陶建軍，黃 勤，胡 飛，王常虎，楊海芬
（1.西南通信研究所，四川 成都 610041；2.電子科技大學，四川 成都 611731）
0 引言
移動自組網（Mobile Ad-hoc NETworks，MANETs）是一種不依賴于固定基礎設施的無線、多跳、自組織的移動通信網絡。網絡中的每個節點具有數據接收和數據發送的功能，能夠在任何時間、任何地點被快速地組建起來。移動自組網具有諸多優點，被廣泛應用在沒有條件架設基礎設施的場景中[1-3]。
移動自組織網絡的信道接入方式主要有競爭類介質訪問控制層（Media Access Control，MAC）協議、分配類MAC 協議和混合類MAC 協議。競爭類協議主要有載波偵聽多址訪問/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA）協議等，其特點是通過競爭的方式獲取信道；分配類協議主要有碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）和時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）3 類，其特點是信道資源固定分配給網絡節點。目前移動自組網的廣播協議中，以競爭類協議為主，基于CSMA 協議的廣播通信方案按照其發送機制可以分為基于簡單泛洪的廣播方案[4-5]、基于概率轉發的廣播方案[6-7]和基于可靠轉發的廣播方案[8-9]3 種。
在簡單泛洪方案中每個節點都向自己的鄰居節點廣播，由于無線傳輸在空間上具有廣播特性，一個空間區域可能同時受到多個移動節點的無線信號覆蓋，所以簡單的泛洪可能引發廣播風暴，產生大量冗余廣播、信道競爭和傳輸碰撞[10]。在基于概率轉發方法的廣播方案中，每個節點以某種概率向自己的鄰居節點廣播，只有部分節點隨機地參與廣播數據的轉發，節約了帶寬，減少了沖突。基于可靠轉發的廣播方案中，節點通過鄰居信息判斷出下一跳節點，并賦予轉發權限，只有獲得轉發權限的節點參與轉發過程。
盡管基于概率轉發和基于可靠轉發的廣播方案中通過算法一定程度上減少了冗余數據的傳輸，但在這樣的網絡中，節點競爭失敗的概率依然會隨著網絡負載的增加而增大，尤其是在復雜信道環境下，網絡的性能下降愈加明顯。文獻[11]提出空間復用時分多址（Self-Organizing Time Division Multiple Access，STDMA）技術，可以在有效解決鏈式網絡中節點競爭的同時，有效解決傳統TDMA效率低下的問題，但是在節點隨機分布的網絡中，其時隙分配復雜且低效。協同通信技術可以利用空間分集改善網絡傳輸性能，文獻[12-13]基于糾錯編碼和相位抖動提出一種自主協同通信方案，可以在解決信道資源搶占的同時利用空間分集帶來的傳輸增益。最常見的協同通信方法有分布式空時編碼（Distributed Space Time Coding，D-STC）[14]和分布式波束成形（Direct Copper Bond，D-CB）[15-17]。然而協同技術需要大量節點間的協調，分布式波束成形技術需要節點知道協同發送的發射節點數量，并且需要所有的發射節點和接收節點知道信道信息。在動態拓撲的網絡中，頻繁更新節點間的協調信息，這些限制了協同通信技術在無線自組網中的應用。在網絡動態拓撲變化的情況下如何協調節點是研究者需要解決的問題。
本文針對移動自組網場景，提出了一種基于協同通信的廣播網絡方案，充分利用基于競爭類協議在低負載下的傳輸優勢傳輸競爭報文，利用動態時隙分配使節點能夠進行協同通信，同時利用協同通信帶來的傳輸優勢完成數據廣播。仿真實驗結果表明，相較于基于競爭類協議的廣播算法，本文方案在控制開銷、負載能力、數據投遞率及魯棒性方面有顯著提高。
1 研究背景
1.1 STDMA 技術
在移動自組網中，MAC 層采用信道資源固定分配的方式可以有效避免信道資源的搶占，典型的是TDMA 技術，其基本思想是將時間分割成幀，再將幀分為若干時隙，給每個節點分配獨一無二的時隙。TDMA 接入技術從根本上解決了信道沖突問題，但這種時隙分配方式使得網絡在單個時隙內只有一個節點發送數據，極大地浪費了信道資源，因此一般應用在無法對信道占用做出及時判斷的遠距離組網中，例如航空自組網。
