陶建軍，黃 勤，胡 飛，王�；�，楊海芬
（1.西南通信研究所，四川 成都 610041；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）
0 引言
移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad-hoc NETworks，MANETs）是一種不依賴于固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線、多跳、自組織的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送的功能，能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)被快速地組建起來。移動(dòng)自組網(wǎng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在沒有條件架設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的場景中[1-3]。
移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的信道接入方式主要有競爭類介質(zhì)訪問控制層（Media Access Control，MAC）協(xié)議、分配類MAC 協(xié)議和混合類MAC 協(xié)議。競爭類協(xié)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(xié)議等，其特點(diǎn)是通過競爭的方式獲取信道；分配類協(xié)議主要有碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）和時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）3 類，其特點(diǎn)是信道資源固定分配給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。目前移動(dòng)自組網(wǎng)的廣播協(xié)議中，以競爭類協(xié)議為主，基于CSMA 協(xié)議的廣播通信方案按照其發(fā)送機(jī)制可以分為基于簡單泛洪的廣播方案[4-5]、基于概率轉(zhuǎn)發(fā)的廣播方案[6-7]和基于可靠轉(zhuǎn)發(fā)的廣播方案[8-9]3 種。
在簡單泛洪方案中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播，由于無線傳輸在空間上具有廣播特性，一個(gè)空間區(qū)域可能同時(shí)受到多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)覆蓋，所以簡單的泛洪可能引發(fā)廣播風(fēng)暴，產(chǎn)生大量冗余廣播、信道競爭和傳輸碰撞[10]。在基于概率轉(zhuǎn)發(fā)方法的廣播方案中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以某種概率向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播，只有部分節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地參與廣播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)約了帶寬，減少了沖突。基于可靠轉(zhuǎn)發(fā)的廣播方案中，節(jié)點(diǎn)通過鄰居信息判斷出下一跳節(jié)點(diǎn)，并賦予轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限，只有獲得轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限的節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)過程。
盡管基于概率轉(zhuǎn)發(fā)和基于可靠轉(zhuǎn)發(fā)的廣播方案中通過算法一定程度上減少了冗余數(shù)據(jù)的傳輸，但在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)競爭失敗的概率依然會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增大，尤其是在復(fù)雜信道環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的性能下降愈加明顯。文獻(xiàn)[11]提出空間復(fù)用時(shí)分多址（Self-Organizing Time Division Multiple Access，STDMA）技術(shù)，可以在有效解決鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)競爭的同時(shí)，有效解決傳統(tǒng)TDMA效率低下的問題，但是在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)中，其時(shí)隙分配復(fù)雜且低效。協(xié)同通信技術(shù)可以利用空間分集改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，文獻(xiàn)[12-13]基于糾錯(cuò)編碼和相位抖動(dòng)提出一種自主協(xié)同通信方案，可以在解決信道資源搶占的同時(shí)利用空間分集帶來的傳輸增益。最常見的協(xié)同通信方法有分布式空時(shí)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(xié)同技術(shù)需要大量節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)，分布式波束成形技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)知道協(xié)同發(fā)送的發(fā)射節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并且需要所有的發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)知道信道信息。在動(dòng)態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中，頻繁更新節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)信息，這些限制了協(xié)同通信技術(shù)在無線自組網(wǎng)中的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓那闆r下如何協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是研究者需要解決的問題。
