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增强的无线局域网协作MAC
摘要本文介绍了一种新颖的网络协议，增强的协作媒体访问控制（ECoop MAC）。它的功能是保证无线局域网中的服务质量（QoS）。为了支持不同的应用场景，可以独立地或组合地采用两种提出的方案，即用于较低优先级业务的E方案I和用于较高优先级业务的E方案II。ECoop MAC考虑了请求失败问题，并利用协作协议提高系统性能以及有效削减控制数据包开销的信息。仿真结果表明所提出的算法不仅可以提高网络吞吐量，还可以减少单个数据包的网络延迟。
关键词MAC协议，协作通信，博弈论，QoS
1简介
随着无线技术变得越来越流行，人们越来越有兴趣讨论协作多样性的概念和部署。协作通信完全利用无线网络的广播性质和由愿意在网络内的用户创建的虚拟阵列协作，从而实现巨大的提高系统容量和减少网络延迟。
开发协作社区的最初尝试侧重于物理层方案[1-3]。然而，最近的研究突出了创新协作通信并不仅限于此物理层。它有更高的各种形式协议层[4-5]。
参考文献[5]，基于MAC协议的概念提出了称为“Coop-MAC”的协作通信。为了最大化协作多样性的利益，Coop-MAC说明了传统的IEEE 802.11分布式协调功能（DCF）[6]可以得到增强最小的修改。主要概念Coop-MAC是通过使用中间站作为帮助者，它允许移动台具有较低的传输速率以更高的速率传输。可以传输的帮助者数据到达目的地的传输时间最短将被选中，并可以无条件地传递数据。于是，低数据速率站，通常在覆盖区域的边缘，将使用较少的传输时间传统的IEEE 802.11对应物，导致提高吞吐量。参考文献[7]，作者延伸Coop-MAC进入Ad-hoc网络环境，以及他们的仿真结果表明，这种协作方案可以实际上提升了传统解决方案的性能。参考文献[8]，基于机会中继的协作MAC建议用于Ad-hoc网络。基于机会主义继电器，具有最佳通道条件的继电器将选择目的地以帮助源传输数据包。
为了有效地发挥作用，参考文献[2-8]中的作者毫无疑问地假设帮助者（或接力者）会无私接受邻居的要求采取协作通信。然而，由于权力的限制和带宽，这种假设可能不成立。例如，何时用户经历了较差的频道状态并且优先级较低要发送的数据，可能需要另一个潜在用户进行部署协作交流。但是，一个自私的用户需要发送高优先级数据可能会拒绝此请求。在这种情况下，用户信道条件较差仍然必须以较低的费率传输。同时，这个用户也会占用渠道较长时间导致增加延迟并降低整体吞吐量。
根据博弈论，战略是有吸引力的最有可能被某个参与者采用时比其他策略带来更多好处[9]。为此，为使用其宝贵的高优先级数据发送的用户显然，为其他人传输低优先级数据的资源低劣的策略。这种行为可能导致更长的延迟为自己的应用程序。因为延迟总是被认为是这是多媒体应用中的一个重要因素战略将对其用户产生负面影响。由于用户的原因自私，不太可能像Ref[5]说，用户是愿意无条件接受劣等策略。因此，在协作通信中处理此类利益冲突至关重要。
基于以上分析，在无线局域网中部署协作策略时有必要考虑节点的自私性和数据传输优先级。我们假设具有高优先级数据的用户将发送拒绝另一个用户处理低优先级数据的请求。为了处理不同用户的要求，ECoop MAC采用两个独特的方案相应。对于低优先级流量，一个方案侧重于选择另一个备份助手进一步加强协作。另一方面，限制低访问媒体的优先流量，另一个方案旨在允许高优先级流量更快地访问。两者的这些算法可以提高系统性能有效地减少了控制开销。
2 ECoop MAC协议
2.1基本概念
为了支持不同的传输速率，帧IEEE 802.11以不同的比特率传输。对于IEEE802.11b，特别是四种不同的速率，1 Mbit/s，2 Mbit/s，支持5.5 Mbit/s和11 Mbit /s。因此，那里存在四种不同的传输速率分别为R1，R2，R5.5和R11。协作的基本概念通信可以在图1中解释。当一个站有数据发送，它首先确定是否存在用于快速数据传输的潜在邻居站。由于无线信号的广播性质，源数据打算用于特定目的地可以“偷听”邻近的车站。这些邻居站，指定助手，谁有更高的传输速率连接可用，可以帮助将数据中继到最终目的地。公式（1）和（2）解释一个站可以在什么条件下选择协作沟通。 L/Rsj L/RjdL/Rdirect (1)
L/Rsi L/RidL/Rdirect (2)
