基于定向天线的移动自组网TDMA协议研究

陈谋 李晓毅 王申涛 李梦如

【摘要】    传统的移动自组网大多采用全向天线组网，为提高传输距离、减少时隙冲突、提高时隙利用率，因此在组网过程中引入定向天线。为解决移动自组网中因引入定向天线带来的时隙冲突问题，论文从研究较为成熟的DTRA协议出发，通过在帧结构中增加随机微时隙的方式来减少时隙冲突。为给网络中各节点提供高效、公平的时隙分配策略，论文改进了DTRA协议中的时隙预留过程，提出了基于节点自身缓存队列数分配不同优先级时隙数目的动态时隙分配算法。通过提出的DTDMA协议与DTRA协议进行的对比仿真，验证了提出的DTDMA协议能够有效减少时隙冲突，且协议在保证高优先级节点可多申请数据时隙的前提下，改善了节点接入信道的公平性。

【关键词】    移动自组网    定向天线    定向传输协议    减少时隙冲突    动态时隙分配

Abstract： Most traditional MANET adopt omnidirectional antennas， in order to improve transmission distance， reduce slot conflicts and improve slot utilization， directional antenna is introduced in the networking process. To solve the time slot conflict problem caused by directional antenna in MANET， this paper starts from the relatively mature DTRA protocol and adds random micro time slots to the frame structure to reduce the time slot conflicts. In order to provide an efficient and fair slot allocation strategy for each node in the network， this paper improves the time slot reservation process in DTRA protocol， and proposes a dynamic slot allocation algorithm which allocates time slots to nodes with different priorities according to the number of their own cache queues. By comparing the proposed DTDMA protocol with DTRA protocol， it is verified that the proposed DTDMA protocol can effectively reduce slot conflicts， and the protocol can improve the fairness of the access channel on the premise of ensuring that high-priority nodes can apply for more data slots.

Key words： MANET; directional antenna; directional transmission protocol; reduce slot conflicts; dynamic slot assignment

引言：

隨着无线通信技术的发展，移动自组织网络以其无中心、自组织、网络抗毁性强等特点受到越来越多的关注[1]。目前传统的移动自组网大都是基于全向天线结构[2]，但由于全向天线能量不集中、时隙冲突较大，导致节点间通信存在时延大、信道利用率不高[3]等问题。为解决上述问题，研究人员尝试在移动自组网中引入定向天线[4]。定向天线在特定方向上有很高的收发增益，在其他方向上收发增益很小[5]，相比全向天线，将定向天线应用在移动自组网中可以扩大节点传输范围、增加空间复用、提高网络吞吐量以及增加抗干扰性[6]，因此展开了对基于定向天线的组网协议研究。

基于定向天线的媒体接入控制（MAC）协议有使用RTS/CTS握手的D-MAC协议[7]、MMAC协议[8]、DVCS协议[9]，和不使用于RTS/CTS握手DOA-MAC协议[10]、Smart-802.11b协议[11]以及一些改进类的协议[12-13]。在这些协议的设计中，如何解决因引入定向天线带来的隐藏终端问题和聋节点问题[14]成为关键因素。采用TDMA接入方式的移动自组网络研究中重点是对其时隙分配算法的研究，现有的时隙分配算法大致可以分为三类[15]：固定时隙分配算法、动态时隙分配算法以及固定与动态相结合的混合时隙分配算法。从为网络中各节点提供高效、公平的时隙分配策略出发，移动自组网中优先选用采取基于动态时隙分配算法的TDMA协议。动态时隙分配算法中具有代表性的有TSMA协议[16]、USAP协议[17]和FPRP协议[18] 。论文选取移动自组网定向通信协议中研究较为成熟的DTRA协议[19]作为研究基础。DTRA协议与其类似的定向MAC协议[20-21]相比，其利用特有的天线扫描方式，能较好的解决定向通信条件下的邻居节点发现问题。为减少时隙冲突、提高节点接入信道公平性，论文对协议做了部分改进，结合新设计的动态时隙分配算法，提出了一种基于定向天线的移动自组网TDMA协议——DTDMA协议。通过与DTRA协议进行仿真对比，验证了提出的DTDMA协议能够在一定程度上减少时隙冲突和提高节点接入信道公平性。

一、DTRA协议简介

DTRA协议是一种基于全网时钟同步的纯定向MAC协议，它利用天线特定扫描方式可以较好的解决纯定向通信条件下的邻节点发现问题，其使用的基于负载的动态时隙分配算法可以很简易的实现动态时隙分配过程。

在DTRA协议中的时帧划分结构，将时间被划分为帧，每帧又划分为三个子帧：邻居发现子帧、时隙预留子帧和数据发送子帧。第一个子帧用于发现新邻居，接着在第二个子帧中，已经建立通信链路的节点重新确认节点连通性，然后节点对做时隙预留，并最终在第三个子帧实现数据发送，时帧结构如图1所示。