本文針對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)場景，提出了一種基于協(xié)同通信的廣播網(wǎng)絡(luò)方案，充分利用基于競爭類協(xié)議在低負(fù)載下的傳輸優(yōu)勢(shì)傳輸競爭報(bào)文，利用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配使節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行協(xié)同通信，同時(shí)利用協(xié)同通信帶來的傳輸優(yōu)勢(shì)完成數(shù)據(jù)廣播。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于基于競爭類協(xié)議的廣播算法，本文方案在控制開銷、負(fù)載能力、數(shù)據(jù)投遞率及魯棒性方面有顯著提高。
1 研究背景
1.1 STDMA 技術(shù)
在移動(dòng)自組網(wǎng)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(shù)，其基本思想是將時(shí)間分割成幀，再將幀分為若干時(shí)隙，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)一無二的時(shí)隙。TDMA 接入技術(shù)從根本上解決了信道沖突問題，但這種時(shí)隙分配方式使得網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，極大地浪費(fèi)了信道資源，因此一般應(yīng)用在無法對(duì)信道占用做出及時(shí)判斷的遠(yuǎn)距離組網(wǎng)中，例如航空自組網(wǎng)。
STDMA 由傳統(tǒng)TDMA 改進(jìn)而來，能夠?qū)⑼粫r(shí)隙按照不同空間位置分配給不同的節(jié)點(diǎn)，其核心是時(shí)隙分配算法。在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[18]將時(shí)隙分配抽象為圖染色問題，并通過貪婪算法和遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。而在鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間距在3 跳及以上時(shí)，則兩節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸可以看作互不干擾，因此本文將3 個(gè)時(shí)隙作為一個(gè)循環(huán)，將相同的時(shí)隙號(hào)分配給間距3 跳的節(jié)點(diǎn)以保證節(jié)點(diǎn)間不會(huì)相互干擾。
定義：存在B個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)集合V=(v0,v1,…,vB-1)，vi和vj分別表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j，0 ≤i,j≤B-1，v0表示源節(jié)點(diǎn)，T(vi)表示節(jié)點(diǎn)vi時(shí)隙。STDMA 時(shí)隙分配算法描述如下：
（1）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)同步，時(shí)隙計(jì)數(shù)m初始化為0，隨時(shí)隙增長。源節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙T(v0)為0，并準(zhǔn)備發(fā)送包含自身時(shí)隙T(v0)的時(shí)隙分配報(bào)文。
（2）定義節(jié)點(diǎn)vi自身時(shí)隙T(vi)與m%3（%為取余）相等時(shí)為此節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙。節(jié)點(diǎn)若已分配時(shí)隙，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送時(shí)隙分配報(bào)文。若節(jié)點(diǎn)未分配時(shí)隙，則等待時(shí)隙分配報(bào)文的到來。
（3）若節(jié)點(diǎn)vi首次接收到來自上一跳節(jié)點(diǎn)vj的時(shí)隙分配報(bào)文，則根據(jù)報(bào)文中的時(shí)隙信息分配自己的時(shí)隙，否則丟棄報(bào)文。具體算法為：
重復(fù)步驟（2），進(jìn)行下一跳的時(shí)隙分配。
網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)完成時(shí)隙分配算法后，數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1 所示，即網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，在滿足發(fā)送條件的時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)包。在時(shí)隙計(jì)數(shù)為3 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)3 可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。STDMA 技術(shù)通過空間復(fù)用的方式，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，降低傳輸延時(shí)。
