3.5 其他混合协议简述

3.5.1 TDMA和CSMA的混合协议

一种综合TDMA和CSMA的混合协议是永久地给每个网络节点分配一个固定TDMA传输时间安排，但是节点仍然有机会通过基于CSMA的竞争来收回和（或者）重新使用任何空闲时隙。节点可以在其分得的时隙内立即访问信道，最大可以发送两个数据分组。节点若想在一个未分配时隙内发送一个分组，则必须首先通过载波侦听来确定该时隙的状态。如果该时隙空闲，那么每个竞争节点尝试在某个随机选择的时间间隔内只发送一个分组。

如图3-14所示，为了提供随机信道访问，每个空闲时隙的大部分都被消耗了。

隐含节点也可能干扰一个节点成功使用其分得时隙的能力。因此，应该防止节点使用正好已分配给位于两跳远处的节点的时隙。尽管在固定无线通信系统中这是能够实现的，但是本协议没有描述在移动环境中如何来实现。多目标分组传输的可靠性也只是在分得时隙内才有保证。

3.5.2 ADAPT协议

ADAPT协议解决隐含节点干扰问题的方法是将基于CSMA的竞争协议以及使用碰撞回避握手的竞争协议综合到TDMA分配协议中。如图3-15所示，每个时隙划分成三个时段：优先级时段、竞争时段、发送时段。在优先级时段，节点初始化与预定目的节点的碰撞回避握手，达到向外公布自己将要使用其分得时隙的目的。这就保证所有隐含节点都意识到即将来临的分组发送。竞争时段用于节点需要在一个未分配时隙内访问信道时进行竞争该时隙。一个节点当且仅当在其优先级时段内信道保持为空闲的条件下才能够进行竞争。发送时段用于发送分组。发送时段的信道访问按照如下方法来确定。所有节点在其分得时隙的发送时段都可以访问信道。一个节点在一个未分配时隙的竞争时段成功完成了RTS/CTS控制分组握手过程之后就可以访问发送时段。所有在竞争时段握手失败的竞争则按照指数退避算法来加以处理。

许多仿真结果证明ADAPT协议能够有效地按照优先等级次序维护对分得时隙的访问，并且在网络拓扑稀疏的情况下表现出很高的信道利用率。但是，这些仿真结果没有把任何物理限制因素考虑在内，比如传播时延和硬件切换时间，这些物理限制因素可能会使整个协议开销得到较大的增加。另外，在竞争时段使用的握手机制不支持多目标分组传输。

3.5.3 ABROAD协议

ABROAD协议通过改变ADAPT协议的竞争机制而支持多目标分组传输。因为优先级时段的RTS/CTS控制分组的主要作用是通知节点在一个分得时隙内的活动情况，所以在优先级时段，ABROAD协议中的RTS/CTS分组与ADAPT协议中的RTS/CTS分组完全相同。但是，在竞争时段使用一个RTS/CTS控制分组交互会因为CTS应答分组之间的潜在碰撞而失败。ABROAD协议使用失败反馈响应来避免这个问题。一个节点在竞争时段检测到一个碰撞后，就使用失败CTS（Negative-CTS，NCTS）做出响应，否则不发送任何其他响应信息。有几种情况会发生这种类型的握手失败。但是仿真结果和分析证明，发生这种握手失败的概率非常小，比如，低比特误码率网络发生这种握手失败的概率小于4%。

3.5.4 AGENT协议

AGENT协议综合了ADAPT协议的单目标分组传输能力和ABROAD协议的多目标分组传输能力，结果得到一个通用的媒介访问控制MAC协议，该协议能够提供整个单跳传输范围内的有效传输服务。AGENT协议使用的帧结构和时隙结构，以及优先级时段的RTS/CTS控制分组交互与ADAPT协议的帧结构和时隙结构，以及优先级时段的RTS/CTS控制分组交互完全相同。竞争时段的控制分组建立在ADAPT协议和ABROAD协议的联合基础之上。

因此，为了获得访问一个时隙s的发送时段，源节点i首先必须在一个已分配时隙或者其他时隙的优先级时段的开头发送一个RTS控制分组。在优先级时段接收到一个RTS控制分组会产生一个CTS控制分组响应。另一方面，在竞争时段接收到一个RTS控制分组的时候，只有在该RTS控制分组跟一个单目标传输分组有关的时候，才会产生一个CTS控制分组响应。在竞争时段检测到任何碰撞都会导致发送一个NCTS分组。

