李亞燕
(中國民用航空廈門空中交通管理站技術(shù)保障部 福建省廈門市 361000)
民航地空數(shù)據(jù)鏈通信是一種在飛機和地面系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。目前可以選擇的傳輸媒介有:甚高頻、衛(wèi)星、高頻和二次監(jiān)視雷達的S 模式,在幾種傳輸媒介中,甚高頻的地空數(shù)據(jù)鏈相對于高頻地空數(shù)據(jù)鏈而言,具有通信可靠性高,信息傳輸速率快、延遲小的特點;而相對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈和S 模式數(shù)據(jù)鏈而言,甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈則具有投資少、使用簡單方便、易于擴展等優(yōu)勢,因而已經(jīng)成為地空數(shù)據(jù)鏈通信的主要手段。由于民航無線資源十分有限,如何合理有效地利用無線資源進行數(shù)據(jù)通信,成為行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展的重點及難點。
目前我國地空數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是VDL-2 和ACARS 模式并存,這兩項技術(shù)的媒體接入層(MAC)都采用載波監(jiān)聽多址接入(CSMA)協(xié)議,這種傳統(tǒng)接入方式的優(yōu)點是適用于傳輸具有突發(fā)特性的業(yè)務(wù),在網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)較少或業(yè)務(wù)量較小時,可以獲得較小的接入時延和較高的信道利用率。盡管它可以解決固定分配所造成的信道資源浪費問題,但也會引起由隱藏終端所帶來的分組碰撞和暴露終端所帶來的可用信道資源空閑浪費的問題。尤其是在較大業(yè)務(wù)量時,隱藏終端會造成大量的分組碰撞,加劇了分組的重傳和超過重傳次數(shù)的分組丟棄,最終導致平均分組接入時延和分組丟棄率加大,信道吞吐量下降,協(xié)議多址性能有待提高。
在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,信號傳播過程中存在的信號衰減以及節(jié)點發(fā)送間的信號干擾較大地影響了信號的傳輸質(zhì)量,而協(xié)作通信能夠較好地解決這些問題。協(xié)作通信是指節(jié)點利用無線通信所固有的廣播特性,處于通信范圍內(nèi)的一些節(jié)點充當協(xié)作節(jié)點,幫助發(fā)方將信號轉(zhuǎn)發(fā)給收方,從而有效對抗衰落、提高頻譜效率和通信可靠性。協(xié)作MAC 協(xié)議研究中,將協(xié)作思想應用于MAC 層來改善網(wǎng)絡(luò)性能的主要出發(fā)點有兩個:一是為了提高信息的傳輸速率或頻譜效率,二是為了增強信息傳輸?shù)目煽啃?,提高抗干擾能力。當前許多協(xié)作MAC 協(xié)議同時綜合考慮了傳輸速率和可靠性兩個方面,如NCACWTC 協(xié)議和2rcMAC 協(xié)議。
為了獲得較高的協(xié)作增益,提高協(xié)議的多址性能,使其適用于當前航班量快速增長的民航地空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),需要解決如何選擇協(xié)作節(jié)點以及采取何種協(xié)作方式等問題。為了解決這些問題,本文提出了一種適用于無線網(wǎng)絡(luò)的快速分級協(xié)作MAC 協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)協(xié)作節(jié)點到收發(fā)雙方之間的數(shù)據(jù)速率將協(xié)作節(jié)點進行分級競爭選用,同一優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點再采用k 輪沖突分解方法進行區(qū)分,從而可以快速選擇出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點。另外,采用分組捎帶發(fā)送機制,即高速率傳輸?shù)膮f(xié)作節(jié)點協(xié)作發(fā)送完發(fā)方的數(shù)據(jù)分組后,不用進行信道預約就可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)分組,從而提高協(xié)議的多址性能。