圖1 數(shù)據(jù)傳輸過程
1.2 自主協(xié)同通信技術(shù)
自主協(xié)同通信技術(shù)是一種需要較少節(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)的通信方案，方案中假設(shè)有N個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)協(xié)同發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)將源數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，訓(xùn)練序列生成器給每個(gè)發(fā)射分組插入相同的訓(xùn)練序列，發(fā)射節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地對(duì)符號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)值對(duì)于每組都是恒定的，因此在同一組中，復(fù)合信道的唯一變化是由信道傳播因素所導(dǎo)致的。接收端收到從協(xié)同發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)出的經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)后的復(fù)合信號(hào)，通過訓(xùn)練序列估計(jì)信道響應(yīng)并進(jìn)行解碼。假設(shè)整個(gè)過程只考慮發(fā)送和接收信號(hào)的等效基帶模型，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有單位能量的符號(hào)分組s[k]。對(duì)于發(fā)射節(jié)點(diǎn)n，產(chǎn)生的隨機(jī)相位和幅值分別為P[n,k]和A[n,k]，將公共符號(hào)s[k]乘以相位P[n,k]和幅值A(chǔ)[n,k]，得到傳輸符號(hào)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(gè)協(xié)同發(fā)射機(jī)發(fā)射的復(fù)合數(shù)據(jù)z[k]為：
其中，噪聲樣本φ[k]獨(dú)立于發(fā)送符號(hào)和協(xié)同發(fā)射機(jī)的數(shù)量，則公式（3）可以表示為：
式中：C[k]和Q[k]分別是每個(gè)獨(dú)立信道所施加的復(fù)合增益和相位。在考慮AWGN 信道中僅有兩個(gè)協(xié)同發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(jì)得知，即接收機(jī)知道復(fù)合相位Q[k]，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)，得到z[k]為：
如此，接收端即可進(jìn)行譯碼。自主協(xié)同通信方案中協(xié)同節(jié)點(diǎn)只需保持TDMA 時(shí)間同步，利用相位抖動(dòng)和現(xiàn)代前向糾錯(cuò)碼即可實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信，這使得節(jié)點(diǎn)間無須使用額外的沖突避免協(xié)議，在減少傳輸開銷的同時(shí)，增強(qiáng)了傳輸?shù)目煽啃浴?/P>
2 方案設(shè)計(jì)
在移動(dòng)自組網(wǎng)的廣播方案中，數(shù)據(jù)鏈路層往往采用CSMA 協(xié)議來避免信道的沖突，但是隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)產(chǎn)生大量的冗余報(bào)文，造成數(shù)據(jù)沖突，使得過多的網(wǎng)絡(luò)資源消耗在信道競爭與數(shù)據(jù)重傳上，復(fù)雜的信道環(huán)境進(jìn)一步影響了數(shù)據(jù)包的投遞率，極大地限制了自組網(wǎng)廣播的效率。雖然一些方案通過限制節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)等方式一定程度降低了冗余報(bào)文與數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系，帶來的性能提升有限，而協(xié)同通信機(jī)制可以在有效解決信道資源搶占的同時(shí)充分利用空間分集帶來的傳輸增益。本文通過STDMA 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配機(jī)制協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的發(fā)射關(guān)系，將自主協(xié)同通信技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸上，并與采用CSMA 機(jī)制的廣播方案相結(jié)合，設(shè)計(jì)出基于協(xié)同通信的廣播算法。
整個(gè)廣播過程劃分為多個(gè)周期，如圖2 所示，每個(gè)周期分為競爭、時(shí)隙分配和數(shù)據(jù)傳輸3 個(gè)階段，其中競爭階段采用CSMA 機(jī)制，利用其在低負(fù)載下的傳輸優(yōu)勢(shì)傳輸少量競爭報(bào)文，分配廣播權(quán)限；時(shí)隙分配階段利用STDMA 時(shí)隙分配算法完成時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配，使節(jié)點(diǎn)傳輸滿足自主協(xié)同通信；數(shù)據(jù)傳輸階段充分利用協(xié)同通信帶來的傳輸優(yōu)勢(shì)，完成數(shù)據(jù)的廣播。通過將3 個(gè)過程周期化，克服網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)鋷淼挠绊憽?/P>
