DBTMA协议的性能分析及改进

许多关于双信道的研究，是将信道分为数据信道和控制信道，数据信道上传输数据信息， 控制信道上传输控制信息（RTS 和 CTS）。但是这种设计也存在一些问题。首先，如果让 RTS 控制报文占有独立的控制信道传送，但是这些信道在传送数据报文时并未使用，此外在控制 信息握手期间，数据信道是空闲的，这就降低了无线信道的使用效率。其次，发送节点在发 送 RTS 报文时，无忙音信号的保护，这就使得 RTS 极易受到其他节点的干扰。
Ps = e−λ (td +τ )
（2）
一个成功的传输周期（Ts）报文括一个RTS报文传输时间加上信道传播时延、忙音检测
时延加上信道传播时延、强制性等待时间（2τ）、数据报文传输时间加上信道传播时延，
以及用来清除信道中BTr信号影响的时间（τ）。所以Ts表示为：
Ts = γ +τ + td +τ + tmw + δ +τ +τ
1. DBTMA 协议的理论分析
在DBTMA[1]协议里，把共享信道分成两个子信道：数据信道和控制信道，其中数据报文 在数据信道上传输，控制报文在控制信道上传输，另外在信道上增加了两个频带彼此分开的 窄带忙音BTt（发送忙音）和 BTr（接收忙音），分别用来指示节点正在数据信道上发送或接 收数据。BTt为RTS报文提供保护，增加了RTS报文在目的节点的接收成功率；BTr响应RTS报文 并为已发送的数据报文提供持续保护。所有侦听到任何忙音的节点都不允许发送RTS请求。 当侦听到BTr信号建立时，正在发送RTS报文的其他节点需要立即放弃该次发送。
3. 小结
媒体接入控制（MAC）协议是用来决定多个节点如何共享有限的信道资源的机制，而 协议设计首先要尽量保证节点公平占有信道；其次是要有较高的信道利用率，能够充分利用 有限的频率资源。在 Ad Hoc 网络中，隐终端和暴露终端的存在严重影响信道接入协议的性 能。因此，论文主要是在分析双忙音多址接入（DBTMA）机制的基础上，对如何有效解决 隐终端和暴露终端问题进行了研究，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平 性。
= δ + γ + td + 6τ
（3）
因为所有的节点都在同一个传输领域，一旦RTS报文传输成功并且BTr信号被建立，数据
报文的传输将不会遭到碰撞，在下面一小节中将会对此推理进行论证。因此，数据不能成功
接收的原因，只是因为节点A发送的RTS报文传输在接收节点处发生了冲突。即在[0，td+τ]
时间段内，因为节点A发送的BTt信号还没其他节点检测到，所以别的节点有可能也在这个时
因此，在双忙音多址接入（DBTMA）协议的基础上，论文提出一种基于双忙音的双信道 改进方案，改进内容如下：
首先，在控制信道上只传输发送忙音（BTt）和接收忙音（BTr），在数据信道上传输 RTS 控制报文及数据报文。此外，在接收忙音上设定两种传输波形 BTCTS 及 BTr。当发送节点只检 测到 BTt 时，它在 RTS 报文内告知接收节点当前的通信环境为暴露终端，则接收节点可用 BTCTS 来代替 CTS 来响应 RTS，从而使发送节点确定接收节点已成功接 收到 RTS 报文。BTr 用来指 示节点即将或正在数据信道上接收数据。
间段内向同一个接收节点发送RTS报文，因此冲突才会发生。
对于一个失败的繁忙周期（Tf），也即是由RTS冲突时间构成。冲突时间由冲突报文的
-1-

叠加长度及信道传输时延组成。因为数据到达的过程为泊松分布，则可以得到RTS冲突时间
为：
T RTS f
=
γ
+ 0.5(td
均利用时间。
任意一个节点（如节点A）发送一个RTS报文，如果在最初的td+τ秒内没有其他的RTS报
文被发送，那么这个节点A发送的RTS报文就会发送成功。因为td+τ是忙音检测时延和信道
时延的总和，由节点A产生的BTt信号会在td+τ秒后被所有节点侦听到。所以，节点A发送的
RTS报文成功接收到的概率就是在td+τ秒时间段内没有别的节点发送RTS报文的概率：
图 1 改进前后的 DBTMA 协议仿真性能比较
Fig1 the contrast of the performance simulation between the primary and the modified DBTMA protocols
其中，平均到达率是指整个网络的数据平均到达速率，信道利用率是指每个周期内数据 报文平均利用信道的时间占总时间（信道平均繁忙时间+信道平均空闲时间）的比例，从图 中可以看出，改进后的性能要优于原 DBTMA 协议，其信道利用率较高些。