無線網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點隨機均勻分布在一定的區(qū)域內(nèi),每個節(jié)點只有一部半雙工收發(fā)信機,并且以固定功率發(fā)送所有分組(包括控制分組和數(shù)據(jù)分組)。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點共享一個無線信道,所有的控制分組和數(shù)據(jù)分組傳輸都在這個信道上完成,并假設(shè)節(jié)點之間的信道是完全對稱的。
網(wǎng)絡(luò)支持多種速率(1、2、5.5 和11 Mbps)傳輸,節(jié)點間根據(jù)它們之間能夠支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率進行數(shù)據(jù)傳輸,以基本傳輸速率(本文設(shè)定為1 Mbps)發(fā)送RTS、CTS、確認(ACK)等控制分組。節(jié)點可以通過接收到的鄰節(jié)點發(fā)送分組的信息(如信噪比等)計算出它與鄰節(jié)點之間滿足一定誤碼率要求的可支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率。
RCD-MAC 協(xié)議采用高速率協(xié)作節(jié)點幫助低速率節(jié)點進行的數(shù)據(jù)傳輸,以獲得協(xié)作增益。整個協(xié)議包括三個階段,分別為預約階段、協(xié)作節(jié)點選擇階段和數(shù)據(jù)分組發(fā)送階段。其中協(xié)作節(jié)點選擇階段又分為優(yōu)先級區(qū)分階段和同級競爭階段,可以快速地選擇出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點,提高協(xié)作效率和協(xié)作增益。協(xié)議中還采用分組捎帶發(fā)送機制,即高速率、有分組發(fā)送的協(xié)作節(jié)點可以在當前協(xié)作發(fā)送的數(shù)據(jù)分組中攜帶了包括協(xié)作節(jié)點的數(shù)據(jù)分組發(fā)送時間信息,為協(xié)作節(jié)點預約了信道資源,使得協(xié)作節(jié)點在協(xié)作發(fā)方發(fā)送完數(shù)據(jù)分組后,不用進行預約握手,直接將自己的數(shù)據(jù)分組發(fā)往相應的接收節(jié)點,而不會發(fā)生分組碰撞。在無線局域網(wǎng)(WLAN)中,發(fā)方的接收節(jié)點都是接入點,而在無線自組織(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)中,接收節(jié)點則是隨機分布的。由于分組捎帶發(fā)送中,相當于當前發(fā)方為協(xié)作節(jié)點預留了信道資源,發(fā)方的數(shù)據(jù)分組發(fā)送與協(xié)作節(jié)點的數(shù)據(jù)分組發(fā)送相互獨立,它們的接收節(jié)點可以相同也可以不同。因此,RCD-MAC 協(xié)議的分組捎帶發(fā)送機制在WLAN 和ad hoc 這兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都適用。分組捎帶發(fā)送機制減少了預約開銷,加快了節(jié)點接入、數(shù)據(jù)分組發(fā)送,進一步提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
當節(jié)點偵聽到信道空閑時,按照802.11 DCF 方式以基本速率發(fā)送一個RTS 分組給收方。收方收到RTS 分組后,根據(jù)接收到的信號的信噪比判斷自己到發(fā)方能夠支持的最高速率R,并將該速率信息攜帶在CTS 分組中回復給發(fā)方。通過RTS/CTS 握手,收發(fā)雙方能夠知道彼此間能支持的最高速率R,而網(wǎng)絡(luò)中其他能夠同時收到并成功解碼RTS/CTS 分組的節(jié)點,也能夠知道自己與收發(fā)雙方之間能夠支持的最高速率R和R。如果收發(fā)雙方能夠支持高速傳輸,即R為11 Mbps 或5.5 Mbps,則發(fā)方采用直傳的方式將分組發(fā)往收方,如圖1 所示。否則采取協(xié)作方式進行數(shù)據(jù)分組發(fā)送,進入下一部分的協(xié)作節(jié)點選擇階段。