STDMA 由傳統TDMA 改進而來，能夠將同一時隙按照不同空間位置分配給不同的節點，其核心是時隙分配算法。在節點隨機分布的網絡中，文獻[18]將時隙分配抽象為圖染色問題，并通過貪婪算法和遺傳算法對其進行優化。而在鏈式網絡中，節點間距在3 跳及以上時，則兩節點之間的數據傳輸可以看作互不干擾，因此本文將3 個時隙作為一個循環，將相同的時隙號分配給間距3 跳的節點以保證節點間不會相互干擾。
定義：存在B個節點的網絡，標記節點集合V=(v0,v1,…,vB-1)，vi和vj分別表示節點i和節點j，0 ≤i,j≤B-1，v0表示源節點，T(vi)表示節點vi時隙。STDMA 時隙分配算法描述如下：
（1）網絡中節點同步，時隙計數m初始化為0，隨時隙增長。源節點分配時隙T(v0)為0，并準備發送包含自身時隙T(v0)的時隙分配報文。
（2）定義節點vi自身時隙T(vi)與m%3（%為取余）相等時為此節點的數據發送時隙。節點若已分配時隙，在數據發送時隙發送時隙分配報文。若節點未分配時隙，則等待時隙分配報文的到來。
（3）若節點vi首次接收到來自上一跳節點vj的時隙分配報文，則根據報文中的時隙信息分配自己的時隙，否則丟棄報文。具體算法為：
重復步驟（2），進行下一跳的時隙分配。
網絡中節點完成時隙分配算法后，數據傳輸過程如圖1 所示，即網絡中的每個節點接收到數據包后，在滿足發送條件的時隙中發送數據包。在時隙計數為3 時，網絡中的源節點和節點3 可以同時發送數據包而不會產生數據沖突。STDMA 技術通過空間復用的方式，能夠有效提高網絡傳輸效率，降低傳輸延時。
圖1 數據傳輸過程
1.2 自主協同通信技術
自主協同通信技術是一種需要較少節點間協調的通信方案，方案中假設有N個發射節點協同發送數據，發射節點將源數據進行分組，訓練序列生成器給每個發射分組插入相同的訓練序列，發射節點獨立地對符號進行相位旋轉，旋轉值對于每組都是恒定的，因此在同一組中，復合信道的唯一變化是由信道傳播因素所導致的。接收端收到從協同發射節點發出的經過相位旋轉后的復合信號，通過訓練序列估計信道響應并進行解碼。假設整個過程只考慮發送和接收信號的等效基帶模型，發射節點發送具有單位能量的符號分組s[k]。對于發射節點n，產生的隨機相位和幅值分別為P[n,k]和A[n,k]，將公共符號s[k]乘以相位P[n,k]和幅值A[n,k]，得到傳輸符號為：
考慮在無記憶信道下引入附加增益G[n]和相位F[n]，則接收端收到N個協同發射機發射的復合數據z[k]為：
其中，噪聲樣本φ[k]獨立于發送符號和協同發射機的數量，則公式（3）可以表示為：
式中：C[k]和Q[k]分別是每個獨立信道所施加的復合增益和相位。在考慮AWGN 信道中僅有兩個協同發射節點的情況下，式（3）可以寫為：
相位序列P[1,k]和P[2,k]利用信道估計得知，即接收機知道復合相位Q[k]，并對接收信號進行反旋轉，得到z[k]為：
如此，接收端即可進行譯碼。自主協同通信方案中協同節點只需保持TDMA 時間同步，利用相位抖動和現代前向糾錯碼即可實現協作通信，這使得節點間無須使用額外的沖突避免協議，在減少傳輸開銷的同時，增強了傳輸的可靠性。
2 方案設計
在移動自組網的廣播方案中，數據鏈路層往往采用CSMA 協議來避免信道的沖突，但是隨著網絡負載的增加，網絡中會產生大量的冗余報文，造成數據沖突，使得過多的網絡資源消耗在信道競爭與數據重傳上，復雜的信道環境進一步影響了數據包的投遞率，極大地限制了自組網廣播的效率。雖然一些方案通過限制節點轉發等方式一定程度降低了冗余報文與數據沖突的概率，但是這些方案往往需要增加控制開銷來維持網絡的拓撲關系，帶來的性能提升有限，而協同通信機制可以在有效解決信道資源搶占的同時充分利用空間分集帶來的傳輸增益。本文通過STDMA 動態時隙分配機制協調節點間的發射關系，將自主協同通信技術應用在數據傳輸上，并與采用CSMA 機制的廣播方案相結合，設計出基于協同通信的廣播算法。
整個廣播過程劃分為多個周期，如圖2 所示，每個周期分為競爭、時隙分配和數據傳輸3 個階段，其中競爭階段采用CSMA 機制，利用其在低負載下的傳輸優勢傳輸少量競爭報文，分配廣播權限；時隙分配階段利用STDMA 時隙分配算法完成時隙的動態分配，使節點傳輸滿足自主協同通信；數據傳輸階段充分利用協同通信帶來的傳輸優勢，完成數據的廣播。通過將3 個過程周期化，克服網絡動態拓撲帶來的影響。
