基于无线自组织网MAC的FPRP协议改进研究

罗正华，孟 源，苏文昊，杨煜婷

(成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

无线自组织网(Ad Hoc)是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的无中心、多跳的临时自治系统，具有组网灵活、快速部署、无需基础设施、成本低、抗毁性高与生存能力强等特点.目前，大多数信道接入协议(Medium Access Control，MAC)是针对单播业务设计的，支持广播业务的信道接入协议有5 步预约(Five-Phase Reservation Protocol，FPRP)和可靠预约ALOHA(Reliable Reservation ALOHA，RRALOHA)协议［1］.研究发现，FPRP 协议不仅可以可靠完成时隙资源的预约，而且控制部分开销极小.FPRP 协议通过随机竞争接入，利用5 次握手机制来为广播业务预约无冲突的广播信息时隙，节点一旦预约成功，广播业务的传送具有较高的可靠性.由于时隙预约过程只是在两跳范围内进行，所以，时隙分配的过程可以在网络中的不同空间上并行进行，从而提高了系统的空间复用度［2－4］.本研究针对FPRP协议的不足，比如系统实现的复杂度等，对其进行了改进，并通过仿真实验进行了性能验证.

1 FPRP 协议

FPRP 协议是一种基于竞争的同步MAC 协议.一个预约帧(Reservation Frame，RF)后面紧跟若干个信息帧(Infromation Frame，IF).一个RF 包含N 个预约时隙(Reservation Slot，RS)，每一个IF 也包含N 个信息时隙(Information Slot，IS).每一个RS 对应一个IS.TDMA 时隙分配表在RF 中产生，每一个IF 按照这个时隙分配表来分配时隙，当下一个RF 到来时，重新进行时隙预约，时隙分配表也相应进行更新.

一个RS 包括M 个预约周期(Reservation Cycle，RC)(M 值随具体网络变化)，一个RC 包括5 次握手过程.网络中的节点通过5 次握手过程来进行时隙资源的竞争预约［5－6］.FPRP 协议的帧结构如图1所示.

图1 FPRP 协议的帧结构

在FPRP 协议下，一个完整的预约过程包括:

第1 阶段，预约请求阶段(Reservation Request Phase，RR).在该阶段，节点有数据需要发送，则申请预约时隙以概率P 发送一个预约请求分组(Reservation Request Packet，RRP).此时该节点称为请求节点(Requesting Node，RN)，处于监听状态的节点可能没有收到RR 分组，可能只收到1 个RR 分组，也可能收到多个RR 分组.若节点收到多个RR 分组，则视为监听到一次RR 包碰撞.

第2 阶段，冲突报告阶段(Collision Report Phase，CR).如果节点在RR 阶段，监听到碰撞，它在CR 阶段就会发送一个冲突报告分组(Collision Report Packet，CRP)来表明其在第1 阶段监听到RR 分组的冲突，否则节点就保持静默状态.RN 节点通过监听CR 分组，检测是否发生了冲突.如果没有收到CR 分组，RN 就认为没有发生冲突，此时RN 节点的状态为发送节点(Transmission Node，TN).RR/CR的交互消除了隐藏终端问题.

第3 阶段，预约证实阶段(Reservation Confirmation Phase，RC).在该阶段，处于TN 状态的节点发送预约证实分组(Reservation Confirmation Packet，RCP)，TN 的邻节点收到RC 分组后，将不再竞争这个时隙的使用，并在IF 帧中接收来自TN 节点的数据.

第4 阶段，预约确认阶段(Reservation Acknowledgment Phase，RA).该阶段，TN 的邻节点通过发送RA 分组来对RC 分组进行回应.RA 分组告诉TN节点相应时隙的预约已经成功，而TN 两跳远处的节点若收到RA 分组，则表示其两跳远处有节点已经预约成功这个时隙.如果TN 没有相连节点，它就收不到预约确认分组，由此可以知道TN 是一孤立节点，TN 就没必要进行信息的发送.

第5 阶段，填充/消除阶段(Packing/Elimination Phase，P/E).在该阶段，网络中有2 种类型的分组进行传送，一种是PP(Packing Packet)，该分组由TN的两跳邻节点发送，收到PP 的节点知道三跳远处的节点预约成功，将不能再竞争同一个时隙.利用这一点可以相应提高三跳邻节点的竞争概率p，增加距离TN 三跳远处节点的预约成功率，加快预约收敛速度.另一种是EP(Elimination Packet)，该分组由TN 节点以0.5 的概率发送，用来消除相邻节点之间可能存在的非孤立死锁，如果TN 在这个状态没有发送但是收到了一个EP，说明存在非孤立死锁，这时，收到EP 的TN 将放弃对该时隙的占用.

一个完整预约过程后，节点的可能状态为:一跳邻节点的状态为接收状态，预约成功的节点为传递状态;两跳邻节点的状态为锁状态，预约时隙不允许再参与资源竞争;其余节点的状态为空闲状态.只有处于传递状态的节点才能在相应的信息时隙中进行数据传送.

2 协议改进

针对FPRP 协议的一些不足，本研究从以下几方面对其进行了改进:

1)在FPRP 协议的假设中，认为2 个节点间的无线通信是无噪且对称的信道，这在实际应用中是不存在的.实际场景中，节点发送数据时的射频信号会对其他节点产生影响，空中一般也会有其他信号的干扰.在这种情况下，节点应该具有可以测量出无线通信链路信噪比的能力，根据信噪比来判断通信链路是否可靠，从而决定是否使用这条通信链路进行通信.