圖1: 收發(fā)雙方之間支持高速率,采用直傳的方式
協(xié)作節(jié)點的選擇包括以下兩個部分:優(yōu)先級區(qū)分階段和同級競爭階段。
3.2.1 優(yōu)先級區(qū)分階段
協(xié)作節(jié)點在接收到CTS 分組并經(jīng)過SIFS+τ 時間后,沒有收到數(shù)據(jù)分組,說明收發(fā)雙方不能支持高速率傳輸,要發(fā)起協(xié)作,協(xié)作節(jié)點就進入優(yōu)先級區(qū)分階段。這里采用τ 是為了給協(xié)作節(jié)點判斷是否需要進行協(xié)作。如果收發(fā)雙方支持高速率傳輸,則發(fā)方在收到CTS 后就會發(fā)送數(shù)據(jù)分組,在SIFS 時間間隔內(nèi)協(xié)作節(jié)點可以偵聽到該分組,從而避免協(xié)作競爭發(fā)送與直傳數(shù)據(jù)分組發(fā)生發(fā)送沖突的情況。
優(yōu)先級區(qū)分階段如圖2 所示,根據(jù)協(xié)作節(jié)點到收發(fā)雙方能夠支持的速率和協(xié)作節(jié)點本身是否有分組發(fā)送兩個因素,將協(xié)作節(jié)點劃分成12 個優(yōu)先級依次參與競爭。協(xié)作節(jié)點的優(yōu)先級越高,其可以選擇的發(fā)送忙音的時隙就越靠前。第1、2、3、4 優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點為協(xié)作節(jié)點具有分組發(fā)送并且到收發(fā)雙方都是較高速率發(fā)送的情況,第5、6、7、8 優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點為到收發(fā)雙方都是高速率傳輸、但沒有分組發(fā)送的情況,第9、10 優(yōu)先級是具有分組發(fā)送和較高R、較低R的協(xié)作節(jié)點,第11、12 優(yōu)先級為R和R其中之一為高速率、另一個為低速率以及沒有分組發(fā)送的協(xié)作節(jié)點。如圖2 所示,如果R和R均為最高數(shù)據(jù)速率11 Mbps,并且協(xié)作節(jié)點有分組發(fā)送,那么它就屬于第1 優(yōu)先級。前10個優(yōu)先級對應的R和R情況只有一種,而后面兩個優(yōu)先級對應的R和R的可能性有兩種,如第11 優(yōu)先級包括無分組發(fā)送協(xié)作節(jié)點情況下的R=2 Mbps、R=11 Mbps 和R=11 Mbps、R=2 Mbps 兩組數(shù)據(jù)速率,因為這兩類協(xié)作節(jié)點都不進行攜帶發(fā)送,并且協(xié)作效率是一樣的,可以放在同一個優(yōu)先級上。每個優(yōu)先級包含3 個微時隙,每個微時隙長度為δ。
圖2: 優(yōu)先級區(qū)分階段
基于偵收到的RTS、CTS 分組,每個協(xié)作節(jié)點可以判斷自己到發(fā)方和收方分別能夠支持的最高速率,并在相應優(yōu)先級對應的3 個微時隙中隨機選擇1 個發(fā)送一個持續(xù)時間為δ的忙音信號。每個協(xié)作節(jié)點在此過程中要偵聽忙音的發(fā)送情況,如果已經(jīng)有節(jié)點先發(fā)了忙音信號,說明已經(jīng)有更高優(yōu)先級或同等優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點存在,其他節(jié)點就不再發(fā)送忙音信號,退出協(xié)作競爭。若網(wǎng)絡(luò)中有一個節(jié)點發(fā)送忙音信號,優(yōu)先級區(qū)分階段就可以提前結(jié)束,下一個微時隙就立刻進入同級競爭階段。如果最高優(yōu)先級(即第1 優(yōu)先級)的協(xié)作節(jié)點選擇第1 個微時隙發(fā)送忙音,則δ 時間后,優(yōu)先級區(qū)分階段就可以提前結(jié)束,因此,優(yōu)先級區(qū)分階段最短為δ,最長為36δ。
