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针对IEEE 802.11在高竞争下吞吐量低,以及TDMA协议在低负载下吞吐量低的问题,提出了一种新的TDMA MAC协议:Q-TDMA。结合TDMA协议可以保证节点在每个周期内有一个发送机会,而同步CSMA/CA机制可以解决隐藏终端和暴露终端的问题,Q-TDMA协议要求节点根据本身的队列长度来竞争复用时隙。仿真实验结果表明,Q-TDMA提高了网络吞吐量,降低了端到端的延迟。
013,49(7) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 发送RTS.同时节点RI在给节点S1回复CTS时,节点R1码方案决定。 无法检测来自节点S2的RTS,节点S2无法检测来自节点 传播时延(Tm)由发送节点和接收节点之间的距离决 R1的CTS,这样就会出现节点S1向节点R1发送数据时,定。在 Ad hoc网络中,节点通信距离通常很短,因此通常 节点S2向节点R2发送数据或CTS,数据在节点R1处发忽略传播延迟。 生碰撞。这就是隐嶽终端问题。 处理时延(Tm)为节点在将所收分组转发到下一个转 发跳之前对该分组所作处理而花费的时间 排队时延(T)依赖于流量载荷。在重载荷情形下, 排队延迟变成一个支配因素。 上述时延是采用IEEE80211协议的多跳网络的固有 RI 时延 TDMA协议时延主要包括排队延迟T甲,传输时延(时 隙的大小r),第n个转发跳的时隙等待时延(T),处理 时延rm Q-TDMA协议时延主要包括排队延迟rmc,定大小 图4隐藏终端和暴露终端问題 的监听竞争延迟Tnm,传输时延(数据时隙的大小Txns), 这里引入同步 RTS/CTS方式进行握手交换,从而来第n个转发跳的时隙等待延迟(Tm,),处理时延Tro 下面将从不同负载下分析在M跳网络中MAC协议的 解决隐藏终端问题。假设节点S1、S2选择同等级的竞时延。首先假没3种协议的传输时延相等。在流量负载较 争阶段,竞争向节点R1、R2发送数据,其中节点S1、52选小(一个帧周期内有一个数据包)时,没有排队延迟和退避 择在T1、m2微时隙内竞争。 延迟,另外假定传播延迟和处理延迟可以忽略不计。在这 当71<72时,在1微时隙的第一个子微时隙内,节点种情形下, Q-TDMA协议的延迟为 S1发送RIS给节点R1,收到RIS的节点R1在第二个子徵 吋隙内回复CTS,节点S1收到节点Rl回复的CTS,在数据 D(Q-TDMA)=2(Twat. -Tixed+TDatAsota (6 阶段,节点S1向节点R1发送数据。由于节点S2收到节点 TDMA协议的延迟为 R1回复给节点S1的CTS,所以在这个时隙内节点S2标记 D(DM4)=∑(rwm,+T (7) 不发送数据。 =⑦2时,在們1微时隙内的第一个子微时隙内,节 IEEE802.11b议的延迟为 点S1、S2发送RTS,节点R1感知到RTS的碰撞,将不回复 D(802.11) +T) (8) CTS;节点R2收到节点S2的RTS,在第二个子微时隙内回 复CIS,节点S收到节点R2回复的CTS,则在数据阶段 从公式(6)、(7)、(8),可以得到TDMA协议与IEEE 节点S2向节点R2发送数据。 802.11协议的端到端延迟比较取决于M跳的时隙等待时延 类似地,当T1>2时,节点S2在数据阶段向节点R2和M跳的载波侦听时延; Q-TDMA协议的端到端延迟比 发送数据。 TDMA多了M个固定大小的监听竞争时延。 如果节点S1、S2在不同竞争阶段下,竞争向节点RL 在流量负载较大时,IEEE802.11因为碰撞导致侦听 R2发送数据,则更为简单,同上所述 时延T.(第n个转发的侦听时延)和退遥时延T增大,使得 另一个问题是802.11式存在暴露终端问题。如图4端到端的延迟很大。Q-TDMA协议能够根据队列的长度 所示,如果节点S向节点R1发送RIS,则节点S3收到节来复用时隙,从而可以有效地减少队列延迟,并弥补了固 点S的RTS并会保持沉默,同一时间内不会发送数据。仙定大小的监听竞争时延 在实际情况下,节点S3向节点R3发送数据,并不影响节 在低负载下, Q-TDMA协议端刭端延迟高于TDMA协 点S1向节点R1发送数据。 Q-TDMA协议可以保证节点议。在高负载下 Q-TDMA协议端到端延迟低于TDMA协 S3在收到RTS后,仍能发送RTS或数据给节点R3。