劉炳奇　王海峰

[摘要]研究FAMA協(xié)議在雙層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，闡述FAMA協(xié)議的算法機(jī)制和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。結(jié)果表明采用發(fā)送包序列方式可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，可以在雙層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

[關(guān)鍵詞]FAMA協(xié)議 分層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310051－01

一、ＦＡＭＡ協(xié)議概述

FAMA協(xié)議于1995年由美國(guó)科學(xué)家提出，用于無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)AMA協(xié)議提出的目的是為了更好地解決多址接入沖突避免協(xié)議（MACA）中仍然存在的終端隱藏問(wèn)題，F(xiàn)AMA代表了一類(lèi)MAC層協(xié)議，這種方案分為兩個(gè)階段，首先獲取信道（通過(guò)發(fā)出大量的確認(rèn)數(shù)據(jù)包），然后就是實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣就可以比較有效的避免沖突，因?yàn)槊看味寄鼙ＷC該信道被分配后能成功傳送數(shù)據(jù)而沒(méi)有沖突。FAMA是通過(guò)延長(zhǎng)RTS和CTS控制報(bào)文的長(zhǎng)度來(lái)消除控制報(bào)文的沖突，比較好地解決了隱終端問(wèn)題。FAMA還允許一次RTS-CTS交互成功，結(jié)點(diǎn)可發(fā)送多個(gè)報(bào)文，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。FAMA是基于單信道的分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議中較成功的一種。美軍在無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（WINGS）中使用的信道接入?yún)f(xié)議就是FAMA協(xié)議，國(guó)內(nèi)已用于寬帶數(shù)字電臺(tái)中，但還未對(duì)該協(xié)議的性能作定性定量分析。FAMA協(xié)議的接入過(guò)程分兩個(gè)階段：首先獲取信道的控制權(quán)（FLOOR）（通過(guò)發(fā)出大量的控制包），然后就是實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)包。所謂“FLOOR”捕獲，是指有數(shù)據(jù)發(fā)送的站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先要獲得接收方周?chē)男诺揽刂茩?quán)，這樣可以確保傳送數(shù)據(jù)包時(shí)不會(huì)被碰撞。為了確保FLOOR捕獲成功，CTS信號(hào)持續(xù)時(shí)間必須比RTS信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這樣才能保證來(lái)自接收端的CTS信號(hào)足夠長(zhǎng)，讓跟發(fā)送端互為隱藏的終端收到這個(gè)禁止發(fā)送的信號(hào)。雖然諸如MACA，IEEE802.11 DFWMAC，MACAW等協(xié)議均采用了RTS/CTS握手協(xié)議來(lái)解決CSMA中的隱藏終端問(wèn)題，但是我們可以很容易就用例子來(lái)顯示它們并不能很好解決隱藏終端問(wèn)題，而會(huì)在發(fā)送DATA期間，產(chǎn)生碰撞。

二、FAMA-NCS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

FAMA-NCS協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：已初始化的用戶(hù)站必須等待段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間為在信道上發(fā)送最長(zhǎng)信息包所花的時(shí)間以及在整個(gè)信道上的來(lái)回時(shí)間之和，它使任意一個(gè)正在接收數(shù)據(jù)包的相鄰站順利完成接收。這個(gè)初始化時(shí)間也使該用戶(hù)站能了解進(jìn)行中的無(wú)線信道信息傳輸情況，如果在初始化時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到載波，用戶(hù)站便轉(zhuǎn)向無(wú)源（PASSIVE）狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)端（REMOTE）狀態(tài)。如果初始化正確（如，沒(méi)有信息包發(fā)送，又偵聽(tīng)到空閑信道），用戶(hù)站才能處于無(wú)源（PASSIVE）狀態(tài)。在所有其它狀態(tài)下，用戶(hù)站必須用一段時(shí)間偵聽(tīng)信道，足以讓相鄰站有時(shí)間完成數(shù)據(jù)接收。處于PASSIVE狀態(tài)，并偵聽(tīng)到載波的用戶(hù)站轉(zhuǎn)向REMOTE狀態(tài)。另一方面，在PASSIVE狀態(tài)下，收到信息包準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)，用戶(hù)站必須發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送的信號(hào)（RTS）然后轉(zhuǎn)向RTS狀態(tài)，發(fā)送信息的用戶(hù)站須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓對(duì)方發(fā)回CTS信號(hào)。如果在允許時(shí)間沒(méi)有收到CTS，發(fā)送轉(zhuǎn)向BACKOFF狀態(tài)。如果發(fā)送者在發(fā)出RTS后聽(tīng)到信道上有噪音，假定與相鄰的RTS相碰撞，那么須等足夠長(zhǎng)時(shí)間，讓相鄰站接收最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包。