圖2 廣播過程
方案中競爭階段分配固定的時間大小，時隙分配和數據傳輸階段分配M個時隙，而固定時間大小和時隙閾值M的設置應考慮具體場景，對于網絡節點密集、有較多廣播需求的場景，其固定時間大小應適當增加，以保證競爭報文的廣播；對于節點移動頻繁的網絡，應設置較小的時隙閾值M，以應對網絡拓撲的變換。
競爭階段需要完成節點初始化與廣播權限的分配，流程如圖3 所示，具體步驟如下文所述。
圖3 競爭階段流程
定義：VB表示廣播競爭節點集合，VW為普通節點集合，vS為廣播節點。初始條件為vS∈V，且VB∪VW=V，VB∩VW=∅。
（1）若節點vi已初始化，進入步驟（2）；否則，節點初始化參數a(vi)為1，用于產生競爭隨機值。
（2）有廣播需求的節點vi加入集合VB，產生隨機值δ(vi)∈[0,a(vi)]，作為競爭條件，其余節點作為普通節點，加入集合VW。
（3）廣播競爭節點在競爭階段采用洪泛協議廣播競爭報文（Control Packet Transmission，CPT）δtx(vi)，其中δtx(vi)表示發送節點vi產生的隨機值δ(vi)。
（4）節點vj首次接收到CPT，取得δtx(vi)并進行報文轉發。若vj∈VB，且δ(vj)小于δtx(vi)，則節點vj本周期競爭失敗，更新參數a(vj)=1-δ(vj)，加入普通節點集合VW。
（5）對于節點vi∈VB，且競爭階段結束時δ(vi)一直屬于最小值，則節點vi取得廣播權限，在本周期中成為廣播節點vS。
（6）進入控制報文階段。
如圖4 所示為控制報文與數據傳輸階段流程。在控制報文階段，通過控制報文完成網絡中節點時隙的分配；在數據傳輸階段，通過自主協同通信算法每個節點按照已分配好的時隙進行數據傳輸。具體步驟如下文所述。
圖4 控制報文階段與數據傳輸階段流程
控制報文階段：
（1）節點初始化參數時隙閾值M，參數時隙計數m為0，隨時隙增長。廣播節點vS定義自身時隙T(vS)為0。發送包含時隙的控制報文，進入數據傳輸階段。普通節點則等待時隙分配。
（2）若節點首次接收到時隙分配報文，則根據接收到控制報文中的時隙信息分配自己的時隙。
（3）若節點在自身分配時隙后再次收到時隙分配報文，丟棄報文并將自身節點種類從普通節點變更為中繼節點；否則，自身節點種類從普通節點變更為邊界節點。
（4）進入數據傳輸階段。
數據傳輸階段：
（1）廣播節點vS準備發送數據包，在節點的數據發送時隙進行數據包廣播。
（2）若節點為中繼節點，并且是首次接收到此數據包，則在數據發送時隙協同轉發數據包，若接收到重復的數據包，則丟棄。
（3）若節點為邊界節點，則節點在接收到數據包后，不進行任何轉發。
（4）若時隙計數m小于時隙閾值M，則重復步驟（1）、（2）、（3）；若時隙計數m大于等于M，進入步驟（5）。
（5）節點種類變更為普通節點，時隙計數清零，各節點時隙清除，進入競爭階段。
圖5 給出了時隙分配與數據傳輸示例。如圖所示，節點vS獲得廣播權限后，進入時隙分配階段，T(vS)和時隙計數m初始化為0。此時，vS滿足發送條件，發送包含自身時隙T(vS)的時隙分配報文。由于無線信道的特性，距離源節點一跳的鄰居節點都會收到包含廣播節點時隙信息的報文。源節點vS的鄰居節點讀取報文中時隙信息T(vS)，按式（1）分配時隙為1，并等待發送時隙的到來。
圖5 時隙分配與數據傳輸示例
隨著時隙計數m的增長，廣播節點開始發送數據報文，此時網絡中可能存在正在進行時隙分配過程的節點，但是與廣播節點至少有3 跳距離，并不會對數據發送產生影響，這也是STDMA 空間復用帶來的傳輸優勢。當一跳節點收到數據包時，等待發送時隙進行轉發。到達發送時隙時，動態時隙分配機制使得所有一跳節點滿足自主協同通信的條件，能夠協同地將數據包發送至兩跳節點，廣播節點同樣會收到來自一跳節點的數據包，因為是已經發送過的數據包，對比后丟棄。網絡中節點重復這個過程，完成數據廣播過程。當時隙計數m與時隙閾值M相等時，時隙計數m清零，節點時隙清除，進入下一個廣播周期。
3 性能仿真及結果分析