例如,協(xié)作節(jié)點R本身有分組發(fā)送,并且其到發(fā)方和收方的數(shù)據(jù)速率分別為11 Mbps 和5.5 Mbps,如果在其發(fā)送忙音信號之前,沒有偵聽到網(wǎng)絡(luò)中有其他節(jié)點發(fā)送忙音,它就隨機選擇第3 優(yōu)先級對應的3 個微時隙中的某個微時隙發(fā)送忙音信號。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點偵聽到該忙音,知道已經(jīng)存在更高優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點進行協(xié)作,就不再發(fā)送忙音。R就獲得了進入同級競爭階段的機會,繼續(xù)競爭協(xié)作權(quán)。
3.2.2 同級競爭階段
由于在優(yōu)先級區(qū)分階段中,可能有多個同等優(yōu)先級的協(xié)作節(jié)點選擇同一個微時隙發(fā)送忙音,為了避免它們同時向收方發(fā)送分組而發(fā)生碰撞,協(xié)議中設(shè)置一個同級競爭階段。同級競爭階段采用k 次沖突分解方案,由k 輪沖突分解過程組成,每輪最多有m 個競爭微時隙。
在優(yōu)先級區(qū)分階段成功發(fā)送了忙音的協(xié)作節(jié)點首先隨機選擇第一輪的m 個微時隙中的一個發(fā)送忙音信號,偵聽到忙音信號、但還沒有發(fā)送忙音信號的協(xié)作節(jié)點不再發(fā)送忙音,退出競爭,最先發(fā)送忙音的協(xié)作節(jié)點進入下一輪的相同競爭過程,直到同級競爭階段結(jié)束。其中,同級競爭階段每輪在節(jié)點發(fā)出忙音信號后就可以提前結(jié)束,進入下一輪的競爭。一旦選擇出最佳的協(xié)作節(jié)點后,就進入了數(shù)據(jù)分組發(fā)送階段。
三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程在工程測量中主要兩大部分,一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集,二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。前者,包括數(shù)據(jù)掃描及控制測量工作,控制測量主要包括高程控制測量及平面控制測量,而數(shù)據(jù)掃描主要包括標靶三維坐標測量及三維激光掃描。后者,包括虛擬測量、掃描數(shù)據(jù)拼接以及數(shù)據(jù)抽隙等多個步驟。
中指出m=3、k=7 時,可以達到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能,并且選出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點的成功概率可達97.7%以上。因為所提協(xié)議在優(yōu)先級區(qū)分階段已經(jīng)進行了一次沖突分解過程,所以此階段中我們設(shè)置k=6。在協(xié)議中,每個微時隙為δ,所以同級競爭階段的時間最短為6δ,最長為18δ。圖3 為同級競爭階段的一個實例。
圖3: 同級競爭階段
由于協(xié)作節(jié)點選擇過程中選擇出的協(xié)作節(jié)點種類不同,數(shù)據(jù)分組的發(fā)送過程也就不一樣。針對不同的協(xié)作節(jié)點選擇情況,可將數(shù)據(jù)分組發(fā)送過程分為以下四類。
(1)如果協(xié)作節(jié)點選擇過程結(jié)束后,網(wǎng)絡(luò)中不存在協(xié)作節(jié)點,則發(fā)方采用直傳的方式將數(shù)據(jù)分組發(fā)給收方,如圖4 所示。
圖4: 網(wǎng)絡(luò)中不存在協(xié)作節(jié)點進行協(xié)作