这样议和IEE802ll协议(见仿真实验图9) 就解决∫暴露终端问题。 33延迟分析 4仿真及分析 ad hoc网终屮传递一个分组,其每跳传递的延迟包 将该协议与IEE80211和传统的TDMA进行对比。 括如下 4.1评价指标 载波侦听时延(T)为发送节点进行载波侦听时花费的 网终吞吐量:网络中所有节点每秒成功接收位数。端 时间,载波侦听时延大小出竞争窗口大小决定。 到端延迟:数据包从源节点发送出去,到目的节点收到数 退避时延()为节点侦听到另外一个或者发生碰撞而据包所消耗的时间。 导致载波侦听时所产生的时延 4.2仿真参数的设定 传输时廷()由信道带宽以及所采用的分组长度和编 仿真工具采用NS2,仿真的参数如表1 潘鹏,郭达伟,刘航,等:一种新的竞争与分配相结合的MAC协议 2013,49(7) 79 表1仿貞参数表 固定的时隙来发送数据同时也可以复用时隙发送数据 仿真参数 参数值 因此它的吞吐量要高于802.11和TDMA。 接收功率 1900 发送功率 0.281838 802.11 H TDMA 传输模型 TwoRay Ground Q-TDMA 队列类型 优先队列 1600 天线类型 全向天线 1500 路由协议 1300 流量生成模型 CBR 1200 CBR数据包大小 972 Byte 1100 TDMA时隙大小 4.32ms Q-TDMA时隙 6.8ms Q-11)ⅥA队列阈值大小 生成数据包时间间隔 带宽 2 MB 图6发送节点为20个时的香吐量 4.3仿真结果分析 图7表示网络中存在25个发送节点时,在这种高竞 争、高负载的网络中,3种协议吞吐量的变化。由于802.11 本文在不同场景设置下仿真,并对吞吐量、端到端延发送碰撞的概率非常大,它消耗大量的时间在数据重传 迟进行分析。 4.3.1吞吐量仿真及分析 上,Q-TDMA和TDMA中每个节点在一个周期内有一次固 26个节点随机分布在500m×500m场景下,仿真时问定的发送机会,所以在整个的发送间隔4,0.05]中, 为80s。本文根据不同数目的发送节点(不同负载和竞争 Q-TDMA和TDMA的叶量都高于80211。又山于 下),来分析比较在不同的生成数据包时间间隔下,3种协 Q-TDMA还可以根据节点的负载情况竞争复用时隙,所以 议吞吐量的变化 Q-TDMA的春叶量比TDMA要高。 图5所示,当生成数据包时间问隔在[0.13,0.11之问 2000 900 时,3种协议随着生成数据包间隔的减少,吞吐量呈线性增 TDMA 1800 加。生成数据包时间间隔在[0.11,001之间时,TDMA的 l700 sQ-TDMA 吞吐量不变,且非常低,这是因为传统的TDMA只能在自 1500 已时隙内发送数据、不能复用吋隙,信道利用率低。由于 网络中发送节点很少,竞争强度很低,802.11充分利用信 1300 12U0 道,所以802.11吞吐量要高于TDMA。出于Q-TDMA存在 1100 1000 固定监听和竞争时间,并比802.1的握手交换消耗的时间 ).050.060.)70.0X0).09(.100.l0.121).130.14 要长,所以Q-TDMA的吞吐量低于802.11的吞吐量。与 生成数据包时间间隔s TDMA相比,Q-TDMA复用了时隙,因此 Q-TDMA吐量 图7发送节点为25个时的吞吐量 高于TDMA。 4.32延迟伤真及分析 1500 18个节点分布在1000mx500m的场景下,如图8所示。 1400 802.11 TDMA 12(() ssQ-TDMA 1000 100单 400an (0 )03( 200 图8网绪拓扑图 生成数据包时间间隔/s 从θs开始,网络中启动第一条数据流(0~5)。随后,每 图5发送节点为5个时的吞吐量 50s增加一条的数据流(7~6,8~7,12~6,13~7,14~8,4~10 图6所示,当生成数据包时间间隔在[0.15,0.11之间15~9,16-10),本文统计不同数目数据流下,节点0到节点5 时,Q-TDMA、802.1和TDMA的吞吐量随着生成数据包数据包的平均端到端延迟,仿真时间为450s 时间间隔的减少而增加,并且3种协议的吞吐量大致相 图9表示随着数据流数∏的增加,网络中平均端到端 等。这是山于在这个时间间隔范围内,产生数据包的能力延迟的变化。在整个过程中,802.11随着数据流个数的增 低于节点发送数据包的能力。生成数据包间隔在0.11,0.01」加,竞争节点会相继增加,平均的端到端延迟逐渐增加。 