在DTRA协议帧结构中，每一时隙由多个子时隙组成。在邻居发现和时隙预留阶段，协议都使用了一个三步握手策略，每一个子时隙都能提供在邻居发现和时隙预留过程中所需要的三步握手信息。在邻居发现和时隙预留过程中，三步握手的信息内容是不同的。协议假定了网络中的每个节点均配备一个带有可控天线的收发信机，工作模式为半双工通信，每个节点都能快速在发送和接收模式间转换，且所有的节点都是同步的。

二、邻居节点发现过程的改进

2.1 改進目的

DTRA协议中的邻居节点发现过程由于引入了定向天线，使得节点发送信息时的冲突概率增加，因此为解决这一问题，对DTRA协议原有的帧结构进行了改进，利用增加随机微时隙的方式来减少冲突。改进后的帧结构如图2所示。

2.2改进后的邻居发现过程

DTRA协议中的邻居节点发现过程中包含扇区扫描、模式选择和三部握手协议，因此在基于DTRA协议改进后的DTDMA协议中，相邻的两个时隙间节点完成一次收发模式的切换，每一个子时隙里节点完成一次三步握手过程，相邻两个子时隙间节点完成扫描扇区的切换。在整个邻居发现阶段，如果某节点发现了邻居，便通过三步握手过程在时隙预留阶段中的子时隙中进行标记一对公共子时隙，用于时隙预留阶段中的确认连接和数据发送阶段中的时隙的申请和释放。假设节点1为发送节点，节点2为接收节点，改进后的邻居发现三步握手过程如下：

第一步握手：节点1在T0至TM-1时隙中随机选择一个微时隙，发送广播信息给它潜在的邻居。

第二步握手：节点2在T0至TM-1时隙都侦听发射信息。如果什么都没有接收到，则节点2放弃握手。

如果节点2成功的收到了广播信息，则节点2首先判断是否是新邻居，如果不是则等待下一周期。若是新邻居则节点2在TM至T2M-1时隙中随机选择一个时隙，将自身时隙预留子帧中的空闲子时隙发送给节点1。

第三步握手：节点1在TM至T2M-1时隙侦听回复信息。如果什么都没有接收到，则节点1放弃握手。

如果节点1成功的收到了节点2回复的信息，则节点1会将自身的空闲子时隙与节点2的空闲子时隙进行比对挑选出公共空闲子时隙对，如果有公共空闲子时隙且满足需求，便对其进行标记，创建邻节点表，在T2M时隙向节点2发送确认信息。如果没有公共空闲子时隙，则节点1放弃与节点2的握手。节点2在T2M时隙侦听节点1的回复信息，如果什么都没有接收到，则节点2等待下一周期。反之如果成功收到了回复信息则节点2设置预留子时隙，创建邻节点表从而完成三步握手过程。

改进后的邻居发现过程流程图如图3所示。

三、时隙预留过程

3.1 改进目的

在DTRA协议中，为了满足高优先级的节点能申请到较多的数据时隙用于发送数据，因此DTRA协议为节点提供了三种优先级，依次为优先级1、优先级2、优先级3，其中优先级1表示优先级最高，从而将数据时隙分段使用。在时隙预留过程中预留公共数据时隙时，如果高优先级的公共可用时隙少于节点所需的最小时隙数，则可“借用”较低优先级部分的公共可用时隙。但在DTRA协议中，可“借用”的时隙最大值是通过预先设定的，并没有一个确定可“借用”时隙数目的算法，从而导致在满足高优先级节点能够多申请数据时隙的条件下不能较好的兼顾节点接入信道公平性原则。因此为解决这一问题，论文提出了一种基于节点自身缓存队列数分配可“借用”时隙数目的算法，从而可以在既保证高优先级节点可多申请数据时隙的条件下，又能尽量保证节点接入信道的公平性。

3.2 新的时隙分配算法

对于TDMA协议来说，节点会为其每一个邻居节点建立了一个缓存队列，用来缓存需要发送的数据包。只有当与某邻居节点预约的数据时隙到来时，节点才会将与邻居节点对应的缓存队列中的数据包按照先入先出的原则取出，将其发送给预约的邻居节点。当节点需要进行时隙申请时，节点统计当前时刻自身各缓存队列中数据包数量，设优先级为1所对应的缓存队列中数据包总数为P1，优先级为2所对应的缓存队列中数据包总数为P2，优先级为3所对应的缓存队列中数据包总数为P3。优先级1包含可“借用”的时隙段总数目为M，优先级2包含可“借用”的时隙段总数目为N，总数据时隙数目为K，则传输数据包的总时间为t，则

分配各优先级时隙数目算法的数学模型为：

3.3 改进后的时隙预留过程

在DTDMA协议时隙预留阶段，互为邻居的一对节点对在预约的公共子时隙对到来时通过三步握手过程确认连接和申请或释放数据发送过程中的时隙。相邻子时隙之间根据邻居发现过程中预约的公共子时隙里标记的邻居所在扇区等信息直接调整发射与接收扇区，从而直接进行三步握手过程。如果某节点两次都未在时隙预留阶段中的预约子时隙里侦测到邻居，则节点将邻居信息删除，重新进行邻居发现。在仿真中，申请节点确定时隙申请数量k值是根据统计一定时间T内需要发送的数据决定的。