图1假设站Ss有L位数据要发送给目标站Sd，L/Rdirect表示直接传输需要的时间。如果Ss选择采用用于传输的帮助者站（例如，Si或Sj）,.传输时间表示为L／Rsh L／Rhd。变量Rsh表示源和助手之间的传输速率，Rhd表示帮助者和目的地之间的传输速率。如果满足任何一个不等式，这意味着通过助手的两跳传输更加高效。如图1所示，如果是两跳传输更有效，如果是InEq。（3）说明，站Ss将选择Sj作为帮助者。否则，它会选择Si.如果两者都没有不平等得到满足，Ss将选择直接传输。
L/Rsj L/Rjdlt;L/Rsi L/Rid(3)
2.2协议说明 1）基本数据传输过程如下。每个站需要在数据之前检测信道传输。通过使用请求发送（RTS）并清除发送（CTS）帧，采用虚拟载波侦听避免碰撞。这两个控制包用于设置网络分配矢量（NAV），其中的通道存储预约信息，以避免隐藏终端问题。成功交换控件后数据包，将发送一个数据包和目标站。如果没有收到，则确认（ACK）收到数据包错误。一旦站点与基本的AP关联服务集（BSS），它侦听RTS，CTS，数据包和由其他电台发出的确认。在拟议的计划中，每个电台还保留着所有可能帮助者的表格在它附近。一旦电台收到一帧或无意中听到一帧，它首先检查是否有来自的信息发送站已经包含在表中。如果是这样，它会更新收到的信息。否则，将有一个新行添加到表中，相关信息将是记录。潜在的帮助表由五部分组成，这些是：发件人的身份证明（ID），Rsh，Rhd，时间戳和传输失败计数器。Rsh的值和Rhd可以通过与中描述的相同的方法获得参考文献[5]，一旦有新数据，时间戳字段就会更新接收。传输故障计数器反映了每个助手的可靠性，通过失败积累数据传输。
2）假设有两种数据，一种是低优先级和一种其他具有高优先级的，相应地到达。这些是分别表示为Dnon-real和Dreal。假设是一个传输速率较高的电台发送Dreal将拒绝其他工作站的请求传输速率较低，并希望传输Dnon-real。根据图2，当Ss具有要发送的数据时，它将被感知首先是频道。如果信道空闲用于分布式互联网帧空间（DIFS）时间和Ss已完成所需退避程序，通过计算中所示的不等式公式。（1）或（2），然后确定是否会选择通过帮助器传输。一旦协作沟通采取策略，它挑选出一个更可靠的帮助者这可以支持Ss和s之间更快的传输速率dS.帮助程序选择过程基于信息包含在潜在助手表中。在最佳帮手之后hS决定，将发送一个RTS帧，保留该信道对于资产净值持续时间在拟议的计划中，有四个新领域附加到RTS帧，它是预期的IDhelper，Rsh，Rhd和数据类型（Dnon-real或Dreal）
3）根据不同情况，数据即可在Ss和Sh处发送的缓冲区可能有四个可能的组合，是
a）D真实 D非真实。 b）D非真实 D非真实。 c）D真实 D真实。
d）D非真实 D真实。
用p1和p2分别表示D真实和D非真实的到达可能性，p1 p2=1,0lt;p1, p2lt;1。因此，我们可以推断出D真实D非真实的可能性p2p1。对于前三种组合，Ss将首先选择通过查找潜在的帮助表[5]来获得最佳帮助。然后它将检查助手是否可以支持Rsh和Rhd。如果是这样，收到RTS后，准备发送的帮助（HTS）框架将由所选助手在短时间内发送帧空间（SIFS）时间段。 HTS的框架结构与CTS帧相同。这个包将被无意中听到Ss和Sd.只有帮助者不能维持率或者如果RTS帧被破坏，将考虑帮助者闲。 Ss将在收到RTS后期望HTS帧帧。如果接收到HTS分组，则发送CTS帧保留信道所需的时间来完成两跳传输。如果在两个SIFS期后没有收到HTS，Ss仍将发送CTS帧。但它只会保留通道直接传输所需的时间。 4）对于第四种组合，表示为DD非实数，即帮助者将在SIFS时间内发送一个不帮助（NTS）帧收到RTS后。这样做是为了拒绝要求协作。在这种情况下，这不是在参考文献中处理。 [6]，我们提出以下两种方案：ECoop MAC Scheme 1提高效率在发送RTS之前控制低优先级流量的帧frame，Ss还会选择备份助手（b-helper）Sb.来自潜在的帮助者表。而且，另一个新领域命名子传输时间（STT）将被添加到RTS中帧。这表示所需的传输时间通过b-helper进行两跳传输。两跳传输可以通过找到次优传输来计算时间Ss和b辅助者之间以及b辅助者之间的比率和Sd，分别用Rsb和Rbd表示。