之间时, Q-TDMA的每个节点可以保证在一个周期有一个当数据流数目增加到7条时,TDMA协议延迟突然增大,这 013,49(7) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 是因为数据包在节点4上出现了队列排队延迟,导致数据 delay characteristics.IEEE Transactions on Communica 包的端到端延迟增加;与TDMA相比,巾于Q-TDMA可以 tions Com,1975,23(12):1400-1416 复用时隙,数据包在节点4上没有产生额外的队列排队延3] Fullmer L, arcia-Luna-Acevje sFloor Acquisition Multiple 迟,所以Q-TDMA的延迟保持不变。 Acccss(FAMA) for packct-radio nctworks[C]Proceedings of ACM SIGCOMM 1995 0 802.11 [4 Karn P MACA-a ncw channel acccss protocol for packct E TDMA radio [C]ARRUCRRI. 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March 14-19,2010: 271-275 参考文献 [ll] Durvy M, Thiran P Packing approach to compare slotted [1 Abramson NThe ALOHA system-another alternative for and nonslotted medium access control[C]?Proceedings of computer communications[C]/Proceedings of the Fall Joint IEEE INFOCOM, April 2006 Conputer Conference, 1970: 281-285 [12] Wu X, Srikant R, Perkins J R Queue-length stabilily of [2 Tobagi F, Kleinrock L Packet switching in radio channels I Maximal greedy schedules in wireless networkS[J].IEEE Carrier sense multiple access models and their throughpu Transactions onl Mobile Compuling, 2007: 595-605 (上接5页) [15 QiL Y,Wu w, Gu X D Nonstationary probability densities [11] Hetel L, Daafouz J, Jungers M Delay-dependent sampled-data of a class of nonlinear system excited by external colored ontrol based on delay estimates[J].Systems and Control noise[J.Sci China-Phys Mech Astron, 2012, 55: 477-48 Letters,20l1,60:146-150 [16] Stratonovich R L.Topics in the theory of random noise [12] Maccari A Time delay control for two van der pol oscilla- Vols 2[M].New York: Gordon and Breach, 1986: 170-30.5 tors[].J Comput Nonlin Dyn, 2011,6: 11-16 [17] Gardiner C W.Handbook of stochastic methods for physics [13] Luan B L, Keiji K, Naoyuki H Design and experimental ver chemistry and the natural science[M]. 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