若节点T时段内需要传输的数据包数量为Pk，每个微时隙最多能发送的数据为DTmax，则k=Pk /DTmax。假设节点1为发送节点，改进后的时隙预留三步握手过程如下：

第一步握手：节点1在T0至TM-1时隙中随机选择一个微时隙后，判断数据时隙是否满足需求，从而判断此时需发送时隙申请或时隙释放信息以及具体的时隙申请或时隙释放数目，发送给节点2。

第二步握手：节点2在T0至TM-1时隙都侦听发射信息。如果什么都没有接收到，则节点2放弃握手。如果累计两次都未收到，则节点2删除预约子时隙和邻节点信息。

如果节点2在某个时隙内收到了节点1的发送信息，则节点2首先判断是时隙申请信息或是时隙释放信息。若是时隙释放信息，则节点2根据时隙释放请求选择公共数据时隙进行释放，在TM至T2M-1时隙随机选择某一时隙发送回复信息。如果节点2收到的是时隙申请信息，根据节点1和节点2的优先级关系确定可用的时隙段，然后与节点1发送的空闲数据时隙做比对。如果公共空闲时隙大于或等于时隙申请数，则在节点2在TM至T2M-1时隙内随机选择某一时刻发送回复信息。如果公共空闲时隙小于时隙申请数，则节点根据提出的时隙分配算法，取出包含可“借用”时隙段内的空闲数据时隙，其后再与节点1发送的空闲数据时隙对比挑选出公共空闲数据时隙，如果公共空闲时隙大于或等于时隙申请数，则节点2将挑选出的公共时隙数在TM至T2M-1时隙内随机选择某一时刻回复给节点1。如果经过“借用”后公共空闲时隙仍小于时隙申请数，则节点2在TM至T2M-1时隙内随机选择某一时刻回复不做预留。

第三步握手：节点1在TM至T2M-1时隙侦听回复信息。

如果节点1成功的收到了节点2回复的信息，则节点1会根据回复的信息设置数据时隙，并在T2M时隙发送确认信息。如果累计两次都未收到，则节点1删除节点2的预约子时隙和邻居节点信息。节点2侦听节点1的确认信息，如果成功收到了确认信息则节点2根据回复的消息设置预约数据时隙，从而完成三步握手过程。如果什么都没有接收到，则节点2等待下一周期。

改进后的时隙预留过程流程图如图4所示。

四、仿真与分析

4.1 仿真参数设置

采用OPNET软件对网络性能进行仿真，仿真场景如图5所示，场景大小为150km×150km。仿真场景中随机设置12个节点，假设1、2、3号节点为重要节点，4、5、6号节点为次要节点，7、8、9、10、11、12号节点为普通节点。且当重要节点与任意优先级的节点间进行时隙预留时，定义优先级为1;当次要节点与次要节点或普通节点间进行时隙预留时，定义优先级为2;当普通节点与普通节点间进行时隙预留时，定义优先级为3。

4.2 邻居发现效率的对比仿真

为了分析协议的邻居发现效率，论文对两种协议的全网邻居发现对数进行了对比仿真，仿真结果如图6所示。

由仿真对比图可看出，DTDMA协议发现的邻居节点对数比DTRA协议要多。分析可知由于DTRA协议数据传输过程中冲突较大，其存在的隐藏终端问题使邻居发现过程中部分节点因时隙冲突从而不能被相互发现，而DTDMA协议通过增加随机微时隙的方式可在一定程度上解决时隙冲突，从而能够发现所有邻居节点。虽然增加随机微时隙的方式使得一个历元周期的时间增加，数据发送需等待的时间较DTRA协议有所增加，但协议明显从一定程度上降低了时隙冲突。

4.3 不同优先级缓存队列对比仿真图

队列i表示节点的优先级为i的缓存队列中数据包数量的平均值，记为Pi。

表示m号节点里，属于优先级为i的缓存队列中的數据包，N表示节点总数。仿真中每隔5s统计一次，仿真结果如图7所示。

从DTDMA协议不同优先级所对应的缓存队列数据包数目可看出三种优先级之间的差别相对于DTRA协议来说较小，且由仿真结果可看出，DTDMA协议中队列1和队列2的缓存数据包数量都比DTRA协议中要多，虽然牺牲了部分较高优先级的可用时隙数，但却使队列3中的缓存数据包数量明显降低。因此可看出算法在既保证高优先级节点可多申请数据时隙的条件下，又改善了节点接入信道的公平性。

五、结束语

本文针对采用定向天线组网的移动自组网络，基于研究较为成熟的DTRA协议，论述了协议改进的目的与思路。通过对DTRA协议的邻居发现过程和时隙预留过程的改进，提高了网络的邻居发现效率并改善了节点接入信道的公平性。仿真结果验证出提出的DTDMA协议比DTRA协议邻居发现效率更高，节点间公平性更佳。

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