本文采用NS-2 離散網絡仿真軟件對提出的協同廣播方案進行仿真，并與采用洪泛協議、北美國家廣播（North Country Public Radio，NCPR）協議和邏輯塊尋址（Logical Block Addressing，LBA）協議的廣播網絡在不同節點密度、網絡負載以及移動速度下的網絡性能進行對比，節點移動采用隨機移動模型，詳細的仿真參數如表1 所示。
表1 默認仿真參數
圖6 仿真了不同任務負載下不同廣播協議的分組傳輸開銷。可以看出，洪泛協議的分組傳輸開銷隨著任務負載的增加而增加，當任務負載大于30 packet/s 時，傳輸開銷明顯增加，這是因為洪泛過程中會產生大量的冗余分組，造成了大量的沖突，增加了網絡的傳輸開銷。基于概率轉發的NCPR 和基于可靠轉發的LBA 協議通過減少節點的轉發，一定程度上限制了冗余報文，降低了傳輸開銷，但當任務負載達到50 packet/s 時，傳輸開銷也有了明顯漲幅，說明網絡中的信道競爭開始出現。在基于協同通信的廣播中，節點間按照分配好的時隙對數據包只進行一次轉發，大幅度降低了分組傳輸的 開銷。
不同任務負載對于投遞率的影響如圖7 所示。由于協同通信可以在避免信道資源搶占的同時充分利用空間分集帶來的傳輸增益，所以網絡投遞率一直處于較高水平。NCPR 和LBA 協議網絡投遞率相較于協同通信廣播下降了2.0%～6.3%。 展示了不同移動速度對廣播控制開銷的影響。實驗結果表明，移動速度對LBA 和NCPR 的控制開銷有明顯影響，隨著節點移動速度的增加，網絡拓撲變化加快，鏈路的穩定性下降，NCPR 和LBA 協議需要更多的控制開銷來維護網絡的拓撲，以保證數據的傳輸。基于協同通信的廣播網絡由于是周期性更新網絡，只在競爭階段和時隙分配階段產生控制開銷，所以控制開銷受節點移動的影響不大。
圖9 給出了不同移動速度對分組投遞率的影響。可以看出，所有廣播方案的性能都隨著節點移動速度的增大而降低。洪泛協議由于每個節點都參與廣播，因此投遞率相較于其他3 個廣播協議仍處于較高水平。協同通信的廣播由于節點間的協同帶來的優勢，在低移動速度下有較高投遞率，但隨著節點移動速度增加，網絡拓撲變化破壞了時隙分配，節點間會出現一定沖突，導致投遞率下降。而LBA與NCPR 這種需要維護鄰居信息的廣播協議，節點的移動使得網絡的投遞率大幅降低。
圖9 移動速度對投遞率的影響
在節點數量低于150 時，隨著節點數量的增加，數據包投遞率均有了一定的提升，除洪泛協議外的3 種協議平均時延均有一定的下降。節點數量高于150 時，隨著節點數量的提升，基于協同通信的廣播網絡投遞率和平均延時趨于穩定，其他3 種協議投遞率逐漸下降，平均延時出現明顯增加。這主要是因為在節點稀疏的網絡環境里，節點數量的上升使得網絡的連通性增加，提升了網絡投遞率。對于協同廣播網絡，網絡的平均延時主要取決于時隙的大小和傳輸時隙的數量，網絡連通性增加使得網絡的平均傳輸時隙降低，也進一步降低了端到端平均延時。對于NCPR 和LBA 協議，網絡連通性增加使得網絡的開銷進一步減小，這使得廣播方案的運行更加有效，降低了端到端平均延時。但在節點密集的網絡環境里，持續增加的節點使得網絡變得更加擁擠，采用CSMA 競爭協議的廣播方案會加劇信道的競爭和沖突，增加重傳的概率，導致平均時延的增加和數據包投遞率的下降。對于協同廣播網絡，節點密度的增加帶來更多的傳輸增益，也進一步提高了網絡的連通性，而網絡廣播所占用的平均時隙數量并沒有增加，這使得網絡能夠在較低平均時延下仍保持較高的傳輸投遞率。
4 結語
為了提高移動自組網的廣播性能，針對目前基于CSMA 競爭信道廣播協議存在的問題，本文將動態時隙分配技術與協同通信算法相結合，提出了一種基于協同通信的廣播方案。該方案分為競爭階段、時隙分配階段以及數據傳輸階段。利用基于CSMA競爭信道的廣播協議在低負載下的傳輸優勢進行廣播權限競爭，利用時隙分配和協同通信帶來的傳輸優勢，完成數據的廣播，并通過將3 個過程周期化，克服了網絡動態拓撲帶來的影響。仿真結果表明，基于協同通信的廣播方案在傳輸開銷、投遞率和平均延時方面都優于NCPR 和LBA 廣播協議。在節點數量較多或網絡負載較高時，基于協同通信的廣播方案不會產生大量的冗余傳輸及信道競爭，這使得該方案的網絡性能有更加明顯的優勢。