對(duì)于各站點(diǎn)偵聽(tīng)到信道忙時(shí)，根據(jù)不同情況采取不同退避時(shí)間，具體做法如下：

（1）當(dāng)偵聽(tīng)到非本站的RTS信號(hào)后，站點(diǎn)必須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓目的站點(diǎn)發(fā)送給源站點(diǎn)CTS信號(hào)。

（2）聽(tīng)到非本站的CTS信號(hào)后，站點(diǎn)必須等足夠長(zhǎng)時(shí)間讓其它站點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包。

（3）當(dāng)偵聽(tīng)到DATA信號(hào)后，也需要等待一個(gè)時(shí)間，讓目的站點(diǎn)處理數(shù)據(jù)。

（4）當(dāng)偵聽(tīng)到噪聲（控制包碰撞了）后，等待數(shù)據(jù)要足夠長(zhǎng)，使得其它站點(diǎn)能夠在此時(shí)間內(nèi)接收到最大數(shù)據(jù)包。

為了提高信道的利用率，一個(gè)站點(diǎn)成功獲取FLOOR后，可以動(dòng)態(tài)地發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)送個(gè)數(shù)可以設(shè)置一個(gè)最大限額，這就是所謂的包序列發(fā)送，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的握手機(jī)制就可以支持包序列的發(fā)送。當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，在DATA數(shù)據(jù)幀中，增加一個(gè)“MORE”標(biāo)志位，當(dāng)目的站點(diǎn)接收到DATA幀，要查看“MORE”標(biāo)志位，如果置位了，就立即返回一個(gè)CTS，用以通知周?chē)军c(diǎn)發(fā)送者還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，請(qǐng)它們繼續(xù)推延發(fā)送。如果沒(méi)有置位，就不用返回CTS。

三、基于FAMA協(xié)議的雙層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

FAMA協(xié)議非常適用于單信道網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于平面結(jié)構(gòu)的全分布式網(wǎng)絡(luò)，就是單信道網(wǎng)絡(luò)。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，需要采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)。分層分布式網(wǎng)絡(luò)往往是多信道網(wǎng)絡(luò)。我們來(lái)看一下FAMA協(xié)議在雙層分布式網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在雙層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常采用如下信道分配方案：（1）Fl頻率用于控制信道；（2）F2頻率用于群首間的數(shù)據(jù)通信；（3）F3頻率用于群成員間的數(shù)據(jù)通信。美軍在其戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中使用近期數(shù)字電臺(tái)就是采用該方案。因此需要將FAMA協(xié)議進(jìn)行修改才能實(shí)現(xiàn)此方案。

在分層分布式網(wǎng)絡(luò)中修改的FAMA協(xié)議如下：公共F1信道發(fā)送RTS控制包，來(lái)建立數(shù)據(jù)包發(fā)送的信道申請(qǐng)。RTS控制包包含申請(qǐng)數(shù)據(jù)發(fā)送采用的數(shù)據(jù)信道。CTS包響應(yīng)RTS包，DATA包和CTS包均在數(shù)據(jù)信道發(fā)送。RTS-CTS握手成功就可以發(fā)送DATA.

對(duì)比802.11的MAC層協(xié)議和修改的FAMA協(xié)議，兩者均使用RTS/CTS協(xié)議、載波偵聽(tīng)機(jī)制，它們的不同之處是802.11使用了分布式協(xié)調(diào)算法（DCF），而修改的FAMA協(xié)議使用長(zhǎng)一點(diǎn)的CTS控制包來(lái)控制信道使用權(quán)的獲得。所以，修改的FAMA方案的存在著CTS的錯(cuò)誤探測(cè)缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)分組傳輸期間，偵聽(tīng)沖突分組載波的節(jié)點(diǎn)必須保持靜默，即便沖突是RTS報(bào)文造成也是如此。這樣一來(lái)，共享信道就因空閑而被浪費(fèi)掉了。CTS的錯(cuò)誤探測(cè)導(dǎo)致了共享信道的不必要的長(zhǎng)時(shí)間空閑，降低了信道的吞吐量。而修改的FAMA協(xié)議使用包序列方式就可以大大提高性能，在重負(fù)載或包到達(dá)比較密集時(shí)，使用包序列的修改的FAMA協(xié)議的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)802.11，所以在重負(fù)載或包達(dá)到比較密集時(shí)，采用發(fā)送包序列方式可大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，可在分層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

四、結(jié)論

本文首先對(duì)FAMA協(xié)議進(jìn)行了概述，然后詳細(xì)分析了FAMA-NCS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。重點(diǎn)討論了基于FAMA協(xié)議的雙層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，指出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，需要采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)分層分布式網(wǎng)絡(luò)中FAMA協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，充分利用公共F1信道發(fā)送RTS控制包，來(lái)建立數(shù)據(jù)包發(fā)送的信道申請(qǐng)，得到更好的吞吐量，因此可以在分層分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)；

[1]潭齊，分組無(wú)線網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制分析及220B的MAC協(xié)議仿真，西南交通大學(xué)碩士論文，2003.

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