圖2 廣播過程
方案中競爭階段分配固定的時(shí)間大小，時(shí)隙分配和數(shù)據(jù)傳輸階段分配M個(gè)時(shí)隙，而固定時(shí)間大小和時(shí)隙閾值M的設(shè)置應(yīng)考慮具體場景，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集、有較多廣播需求的場景，其固定時(shí)間大小應(yīng)適當(dāng)增加，以保證競爭報(bào)文的廣播；對(duì)于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)設(shè)置較小的時(shí)隙閾值M，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖儞Q。
競爭階段需要完成節(jié)點(diǎn)初始化與廣播權(quán)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(jié)點(diǎn)集合，VW為普通節(jié)點(diǎn)集合，vS為廣播節(jié)點(diǎn)。初始條件為vS∈V，且VB∪VW=V，VB∩VW=∅。
（1）若節(jié)點(diǎn)vi已初始化，進(jìn)入步驟（2）；否則，節(jié)點(diǎn)初始化參數(shù)a(vi)為1，用于產(chǎn)生競爭隨機(jī)值。
（2）有廣播需求的節(jié)點(diǎn)vi加入集合VB，產(chǎn)生隨機(jī)值δ(vi)∈[0,a(vi)]，作為競爭條件，其余節(jié)點(diǎn)作為普通節(jié)點(diǎn)，加入集合VW。
（3）廣播競爭節(jié)點(diǎn)在競爭階段采用洪泛協(xié)議廣播競爭報(bào)文（Control Packet Transmission，CPT）δtx(vi)，其中δtx(vi)表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)vi產(chǎn)生的隨機(jī)值δ(vi)。
（4）節(jié)點(diǎn)vj首次接收到CPT，取得δtx(vi)并進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。若vj∈VB，且δ(vj)小于δtx(vi)，則節(jié)點(diǎn)vj本周期競爭失敗，更新參數(shù)a(vj)=1-δ(vj)，加入普通節(jié)點(diǎn)集合VW。
（5）對(duì)于節(jié)點(diǎn)vi∈VB，且競爭階段結(jié)束時(shí)δ(vi)一直屬于最小值，則節(jié)點(diǎn)vi取得廣播權(quán)限，在本周期中成為廣播節(jié)點(diǎn)vS。
（6）進(jìn)入控制報(bào)文階段。
如圖4 所示為控制報(bào)文與數(shù)據(jù)傳輸階段流程。在控制報(bào)文階段，通過控制報(bào)文完成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的分配；在數(shù)據(jù)傳輸階段，通過自主協(xié)同通信算法每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照已分配好的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體步驟如下文所述。
圖4 控制報(bào)文階段與數(shù)據(jù)傳輸階段流程
控制報(bào)文階段：
（1）節(jié)點(diǎn)初始化參數(shù)時(shí)隙閾值M，參數(shù)時(shí)隙計(jì)數(shù)m為0，隨時(shí)隙增長。廣播節(jié)點(diǎn)vS定義自身時(shí)隙T(vS)為0。發(fā)送包含時(shí)隙的控制報(bào)文，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。普通節(jié)點(diǎn)則等待時(shí)隙分配。
（2）若節(jié)點(diǎn)首次接收到時(shí)隙分配報(bào)文，則根據(jù)接收到控制報(bào)文中的時(shí)隙信息分配自己的時(shí)隙。
（3）若節(jié)點(diǎn)在自身分配時(shí)隙后再次收到時(shí)隙分配報(bào)文，丟棄報(bào)文并將自身節(jié)點(diǎn)種類從普通節(jié)點(diǎn)變更為中繼節(jié)點(diǎn)；否則，自身節(jié)點(diǎn)種類從普通節(jié)點(diǎn)變更為邊界節(jié)點(diǎn)。
（4）進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。
數(shù)據(jù)傳輸階段：
（1）廣播節(jié)點(diǎn)vS準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包，在節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)包廣播。
（2）若節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，并且是首次接收到此數(shù)據(jù)包，則在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，若接收到重復(fù)的數(shù)據(jù)包，則丟棄。
（3）若節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后，不進(jìn)行任何轉(zhuǎn)發(fā)。
（4）若時(shí)隙計(jì)數(shù)m小于時(shí)隙閾值M，則重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）；若時(shí)隙計(jì)數(shù)m大于等于M，進(jìn)入步驟（5）。
