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基于FAMA-NCS的高速分組傳輸網(wǎng)絡(luò)性能

2013-03-24 02:38孫榮平曹振林
關(guān)鍵詞:載波時(shí)延信道

孫榮平,曹振林,何 矞,何 亮

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041;2.南昌航空大學(xué),南昌330063;3.海軍航空兵學(xué)院,河南濟(jì)源454650)

信道獲取多址訪問(Floor Acquisition Multiple Access,F(xiàn)AMA)協(xié)議是無線自組網(wǎng)絡(luò)基于競爭機(jī)制的MAC協(xié)議的一種,它采用RTS-CTS控制分組交互,并使RTS、CTS和數(shù)據(jù)分組都在同一個信道上傳輸,這就要求發(fā)送分組的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前首先獲取信道。獲得信道后,信道占有節(jié)點(diǎn)或者其任何接收節(jié)點(diǎn)就能夠在該信道上無碰撞的發(fā)送數(shù)據(jù)分組和應(yīng)答[1-2]。FAMA協(xié)議分為FAMA-NPS 和FAMA-NCS,F(xiàn)AMA-NCS 協(xié)議能夠很好地解決高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)對時(shí)延的苛刻要求和隱藏終端的問題。

1 FAMA-NCS協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)

非持續(xù)性載波偵聽信道獲取多址訪問協(xié)議(FAMA-NCS)類似IEEE802.11MAC 協(xié)議,主要包含RTSCTS分組交互機(jī)制和非持續(xù)性載波偵聽機(jī)制2方面。

1.1 RTS-CTS分組交互機(jī)制

在FAMA-NCS 協(xié)議中,RTS(Request to send)和CTS(Clear to send)是指請求發(fā)送和允許發(fā)送的2個固定長度的短分組。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先發(fā)送一個RTS 分組,若信道空閑,接收節(jié)點(diǎn)接受到RTS分組并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS分組;當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到CTS 分組時(shí),立即占用信道并開始發(fā)送數(shù)據(jù)分組[3]。RTS-CTS 分組交互機(jī)制能夠使鄰近節(jié)點(diǎn)避免在接收節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞,故能很好地解決隱藏終端的問題。

1.2 非持續(xù)性載波偵聽機(jī)制

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS競爭信道時(shí),若此時(shí)信道正在被其他節(jié)點(diǎn)占用而導(dǎo)致競爭信道失敗,發(fā)送節(jié)點(diǎn)必須重新安排競爭信道操作,F(xiàn)AMA-NCS采用非持續(xù)性的監(jiān)聽信道,即采用退避策略退避一定的時(shí)間后再重新獲取信道[4]。由于在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大或傳輸數(shù)據(jù)較多的情況下,持續(xù)性的獲取信道會造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率,而非持續(xù)性載波偵聽能夠有效避免持續(xù)競爭信道的問題,確保網(wǎng)絡(luò)擁塞控制在一定范圍內(nèi)。

2 FAMA-NCS協(xié)議的時(shí)隙分析

FAMA-NCS 協(xié)議是基于RTS/CTS 分組交互的信道訪問控制協(xié)議,其發(fā)送是從源節(jié)點(diǎn)RTS分組發(fā)送時(shí)刻t0開始,期間可能碰到其他的RTS分組導(dǎo)致發(fā)送失敗。在等待時(shí)間段τ后,若沒有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送,RTS分組發(fā)送成功,根據(jù)FAMA-NCS 協(xié)議,在RTS 發(fā)送成功后,接收節(jié)點(diǎn)會立即開始回發(fā)CTS 分組,接著源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組[5-6];其發(fā)送過程如圖1所示。

圖1 FAMA-NCS的發(fā)送過程Fig.1 Sending process of FAMA-NCS

對于成功發(fā)送一次數(shù)據(jù)分組所使用的時(shí)間為RTS-CTS 分組傳輸周期和數(shù)據(jù)分組完成傳輸產(chǎn)生的時(shí)間之和,即

網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)檢測之前存在τ 秒的信道時(shí)延,τ 秒過后,若FAMA-NCS的RTS 分組發(fā)送失敗,其發(fā)送失敗周期包括在時(shí)刻t0發(fā)送到信道的RTS 占用時(shí)間和其他節(jié)點(diǎn)在Y 秒時(shí)間內(nèi)發(fā)送的多個RTS 分組所占用的時(shí)間,0≤Y≤τ,則發(fā)送失敗的平均周期為