一旦Ss和Sd接收到NTS分组，Ss将选择通过b-helper传输。CTS帧由发送Sd保留通道所指示的时间量RTS帧的STT字段。 NTS的框架结构是与HTS框架相同。当Ss收到CTS帧时从Sd开始，数据帧传输开始。它然后发送使用Rsb将数据包发送到b-helper Sb.检查后CRC字段，如果没有被破坏，则Sb转发该数据包使用Rbd到Sd.在这里，人们可能会争辩说仍然存在公平问题，因为助手可能不愿意协作。我们给出以下两种解释：第一，此类案件的发生率为221 1 21 pp p pp，这是多少小于2 1 p p（第四种组合的可能性），特别是当1p非常小时。其次，通过接收RTS帧，bS可以获得最优帮助器ShID最初。然后在收到s的数据帧后，bS就可以了推断Ss的初始请求已被Sh拒绝。这意味着至少存在两个竞争站传输。因此，采用协作策略是显然比争夺媒体更有益。ECoop MAC方案1的NAV机制如图所示图3。ECoop MAC Scheme 2因为总是公平IEEE采用的多速率调制中存在的问题802.11b，具有低数据速率的站占用信道很多比高数据速率站长。这种行为带来了两个负面影响：不仅低数据率站得到服务差;它们还降低了高数据速率的带宽站。这会影响网络的有效吞吐量。鉴于这样的性能问题并结合使用协作信息，需要高发的帮手优先级可以利用NTS帧。对于高优先级流量，它是建议，为了及时访问媒体，辅助程序发送的NTS帧也可以作为RTS帮助程序的框架，用于请求其数据目标传输。这不仅是为了拒绝协作请求，还要抑制其他潜在的隐藏终端站。这里主要区别与ECoop相比MAC方案1是帮助者目的地的地址被纳入NTS框架。具体来说，站是在助手的传输范围内将接收NTS框架，然后更新他们的资产净值。如图4所示，这是更新，以便他们不会尝试通过设置时间。一旦NTS帧被正确接收目的地，它将发送CTS以保留该频道帮助者和帮助者之间直接传播所需的时间目的地。 ECoop MAC Scheme 2的NAV机制如图5所示。
5）Ss也可能没有收到HTS / NTS收到CTS帧之前的帧。这是由于穷人渠道条件。在这种情况下，Ss发送数据直接映射到Sd.对于直接传输和通过辅助情况传输，Sd确认Ss.收到数据帧后。否则，源启动指数退避，在标准IEEE中定义802.11b MAC。为了区分提出的ECoop MAC方案，我们定义E方案I以引用ECoop MAC方案1和E方案II代表ECoop MAC方案2.如所观察到的，与Coop MAC相比，后者没有考虑节点自私导致的请求失败问题，ECoop MAC确实需要节点的自私和数据传输优先考虑。如果数据是延迟敏感数据包，通过使用E-scheme II，减少了媒介可能会获得访问延迟。另一方面，通过采用E方案I，可以预见到增加的吞吐量。这是由于进一步利用协作信息。该提出的两个方案也可以联合采用
独立。
3理论分析 在本节中，根据参考文献 [5,10-13]，表达对于Coop MAC协议的饱和吞吐量得出。我们首先定义一些符号。这些符号将有助于分析获得访问吞吐量和服务延迟。
1）px,y：如果第三个站距离源rx米以内并且到达目的地，它可以帮助传输使用速率xMbit/s和yMbit/s以两跳方式。这个参数表示这样一个站存在的概率给定的区域。
2）真正的问题：到达Dreal的可能性。
3）TCP（n）：在争用期内花费的时间。
4）TOH：传输控制开销所花费的时间。根据不同的传输规则，其值可以通过添加不同的帧传输时间来计算例如物理层收敛程序（PLCP），RTS，CTS，等等
5）TCOOPOH：传输控制开销所花费的时间协作计划。
6）TOH II：花费在传输控制开销上的时间电子计划II。
7）T：网络的平均传输时间。
8）TE-方案1，TE-方案II：平均传输时间电子计划I和电子计划II。
9）xf：以速率xMbit/s传输的站的比例。
10）Rx：xMbit/s的传输速率。
11）Tx：站点所需的传输时间以xMbit/s发送。所有站均匀分布在覆盖范围内区域，并假设是静止的。假设有四个不同的传输速率，1Mbit/s，2Mbit/s，5.5Mbit/s，和11Mbit/s。因此，存在四种不同传输范围分别为1r 2r 5.5r和11r。从参考文献.[10]，可以导出不存在助手的概率如p11,11-p5.5,11-p5.5,5.5-
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