DBTMA 协议的性能分析及改进
刘娟
江苏省河海大学计算机及信息工程学院（常州），常州（213022） 摘 要：针对 DBTMA 协议中存在的不足之处，从双信道方法着手，对数据信道和控制信 道的传输内容进行了改进。在数据信道上传输数据报文和 RTS 报文，在控制信道上传输两 个忙音信号，并在接收忙音上设定了两种传输波形 BTCTS 和 BTr。仿真结果表明，这种改进 有效地改善了暴露终端问题，提高了网络吞吐量。 关键词：双忙音多址接入协议；Ad Hoc 网络；忙音；隐终端；暴露终端
0
2
4
10
10
10
10
平均到达率(λ)
（a）改进前的 DBTMA 协议性能仿真
-3-

1
0.9
t =10-4
d
t =10-5
0.8
d
0.7
td=10-6
信道利用率 (S)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-2
0
2
4
10
10
10
10
平均到达率(λ)
（b）改进后的 DBTMA 协议性能仿真
应采用节能方式，可以延长节点的工作时间，增加整个网络的工作寿命。 最后，退避算法[4]是需要注意的一个问题。改进后的 DBTMA 协议采用的仍然是 MACAW
（MACA 协议的改进型）中的乘性增加线性递减算法 MILD（multiplicative increase and linear decrease），只是每次不成功传输后，退避计数器的值由加倍[5]变为 1.5 倍，同时也 不采用退避计数器拷贝和多计数器方法，因为拷贝会将局部的拥塞扩展到整个网络，并且带 来不必要的计数器值波动。
-4-

参考文献
[1] Haas Z J，Jing Deng. Dual busy tone multiple access—A multiple access control scheme for Ad Hoc networks [J]. IEEE Transactions on Communication, 2002, 50（6）：975-985. [2] Karn P. MACA-A new channel access method for packet radio[C]. In：ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference，ARRL，1990，Page(s)：134-140. [3] Bharghavan V，Demers A，Shenker S，Zhang L. MACAW：a media access protocol for wireless LANs[S]. ACMSIGCOMM，1994，8：212-225. [4] Aldous D J. Ultimate instability of exponential back-off protocol for acknowledgement-based transmission control of random access communication channels[J]. IEEE Trans. On Information Theory，1987，33(2)：219-223. [5] Hastad J，Leighton T，Rogoff B. Analysis of backoff protocols for multiple access channels[A]. Symposium on Theory of Computing[C]. Proceedings，1987，241-253.
将信道上有数据的时间称为繁忙期，将信道上没有数据的时间称为空闲期，则整个信道 交替出现繁忙期和空闲期，在繁忙期数据报文可能成功传输，也可能发生报文冲突。将一个 繁忙期同一个空闲期加起来则构成一个周期，因此信道利用率S为：
S= U B+ I
（1）
这里， B 为信道平均繁忙期， I 为信道平均空闲期，U 为数据在信道上成功传输的平
2.2 改进前后的仿真比较
仿真环境如下：通信半径为 0.5km，信道速率为 2048kb/s，控制报文的长度为 48b，数 据报文的长度为 1024b，仿真结果如图 1 所示。
信道利用率 (S)
1
0.9
t =10-4
d
0.8
td=10-5
0.7
td=10-6
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-2
松分布，则可以得：
I
=
1 λ
把公式（2）－（8）代入公式（1），得出DBTMA协议的信道利用率为：
S
=
PsTs
Psδ
+ (1− Ps )Tf
+1
λ
（8） （9）
2. DBTMA 协议的改进方案
2.1 改进内容
由于单信道无法将数据信号和控制信号分开避免二者间相互干扰，造成了隐终端和暴露 终端问题的难以解决。由此人们倾向于采用双信道或多信道协议来解决隐终端和暴露终端问 题，通过将数据信道和控制信道分离来消除数据和握手信息的干扰从而彻底解决隐终端和暴 露终端问题[2][3]。