(2)如果在協(xié)作節(jié)點選擇階段中勝出的節(jié)點是有分組發(fā)往收方的高速率節(jié)點(即優(yōu)先級為1、2、3、4、9 或10的節(jié)點),此時可進行分組捎帶發(fā)送,只不過前提是需要保證勝出的最優(yōu)協(xié)作節(jié)點只有一個。如圖5 所示,協(xié)作節(jié)點為此需要再以RSH 速率發(fā)送一個協(xié)作傳輸(HTS,help-tosend)分組給發(fā)方,其中,指定分組捎帶發(fā)送的收方,HTS分組的幀格式與CTS 相同。如果發(fā)方成功接收并解碼HTS分組,說明網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)作節(jié)點獲勝,該協(xié)作節(jié)點可以采用分組捎帶的方式協(xié)作發(fā)送數(shù)據(jù)分組。發(fā)方就在所發(fā)送的數(shù)據(jù)分組中指定協(xié)作節(jié)點協(xié)作發(fā)送完發(fā)方的分組后,不需預約就可以進行自己的數(shù)據(jù)分組發(fā)送,并指定信道總共使用時間,然后以速率R將其數(shù)據(jù)分組發(fā)往協(xié)作節(jié)點。協(xié)作節(jié)點收到發(fā)方的數(shù)據(jù)分組后,以速率RHD 將發(fā)方的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方,之后將自己的數(shù)據(jù)分組以相應數(shù)據(jù)速率發(fā)往自己的接收節(jié)點。等兩個數(shù)據(jù)分組都發(fā)完后,發(fā)方的接收節(jié)點和協(xié)作節(jié)點的接收節(jié)點分別進行ACK 回復。
圖5: 有分組發(fā)送的高速率單一協(xié)作節(jié)點勝出
如圖6 所示,如果發(fā)方不能成功解碼HTS 分組,說明網(wǎng)絡(luò)中存在多個協(xié)作節(jié)點,它們發(fā)送的HTS 分組發(fā)生了碰撞,不能采用分組捎帶的方式進行協(xié)作傳輸。此時,發(fā)方就在數(shù)據(jù)分組中指定不采用分組捎帶的方式進行協(xié)作傳輸,并以R速率將數(shù)據(jù)分組發(fā)給協(xié)作節(jié)點,協(xié)作節(jié)點再以速率R將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方。收方成功接收了數(shù)據(jù)分組后,回復一個ACK 給發(fā)方。
圖6: 有分組發(fā)送的高速率多個協(xié)作節(jié)點勝出
(3)如果在協(xié)作節(jié)點選擇階段中勝出的節(jié)點是無分組發(fā)往收方的高速率節(jié)點(即優(yōu)先級為5、6、7、8、11 或12的節(jié)點),不進行分組捎帶發(fā)送,不需發(fā)送HTS 分組判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在多個協(xié)作節(jié)點。在協(xié)作節(jié)點的選擇階段結(jié)束后,發(fā)方以R速率將數(shù)據(jù)分組發(fā)給協(xié)作節(jié)點,協(xié)作節(jié)點再以速率R將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給收方。收方成功接收到數(shù)據(jù)分組后,回復一個ACK 分組。相關(guān)過程如圖7 所示。
圖7: 無分組發(fā)送的高速率協(xié)作節(jié)點勝出
本文利用C 語言仿真評估了RCD-MAC 協(xié)議的性能,并與2rcMAC 協(xié)議[8]和CoopMACA 協(xié)議進行了比較。仿真中采用網(wǎng)絡(luò)吞吐量(S)、飽和吞吐量和平均分組時延(D)作為多址性能的評價指標。其中,網(wǎng)絡(luò)吞吐量定義為單位時間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)分組的信息量總和,飽和吞吐量定義為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點總有分組發(fā)送情況下單位時間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)分組的信息量總和,平均分組時延定義為每個分組從產(chǎn)生時刻到其成功接入進行無碰撞發(fā)送完所用的平均時間。