（5）節(jié)點(diǎn)種類變更為普通節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙計(jì)數(shù)清零，各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙清除，進(jìn)入競爭階段。
圖5 給出了時(shí)隙分配與數(shù)據(jù)傳輸示例。如圖所示，節(jié)點(diǎn)vS獲得廣播權(quán)限后，進(jìn)入時(shí)隙分配階段，T(vS)和時(shí)隙計(jì)數(shù)m初始化為0。此時(shí)，vS滿足發(fā)送條件，發(fā)送包含自身時(shí)隙T(vS)的時(shí)隙分配報(bào)文。由于無線信道的特性，距離源節(jié)點(diǎn)一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到包含廣播節(jié)點(diǎn)時(shí)隙信息的報(bào)文。源節(jié)點(diǎn)vS的鄰居節(jié)點(diǎn)讀取報(bào)文中時(shí)隙信息T(vS)，按式（1）分配時(shí)隙為1，并等待發(fā)送時(shí)隙的到來。
圖5 時(shí)隙分配與數(shù)據(jù)傳輸示例
隨著時(shí)隙計(jì)數(shù)m的增長，廣播節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中可能存在正在進(jìn)行時(shí)隙分配過程的節(jié)點(diǎn)，但是與廣播節(jié)點(diǎn)至少有3 跳距離，并不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生影響，這也是STDMA 空間復(fù)用帶來的傳輸優(yōu)勢(shì)。當(dāng)一跳節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，等待發(fā)送時(shí)隙進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。到達(dá)發(fā)送時(shí)隙時(shí)，動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配機(jī)制使得所有一跳節(jié)點(diǎn)滿足自主協(xié)同通信的條件，能夠協(xié)同地將數(shù)據(jù)包發(fā)送至兩跳節(jié)點(diǎn)，廣播節(jié)點(diǎn)同樣會(huì)收到來自一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，因?yàn)槭且呀?jīng)發(fā)送過的數(shù)據(jù)包，對(duì)比后丟棄。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)重復(fù)這個(gè)過程，完成數(shù)據(jù)廣播過程。當(dāng)時(shí)隙計(jì)數(shù)m與時(shí)隙閾值M相等時(shí)，時(shí)隙計(jì)數(shù)m清零，節(jié)點(diǎn)時(shí)隙清除，進(jìn)入下一個(gè)廣播周期。
3 性能仿真及結(jié)果分析
本文采用NS-2 離散網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)提出的協(xié)同廣播方案進(jìn)行仿真，并與采用洪泛協(xié)議、北美國家廣播（North Country Public Radio，NCPR）協(xié)議和邏輯塊尋址（Logical Block Addressing，LBA）協(xié)議的廣播網(wǎng)絡(luò)在不同節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及移動(dòng)速度下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行對(duì)比，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)采用隨機(jī)移動(dòng)模型，詳細(xì)的仿真參數(shù)如表1 所示。
表1 默認(rèn)仿真參數(shù)
圖6 仿真了不同任務(wù)負(fù)載下不同廣播協(xié)議的分組傳輸開銷�？梢钥闯觯榉簠f(xié)議的分組傳輸開銷隨著任務(wù)負(fù)載的增加而增加，當(dāng)任務(wù)負(fù)載大于30 packet/s 時(shí)，傳輸開銷明顯增加，這是因?yàn)楹榉哼^程中會(huì)產(chǎn)生大量的冗余分組，造成了大量的沖突，增加了網(wǎng)絡(luò)的傳輸開銷�；诟怕兽D(zhuǎn)發(fā)的NCPR 和基于可靠轉(zhuǎn)發(fā)的LBA 協(xié)議通過減少節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，一定程度上限制了冗余報(bào)文，降低了傳輸開銷，但當(dāng)任務(wù)負(fù)載達(dá)到50 packet/s 時(shí)，傳輸開銷也有了明顯漲幅，說明網(wǎng)絡(luò)中的信道競爭開始出現(xiàn)。在基于協(xié)同通信的廣播中，節(jié)點(diǎn)間按照分配好的時(shí)隙對(duì)數(shù)據(jù)包只進(jìn)行一次轉(zhuǎn)發(fā)，大幅度降低了分組傳輸?shù)?開銷。
不同任務(wù)負(fù)載對(duì)于投遞率的影響如圖7 所示。由于協(xié)同通信可以在避免信道資源搶占的同時(shí)充分利用空間分集帶來的傳輸增益，所以網(wǎng)絡(luò)投遞率一直處于較高水平。NCPR 和LBA 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)投遞率相較于協(xié)同通信廣播下降了2.0%～6.3%。 展示了不同移動(dòng)速度對(duì)廣播控制開銷的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)速度對(duì)LBA 和NCPR 的控制開銷有明顯影響，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓涌�，鏈路的穩(wěn)定性下降，NCPR 和LBA 協(xié)議需要更多的控制開銷來維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)�，以保證數(shù)據(jù)的傳輸�；趨f(xié)同通信的廣播網(wǎng)絡(luò)由于是周期性更新網(wǎng)絡(luò)，只在競爭階段和時(shí)隙分配階段產(chǎn)生控制開銷，所以控制開銷受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響不大。