Y的累積分布函數(shù)為τ-y時(shí)間內(nèi)無RTS 分組到達(dá)的概率為FY(y),則

由于傳輸信道參數(shù)λ的不確定性,設(shè)定其符合泊松分布[7],得出FAMA-NCS中發(fā)送成功的概率為:

綜上分析可知在一個FAMA-NCS的成功周期和失敗周期中,γ+τ為共有時(shí)段,故結(jié)合發(fā)送成功概率PS和失敗周期中均值,可得出FAMA-NCS 一個周期的平均長度B為:

成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)利用率U為

根據(jù)上述等式,得出FAMA-NCS的吞吐量A為

3 FAMA-NCS協(xié)議的優(yōu)化

在FAMA-NCS協(xié)議中,為了避免競爭節(jié)點(diǎn)在其他節(jié)點(diǎn)已經(jīng)搶用信道時(shí)占用信道,可采用增加CTS分組長度的方法,使CTS分組長度大于RTS(RTS分組長度應(yīng)大于傳播時(shí)延和收發(fā)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間之和)分組長度[8-9]。因而CTS分組的長度大于RTS分組的長度,且RTS分組的時(shí)間長度大于傳播時(shí)延和發(fā)送、接收過程所產(chǎn)生的時(shí)間之和。

如圖2所示,節(jié)點(diǎn)B正在發(fā)送CTS分組,而節(jié)點(diǎn)A試圖發(fā)送RTS 分組且獲得信道[10-11]。由于節(jié)點(diǎn)A 和B均使用載波偵聽,因而節(jié)點(diǎn)A必須在節(jié)點(diǎn)B開始發(fā)送其CTS分組后的τ 秒內(nèi)發(fā)送其RTS分組,否則,節(jié)點(diǎn)A將檢測到載波而進(jìn)行退避。若節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送的CTS 分組正好在節(jié)點(diǎn)A 開始發(fā)送其RTS 分組的時(shí)候到達(dá)節(jié)點(diǎn)A,由于節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送CTS 分組大于RTS 分組與發(fā)送至接收轉(zhuǎn)換時(shí)間之和,因而節(jié)點(diǎn)A能夠收到CTS信號進(jìn)行退避。

圖2 節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)B發(fā)送CTS分組后發(fā)送RTS分組Fig.2 Node A sends RTS packets after Node B sends CTS packet

如圖3所示:節(jié)點(diǎn)A可以在節(jié)點(diǎn)B 開始發(fā)送CTS分組前的τ 秒內(nèi)發(fā)送RTS分組;節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS分組將在節(jié)點(diǎn)A發(fā)送完RTS分組后的2τ 秒到達(dá)節(jié)點(diǎn)A,節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送的CTS 分組大于RTS 分組與節(jié)點(diǎn)收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間之和,所以節(jié)點(diǎn)A 能夠接收到CTS 分組的尾部,然后進(jìn)行退避。

圖3 節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)B發(fā)送CTS分組前發(fā)送RTS分組Fig.3 Node A sends RTS packets before Node B sends CTS packet

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對于FAMA-NCS協(xié)議的仿真[12]:仿真環(huán)境為隨機(jī)分布的20個節(jié)點(diǎn),最大空中時(shí)延0.3 μs,RTS 請求分組長度為200 bit,數(shù)據(jù)分組長度4 096 bit,信道傳輸速率256 kbit/s。

由圖4看出,隨著網(wǎng)絡(luò)利用率的增加,網(wǎng)絡(luò)的平均分組時(shí)延也會相應(yīng)地增加,但改進(jìn)后的時(shí)延相對有一定的減少。圖5中看出在隨著子網(wǎng)數(shù)量的增加,由于RTS分組偵聽的碰撞率增多,F(xiàn)AMA-NCS的吞吐量會逐漸下降,改進(jìn)后的吞吐量會因減少RTS分組的碰撞而使下降得更加緩慢,吞吐量相對有一定的提升。

圖4 網(wǎng)絡(luò)利用率Fig.4 Utilization of the network

圖5 在不同子網(wǎng)條件下的吞吐量Fig.4 Throughput capacity in a different subnet conditions

5 結(jié)束語

本文針對FAMA-NCS 協(xié)議對于高速分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸要求,通過對FAMA-NCS網(wǎng)絡(luò)退避算法的報(bào)文長度的調(diào)整,在時(shí)延和吞吐量上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。在今后的工作中,還需進(jìn)行對其沖突率和延時(shí)抖動等其他性能進(jìn)行理論分析與仿真計(jì)算。

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