仿真中考慮了無線網(wǎng)絡(luò)中,100 個節(jié)點隨機分布在半徑為100 米的區(qū)域內(nèi)。仿真中采用IEEE 802.11b 可支持的數(shù)據(jù)傳輸速率,分別為11、5.5、2 和1 Mbps。在路徑損耗因子為3、誤比特率大于10的情況下,不同速率支持的最大數(shù)據(jù)傳輸距離如表1 所示。每個節(jié)點的分組產(chǎn)生服從分組到達率為λ的泊松分布,默認數(shù)據(jù)分組長度L為1kB。協(xié)議的其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2 所示,其中競爭微時隙δ 的取值參考文獻,為1 μs。為了獲得更準確、穩(wěn)定的仿真結(jié)果,每輪仿真的數(shù)據(jù)分組發(fā)送個數(shù)為100 萬個,取50 種網(wǎng)絡(luò)拓撲的平均值作為最終的仿真結(jié)果。為了充分體現(xiàn)多址性能,仿真中只考慮MAC 層中由于分組碰撞所造成的傳輸失敗,而不考慮物理層上由于傳輸過程中的信道錯誤而造成的分組傳輸失敗。
表1: 傳輸速率與傳輸范圍的關(guān)系
表2: 協(xié)議參數(shù)
圖8、9 是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)對RCD-MAC、CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議性能的影響。由圖中可以看出,當分組到達率較小時,隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)的增多,3 個協(xié)議的吞吐量均增大,而分組時延上升較小。當分組到達率很大,即網(wǎng)絡(luò)達到飽和狀態(tài)時,吞吐量和飽和吞吐量隨著節(jié)點數(shù)的增多而略有下降,時延急劇上升。這是因為網(wǎng)絡(luò)還沒達到飽和狀態(tài)時,分組到達率相同情況下節(jié)點數(shù)越多,業(yè)務(wù)量就越高,但各節(jié)點發(fā)送隊列中積壓的分組數(shù)很少,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組都能及時得到傳輸,成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組數(shù)也就越多,造成吞吐量隨之上升,而時延變化較小。而當網(wǎng)絡(luò)達到飽和狀態(tài)后,節(jié)點數(shù)越多,網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量越重,分組碰撞情況就越嚴重,數(shù)據(jù)分組需要等待較長的時間才能接入發(fā)送,造成協(xié)議的吞吐量下降,而時延會急劇上升。由于所提協(xié)議采用分組捎帶發(fā)送機制,并且協(xié)作時所用開銷小,使得協(xié)作增益較大,較好地抵消了由于分組碰撞而導致的性能下降,因此,業(yè)務(wù)量較重情況下其吞吐量性能隨節(jié)點數(shù)增加的變化不大。由圖還可以看出,RCD-MAC 協(xié)議的吞吐量明顯高于CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議。當節(jié)點數(shù)為100 時,RCD-MAC 協(xié)議的最大吞吐量比CoopMACA 協(xié)議高出了39.6%,比2rcMAC 協(xié)議高出了9.6%。這是因為RCD-MAC 協(xié)議采用更快、更為有效的協(xié)作節(jié)點選擇機制以及提高傳輸效率的分組捎帶發(fā)送機制,可以減少預約過程,使得網(wǎng)絡(luò)預約開銷更小,因此,其吞吐量性能最好,平均分組時延也最小。
圖8: 不同節(jié)點數(shù)下的吞吐量
圖9: 不同節(jié)點數(shù)下的平均分組接入時延
本文提出一種適用于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的快速協(xié)作分級MAC 協(xié)議。該協(xié)議采用有效的優(yōu)先級區(qū)分和同級競爭方式,快速有效地選出唯一的最佳協(xié)作節(jié)點,從而提高協(xié)作增益。同時,采用分組捎帶發(fā)送機制,減小了預約開銷,加快了數(shù)據(jù)分組的接入發(fā)送,從而改善了協(xié)議性能,提高了無線資源的利用率。仿真結(jié)果表明,該協(xié)議具有比CoopMACA 和2rcMAC 協(xié)議更好的多址性能。