络仿真软件Qualnet对可变时隙跳预约多址接入协议（Variable Slot Hop-Reservation Multiple Access，VS-HRMA）［6］进行仿真，对该协议在 Qualnet软件中的实现原理进行了详细的介绍，并通过与现有MAC协议的仿真比较，对协议的优越性进行了评估。文章第2节介绍了VS-HRMA协议，第3节介绍了在Qualnet中加入VS-HRMA协议的方法，第4节给出了仿真结果，最后进行了小结。

1VS-HRMA协议介绍

VS-HRMA是一种跳预约多信道接入协议，是建立在高速跳频基础上的多信道多址接入机制。协议将网络中的可用频率按照跳频组网原理组成一个跳频图案，得到N个跳频信道，其中一个作为公共信道，其余作为数据信道。所有信道的第一个时隙均为同步时隙，在该时隙内，节点回到f0收发同步信标。节点平时在公共信道上转换频率，需要通信时通过RTS/CTS握手预约数据信道，每次成功预约数据信道后能够使用的时间为一个跳频周期。协议帧机构如图1所示。

图1VS-HRMA协议

2 VS-HRMA协议在Qualnet软件中的实现

2.1 Qualnet软件简介

Qualnet是一种仿真速度快、扩展性和保真度都极强的新一代网络仿真系统［7］。Qualnet软件使用与TCP/IP网络协议栈相同的分层架构，数据传送的仿真，在发送节点上从应用层传送到物理层，到达目标节点时，从物理层相应地传送到应用层。Qualnet分层协议栈如图2所示。

图2 Qualnet分层协议栈

Qualnet支持常见的各层协议，MAC层协议包括802.1、CSMA、Aloha等，为仿真和代码开发提供了参考和对比的基础。此外，与常见的其它网络仿真软件如OPNET、NS2相比，它在无线信道建模和仿真速度等方面均有明显的优势，是Ad Hoc网络仿真的首选工具。此外，Qualnet软件内置了许多现有的网络协议，并且添加新协议十分简便，因此，本文选用Qualnet软件对VS-HRMA协议进行仿真。

2.2 VS-HRMA协议在Qualnet中的实现

Qualnet软件中的无线网络协议栈，除了相应的接口外，都是相对独立的代码，添加新协议时，只需按照接口要求，编写代码并重新编译即可。为了仿真VS-HRMA协议的性能，在分析协议主要操作特点的基础上，给出了协议实现的有限状态机，如图3所示。

网络中所有的信道均为跳频序列，其中公共跳频序列作为控制信道，所有节点均知道该序列。节点的同步由网络初始化负责，所有的状态切换均在时隙开始时刻进行，以避免状态和信道切换的混乱。

初始化以后，节点获得同步，并处于空闲状态（Idle），在公共控制信道序列上同步跳转;如果有数据发送，则在下一个时隙开始公共信道序列的当前信道;如果侦听到广播消息或者其他节点的预约消息RTS，则退避随机个时隙重新决定是否侦听;如果侦听到信道空闲，则发送RTS，并在公共跳频序列上等待回复，超时还没有收到CTS消息，则进入退避状态（目标节点此时可能正忙或RTS碰撞）;如果收到CTS，则在下一个时隙开始时切换到目标节点选择的数据信道序列上收发数据消息;处于空闲状态的节点收到RTS消息之后，如果没有正在与其他节点通信，则恢复CTS消息，并进入等待数据状态，收到数据消息之后回复ACK。

为了仿真VS-HRMA协议的性能，参照原有协议代码特点，编写了mac_vs-hrma.cpp和mac_vs-hrma.h两个文件实现状态机中描述的协议功能。

图4 仿真场景

图5 仿真结果

图3 VS-HRMA协议状态机

3 仿真设置与结果

为了检验隐终端和暴露终端以及业务之间的相互影响，我们选用了图4所示的场景进行仿真。

仿真网络的应用层采用CBR业务，报文大小512字节，路由层采用常用的DSR协议，物理层信道采用802.11协议的物理层。MAC层方面，在2.4 Ghz频段随机选取16相隔50 M的频点，按照正交的原则，生成16个信道序列。仿真比较协议与现有几种典型MAC协议的性能差异，结果如图5所示。

由图5（1）和5（2）可见，无线自组网最重要的两个指标吞吐率和平均端到端时延方面，VS-HRMA明显优于802.11等现有MAC协议;第一个报文到达时间上，VS-HRMA仅比Aloha慢0.1s左右，比其他协议至少快1秒，这是因为Aloha协议交互过程最简单，反应最快，而我们的协议在进行了RTS/CTS交互，减轻隐终端、暴露终端的影响的情况下，仍然能够对突发数据快速反应;在平均时延抖动方面，我们的协议优于MACA，但是比其他协议相对较差，这是源于使用跳频信道，信道转换较多造成的。综合上述数据可以看出，VS-HRMA协议的网络性能明显提高。

4 小结

本文首先介绍了一种跳预约多址协议，分析了Qualnet软件在Ad Hoc网络仿真中的应用，针对VS-HRMA协议在Qualnet中编写代码实现，并与现有的无线自组网MAC协议进行了比较，结果显示，我们的协议使得网络性能明显提高。

下一步的工作，还需要比较VS-HRMA协议与HRMA等其他协议的性能差别，同时更换不同的网络拓扑，验证协议性能并进一步改进协议。

［1］王金龙，王呈贵，吴启辉，等.Ad Hoc移动无线网络［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］C.-S.Lin，M.-C.Wueng，T.-H.Chiu，et al.Concurrent Multi-Channel Transmission（CMCT）MAC Protocol forWirelessMobileAd HocNetworks［C］.ICACT07，Feb.2007.

［3］Jungmin So，Nitin Vaidya.Multi-Channel MAC for Ad Hoc Networks:Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using a Single Transceiver［C］.MobiHoc＇04，May 2004.

［4］Paramvir.Bahl，Ranveer.Chandra，John Dunagan.SSCH:Sloted Seeded Channel Hopping for Capacity Improvement in IEEE802.11 Ad-Hoc Wireless Networks［C］.MobiCom04，Sept，2004.

［5］Z Tang，J J Garcia-Luna-Aceves.Hop-Reservation Multiple Access（HRMA）for Ad-Hoc Networks［C］.in.Pro of the 9th INFOCOM，1999.

［6］Jian-zhao Zhang，Yu-sheng Li，Yong-xiang Liu.Hop-Reservation Multiple Access with Variable Slots［J］.Procedia Engineering，2012，29:3012-3016.

［7］徐洋，徐兵，王莹.基于Qualnet的战术数据链协议跨层通信机制［J］.计算机仿真，2006（6）:10-13.