基于DBTMA协议的动态感知忙音协议研究

乔平安+曹宇

摘要：在Adhoc网络中，传统的MAC协议协议， IEEE802.11协议都无法解决大干扰域所带来的网络吞吐量下降，性能降低的问题。该文提出一种新的可以动态感知网络中节点位置的动态感知忙音（DBTSA）协议，来缓解此问题对网络性能的影响。实验结果证明本文提出的协议在吞吐量性能上优于其他算法。

关键词 Adhoc；大干扰域；DBTSA协议

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0063-02

1概述

目前Adhoc网络[1]研究工作中，现有的经典MAC协议[2]，IEEE802.11协议[3]都无法解决大干扰域问题，造成网络性能的下降。为了解决大干扰域问题，很多学者做了研究。文献[4]中改进了一种忙音协议由于NAV采用CSMA/CA机制，无法侦听到传输范围以外的节点发送消息，因此不能合理地解决大干扰域下隐藏终端的干扰。文献[5]中，提出了一种固定功率（PFD）协议，虽然在处理大干扰域下隐藏终端问题上有一定的成效，但是由于忙音的发射功率默认为最大值，这就会产生更多的暴露终端。

本文针对大干扰域所带来的问题[6]，在忽略干扰累积只考虑单干扰源的情况下，提出一种可动态感知的忙音协议DBTSA。DBTSA协议是基于单干扰源的假设，即两个节点进行数据交互时，接收节点只考虑一个节点的干扰。通信双方的id通过忙音的频率和持续时间编码到忙音信号中去，其他节点通过侦听忙音信号得到通信双方的id信息，这样就可以确定自己是否在干扰范围之内，然后判断是否应该传送分组。通过这种方法就能很好地抑制大干扰域下隐藏节点的问题，在一定程度上有效地提高Ad Hoc网络的性能。

2 DBTSA协议

2.1 忙音的实现

一说到忙音，人们肯定会想到打电话时用户线路占线。但是，在无线网络中忙音是一种正弦信号，它有着某个特定的频率，它与调制信号不同之处在于它不能编码任何信息，只能在某个频带上，通过能量检测的方法被识别。传统的控制信号RTS、CTS只能在传输范围之内被识别，忙音因为所占的带宽非常小，而且是通过能量检测的方式识别，所以它在载波侦听范围之内就能被识别。正因为如此，忙音被广泛地应用到Ad Hoc网络MAC协议中。

本节所设计的协议中，忙音是用来通知其他节点当前网络中通信节点的id信息以及潜在的干扰源。以此来降低大干扰域中隐藏节点对网络性能的影响，提高网络性能。

在OPNET中我们通过模拟的方式来实现忙音。节点通过忙音的频率和持续时间来得到收发双方的id，并根据信噪比公式，如式（1）计算出信噪比。

其中，dr表示干扰节点与接收节点之间的距离，dp表示发送节点与接收节点之间的距离。这样，干扰节点就可以通过dr与干扰范围的比较，来判断自己是否处于接收节点的干扰范围之内，确定自己发送的分组是否会干扰到接收节点。干扰范围由式（2）计算。其中，SNRth表示初始阈值。

DBTMA协议[7]利用NAV机制，来通知节点是否能对数据进行收发处理。信道上每一个RTS帧，CTS帧都有一个Duration/ID域，节点通过Duration/ID域来更新自己的NAV计数器，只有当计数器的值减为0时，说明信道空闲才能开始发送或接收数据。但是在一些情况下，节点的信噪比符合要求时，节点的发送并不会影响到接收节点，所以不需要对自己的NAV计数器进行更新。例如当发送节点向接收节点发送数据分组时，干扰节点能侦听到该分组。此时干扰节点如果判断接收节点的信噪比达到了阈值的要求，则干扰节点不用更新NAV，可以继续发送数据。

2.2协议设计

DBTSA协议依然利用DBTMA协议的双忙音机制，利用两个带外忙音BTr和BTt来分别保护RTS分组和数据分组。在此基础上为了让其他节点能够获取通信节点的id信息，利用忙音的频率以及持续时间将节点id编码到忙音信号中，其他节点侦听到忙音信号后将其解码，这样就能获得通信双方的id信息。协议时序图如图1所示。