2)在FPRP 的5 阶段握手过程中，为了使节点的干扰和冲突尽量减小，可以使不同阶段的发射功率有所差别.在阶段1、2，可以适当增大节点发送RR 分组的无线发射功率，以便检测到更多潜在的可能发生冲突的邻节点;在阶段3，对RC 分组的传送只需要正常的无线发射功率即可;在阶段4，对RA 分组的发送也应该适当增大发射功率，以通知更多的附近节点在两跳远处有节点预约时隙成功.

3)在现有的FPRP 协议中，节点在发送数据时，若在一帧内数据没有发送完成，则在下一帧要重新参与时隙的竞争预约，这样不仅不利于实时业务的传送，也会增加网络进行时隙预约分配的收敛时间.对此，可以对FPRP 协议做如下调整:在每一个RS的末尾，再加上一个比特的信息，此信息由TN 节点发送，用于表示一帧结束后，节点是否释放这个时隙.若此帧结束后节点不释放此时隙，则将下一次竞争此时隙的概率置为1，相关邻节点则将下一帧竞争此时隙的概率置为0，这样就能保证业务的实时性，避免实时业务因为时隙竞争的失败而产生过大的延迟.

4)通过FPRP 协议的5 次握手过程第5 阶段的EP 分组，确实可以消除网络的非孤立死锁节点，但是并不能完全消除.这是因为，若一组非孤立死锁节点中有2 个节点同时发送EP 分组，则这2 个节点还是无法发现自己是非孤立死锁节点.针对这种情况，可以在接下来的RC 的第1 阶段，继续补充发送EP分组，经过这样的操作，若协议的M 参数取值合理，网络中存在非孤立死锁节点的概率就近似为零了.而且这些补充发送的EP 分组也不会被RR 分组所干扰，因为在TN 预约成功一个时隙后，其他节点就不会再参与这个时隙的竞争预约.

5)在网络规模不大(三跳以内)且节点分布呈网格状的时候，孤立死锁节点和非孤立死锁节点很难发生，且没必要考虑三跳以外的节点，这样，FPRP协议的第4 阶段和第5 阶段就可以省略，成为简化的FPRP 协议，可以称之为3 步预约协议(Three Phase Reservation Protocol，TPRP)协议，从而简化系统实现的复杂性.

3 仿真及结果分析

为验证改进后FPRP 协议的性能，设置网络仿真参数如表1 所示.仿真实验结果如图2 ～5 和表2 所示.

表1 仿真参数设置表

图2 按1)、2)改进后的效果

图3 超长数据分组业务时隙平均竞争成功率

图4 TPRP 与FPRP 协议在不超过三跳的微型自组网中MAC 接入时延对比

图5 TPRP 与FPRP 协议在不超过三跳的微型自组网中吞吐量对比

表2 网络中平均非孤立死锁节点个数

从图2 可看出，由于节点根据无线信道质量做了选择，并在5 次握手阶段，采用动态功率调整措施，使得改进后的FPRP 协议的丢包率得到明显降低.

在图3 中，固定5 个节点发数据，形成超长数据分组业务.在这种情况下，对比FPRP 协议改动前后时隙预约成功率，从仿真结果看出，由于改进后的FPRP 协议加上了节点在下一帧根据其数据是否发送完成来决定是否释放时隙的机制，这样就可以使得在一帧中没有传完数据的节点，在下一帧时优先使用上一帧的时隙，当节点的数据分组业务很长时，可以明显提高节点竞争时隙的成功率.

在表2 的仿真场景中，本研究有意设置网络结构使非孤立死锁节点发生的概率大大增加，对比FPRP 协议改动前后，预约帧结束后网络中的平均非孤立死锁节点个数.由于当时隙预约成功后，TN节点利用余下未用的RC 补发EP 分组，完全消除了网络中的非孤立死锁节点个数.这个改动不仅提高了预约帧的利用率，而且提高了广播业务的可靠性.

从图4、图5 可看出，在不超过三跳的微型自组网络中，改进的FPRP 协议的接入时延、吞吐量和FPRP 协议基本相同.当不超过三跳时，可以用改进的FPRP 协议代替FPRP 协议，以简化协议实现的复杂度.

4 结 语

本研究对无线自组织时隙分配协议FPRP 进行了研究与改进.仿真结果表明，改进后的协议比改进前的协议性能有显著提高，改进的结果与实际仿真结果一致.

［1］林淑艺.基于TDMA 的无线自组织网络时隙分配机制研究与仿真［D］.厦门:厦门大学，2009.

［2］于宏毅.无线移动自组织网［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［3］Zhu C，Corson M S.A five phase reservation protocol(FPRP)for mobile ad hoc networks［C］//Proceedings of the 17th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communicatoins Societies.San Francisco，CA，USA:IEEE Press，1998:322－331.

［4］杨双懋，郭伟，苏俭.基于FPRP 的无线自组织网的MAC协议［J］.计算机应用研究，2008，25(1):68－70.

［5］Zhu C，Corson M S.An evolutionary-TDMA scheduling protocol(E-TDMA)for mobile ad hoc networks［C］//Proceedings of Advanced Telecommunications and Information Distribution Research Program，2000.College Park，MD:University of Maiyland，2000.

［6］黄伟.基于OPNET 的动态TDMA 接入网络半实物仿真研究与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2009.