圖9 給出了不同移動(dòng)速度對(duì)分組投遞率的影響�？梢钥闯�，所有廣播方案的性能都隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大而降低。洪泛協(xié)議由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與廣播，因此投遞率相較于其他3 個(gè)廣播協(xié)議仍處于較高水平。協(xié)同通信的廣播由于節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同帶來的優(yōu)勢(shì)，在低移動(dòng)速度下有較高投遞率，但隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓茐牧藭r(shí)隙分配，節(jié)點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)一定沖突，導(dǎo)致投遞率下降。而LBA與NCPR 這種需要維護(hù)鄰居信息的廣播協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)使得網(wǎng)絡(luò)的投遞率大幅降低。
圖9 移動(dòng)速度對(duì)投遞率的影響
在節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于150 時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)包投遞率均有了一定的提升，除洪泛協(xié)議外的3 種協(xié)議平均時(shí)延均有一定的下降。節(jié)點(diǎn)數(shù)量高于150 時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的提升，基于協(xié)同通信的廣播網(wǎng)絡(luò)投遞率和平均延時(shí)趨于穩(wěn)定，其他3 種協(xié)議投遞率逐漸下降，平均延時(shí)出現(xiàn)明顯增加。這主要是因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的上升使得網(wǎng)絡(luò)的連通性增加，提升了網(wǎng)絡(luò)投遞率。對(duì)于協(xié)同廣播網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的平均延時(shí)主要取決于時(shí)隙的大小和傳輸時(shí)隙的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)連通性增加使得網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸時(shí)隙降低，也進(jìn)一步降低了端到端平均延時(shí)。對(duì)于NCPR 和LBA 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)連通性增加使得網(wǎng)絡(luò)的開銷進(jìn)一步減小，這使得廣播方案的運(yùn)行更加有效，降低了端到端平均延時(shí)。但在節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，持續(xù)增加的節(jié)點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)變得更加擁擠，采用CSMA 競爭協(xié)議的廣播方案會(huì)加劇信道的競爭和沖突，增加重傳的概率，導(dǎo)致平均時(shí)延的增加和數(shù)據(jù)包投遞率的下降。對(duì)于協(xié)同廣播網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)密度的增加帶來更多的傳輸增益，也進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性，而網(wǎng)絡(luò)廣播所占用的平均時(shí)隙數(shù)量并沒有增加，這使得網(wǎng)絡(luò)能夠在較低平均時(shí)延下仍保持較高的傳輸投遞率。
4 結(jié)語
為了提高移動(dòng)自組網(wǎng)的廣播性能，針對(duì)目前基于CSMA 競爭信道廣播協(xié)議存在的問題，本文將動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配技術(shù)與協(xié)同通信算法相結(jié)合，提出了一種基于協(xié)同通信的廣播方案。該方案分為競爭階段、時(shí)隙分配階段以及數(shù)據(jù)傳輸階段。利用基于CSMA競爭信道的廣播協(xié)議在低負(fù)載下的傳輸優(yōu)勢(shì)進(jìn)行廣播權(quán)限競爭，利用時(shí)隙分配和協(xié)同通信帶來的傳輸優(yōu)勢(shì)，完成數(shù)據(jù)的廣播，并通過將3 個(gè)過程周期化，克服了網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)鋷淼挠绊憽７抡娼Y(jié)果表明，基于協(xié)同通信的廣播方案在傳輸開銷、投遞率和平均延時(shí)方面都優(yōu)于NCPR 和LBA 廣播協(xié)議。在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，基于協(xié)同通信的廣播方案不會(huì)產(chǎn)生大量的冗余傳輸及信道競爭，這使得該方案的網(wǎng)絡(luò)性能有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。