在协议中将发送节点和接收节点的id信息分别为表示为p和q，那么它们发送和接收忙音的频率可以由式（3）和（4）求得：

忙音的持续时间可以由式（5）求得：

其中，x代表节点的id信息，fmin和fmax代表忙音频带的最低和最高值，Tmin和Tmax代表持续时间的最小值和最大值。

2.3协议工作过程

DBTSA协议工作流程描述如下：假设发送节点A和接收节点B进行通信。

1）通信之前节点A处于空闲状态，准备和节点B通信时，进入竞争状态。

2）发送节点A进入竞争状态，对信道进行侦听，判断是否有忙音。

3）在一个DIFS时间段内侦听到信道上没有忙音信号，跳转到第7步。

4）只侦听到信道上有发送忙音BTt，表示信道正忙，然后发送节点A对信道进行周期性的侦听，一旦侦听到信道空闲跳转到第7步。

5）只侦听到信道上有接收忙音BTr，表示信道中有节点正在通信，然后节点A获取接收忙音BTr的忙音频率和持续时间，计算得到当前通信双方的id信息，接着计算出接收节点的干扰范围。如果自己处于接收节点的范围之内，则A退避传输，跳转回第2步；如果自己处于接收节点的干扰范围之外，则跳转到第7步。

6）同时侦听到BTr和BTt，则接收节点A退避传输，跳转回第2步。

7）发送节点A向接收节点B发送RTS控制信号，同时打开忙音BTr。

8）发送节点A发送完RTS控制信号后，进入等待状态，等待接收节点回复的CTS控制信號。

9）在接收节点B接收到RTS控制信号后，侦听周围是否存在忙音。

10）如果在一个SIFS时隙内侦听到BTr信号，表示信道有接收节点正在接收数据，节点B则获取接收忙音BTr的频率和持续时间，并计算节点的干扰范围，判断自己是否处在该范围中。如果处于其中，则丢弃RTS信号，进入退避状态；如果不在，则进入第11步。

11）接收节点B向发送节点A回复CTS信号。

12）发送节点A收到CTS信号后，关闭忙音BTt，开始向节点B发送数据DATA。

13）接收节点B接收数据DATA，同时打开接收忙音BTr。

14）发送节点A发送完数据DATA后，等待接收节点反馈的ACK信号。

15）接收节点B接收完毕數据DATA后，关闭接收忙音BTr，向发送节点反馈ACK信号，自己进入空闲状态。

16）发送节点A接收到反馈的ACK信号后，自己进入空闲状态，一次完整的通信结束。

3实验验证与分析

3.1仿真环境与参数设置

在OPNET中对DBTSA协议进行仿真，定义如下仿真场景。

1）仿真区域：300m*300m的方形区域；

2）仿真节点：20个随机分布在区域中的节点，通信时通信双方均为随机选择；

3）节点传输范围：半径为100m的圆形区域；

4）节点侦听范围：半径为150m的圆形区域；

5）信道传输速率：2Mbps；

6）数据包大小：1500bit；

7）仿真时间：400s。

3.2结果分析

为验证动态感知忙音（DBTSA）协议的性能，选用DBTMA协议和固定功率（PFD）协议作为参考对象，从吞吐量方面进行分析。

吞吐量性能：

图2显示了在数据包产生率不同时，DBTMA协议、DBTSA协议和PFD协议的吞吐量情况。由结果可知，当数据包产生率较小时三种协议得变化几乎没差别，随着网络负载的逐渐增加，网络流量慢慢增大，DBTSA协议和PFD协议的吞吐量显然好于DBTMA协议。DBTSA协议在吞吐量方面的改善也好于PFD，在一定程度上弥补了降低DATA冲突不如PFD的不足，它适当降低了网络中暴露终端的出现几率，增加了节点对信道的利用，提高了吞吐量。但是PFD协议利用最大功率发送忙音，使得干扰范围以外的节点仍然不能同时对信道利用，加大了暴露终端出现的几率，在一定程度降低了吞吐量。

4 结束语

本文提出一种新的可以动态感知网络中节点位置的动态感知忙音（DBTSA）协议，对于大干扰域所带来的问题，本文提出的协议在网络性能吞吐量方面优于其他协议。

参考文献：

[1] 王华，薛涛，崔云平，等.Adhoc网络技术[J].硅谷，2012（17）：9-9.

[2] 陈宗明，许力，郑宝玉.Ad Hoc网络中MAC协议的研究与展望[J].电讯技术，2003，43（6）：7-12.

[3] 吕兆峰，李晓，黄波.IEEE802.11AdHoc网络MAC层的性能分析[C].陕西省通信学会2009年学术年会. 2009.

[4] Abdullah A A，Cai L，Gebali F.Enhanced Busy-Tone-Assisted MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[C].Proceedings of Vehicular Technology Conference（VTC），2010：1-5.

[5] Leng S P，Yan Z，Hsiao-Hwa C，et al.Power-Fixed and Power-Aware MAC Protocols for Multihop Wireless Networks With a Large Interference Area[J].IEEE Transactions on vehicular technology，2009，58（6）：2966-2967.

[6] 何双胜.基于忙音的Ad hoc网络MAC协议研究[D]. 苏州：苏州大学，2011.

[7] Haas Z J， Deng J. Dual busy tone multiple access （DBTMA）-a multiple access control scheme for ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Communications，2002，50（6）：975-985.