一旦完成这个起始控制分组信号，节点就可以确定其是否适合在发送时段发送其分组p。如果时隙s分配给源节点i，那么就允许源节点i不受限制地发送其分组p。否则，就必须使用下列规则：

（1）如果在优先级时段检测到任何CTS控制分组信号，那么源节点i必须停止发送其分组p，以避免与时隙s的占有节点碰撞。

（2）如果在竞争时段接收到一个NCTS响应，那么多个源节点正在竞争时隙s，源节点i必须停止发送其分组p，以避免碰撞。

（3）如果分组p是一个单目标传输分组，并且已接收到相应的CTS响应分组，那么源节点i可以在发送时段发送其分组p。

（4）如果分组 p 是一个单目标传输分组、但是没有接收到相应的响应信号，那么源节点i仍然可以在发送时段发送其分组p。

按照上述方法发送分组p失败的问题全部按照ADAPT协议的退避算法来解决。

例如，考虑图3-16的一个移动Ad Hoc网络。当前时隙已分配给节点B，节点B有一个多目标传输分组要发送给节点A和节点C，节点D有一个单目标传输分组要发送给节点E。因此节点B在优先级时段（如图3-16（a）所示）向外发送一个RTS控制分组，节点A和节点C接收到该RTS控制分组后就分别回送一个CTS控制分组（如图3-16（b）所示）。节点D在竞争时段发送一个自己的RTS控制分组（如图3-16（c）所示），节点E接收到节点D的RTS控制分组后就回送一个CTS控制分组（如图3-16（d）所示）。当这个信号交互过程结束的时候，节点B和节点D就可以分别自由地发送自己的分组。

为了排除不必要的控制信号，试图在一个未被分配时隙内发送一个分组的节点在优先级时段检测到一个CTS控制信号之时制止发送RTS控制分组。当处理多目标传输分组的时候，有许多不明确的情况要出现。为了确保适当的信号特性，在优先级时段发送了一个RTS控制分组的一个节点也应该在竞争时段发送一个干扰性的RTS控制分组。

分析和仿真证明，AGENT协议的性能可以与轻流量载荷下的竞争协议的能性相媲美。当流量载荷增加的时候，AGENT协议的性能反映其基本分配协议的性能。AGENT协议不会越过一种流量类型而偏向另一种流量类型。这就可以在单目标分组传输和多目标分组传输之间较为公平地共享信道资源。但是，由于AGENT协议使用了TDMA传输时间安排算法，所以使用AGENT协议要受到某些限制。对于由数千个节点组成的较大网络，当前版AGENT协议不再是一种可行的选择。此外，网络规模通常是未知的、时变的。

3.5.5 Meta协议

Meta协议是一种综合多个MAC协议的通用框架体系。Meta协议框架体系在现有MAC协议之上实现一个自适应层（即Meta协议），通过这个特定自适应层系统而自动地组合任意一组现有MAC协议，得到的单一组合协议具有可证实的最优特性。Meta协议可用于任何以广播信道作为通信基础的网络。这个混合协议本质上是并行地运行每个组成协议。对每个组成协议做出的决策进行加权平均，依此决定是否发送。Meta协议框架体系的特性确保混合协议总是能够匹配最佳组成协议的性能，而无需知道哪个组成协议匹配网络状况中的不可预知的变化。这种组合是完全自动的，而且只需要本地网络反馈信息。

为了简化Meta协议框架体系的表达，将注意力限制在时隙时间上，并且假设在每个时隙结束的时候能够立即得到正确的信道反馈信息。实际上根据各个组成协议的独立决策的加权组合计算每个时隙的组合发送决策，最后对加权平均四舍五入，获得一个二进制决策。然后使用本地网络反馈信息，并根据所运行的各个组成协议的被连续更新的“可信信息”，适当调整各个组成协议的权重。

图3-17表示在任一给定节点上M个MAC协议P1、P2、…、PM的组合（M与网络节点数无关）。每个组成协议Pi分得一个权wi，本地执行，做出每个时隙t的发送决策Di, t，0≤Di, t≤1，Di, t表示Pi在给定时隙t的发送概率（Di, t=1表示Pi在时隙t发送，Di, t=0表示Pi在时隙t不发送）。并不假设每个组成协议如何做出其决策的具体方法。

在每个节点局部运行Meta协议。Meta-协议组合各个节点的Di, t，1≤i≤M，得到组合决策Dt，0≤Dt≤1，Dt表示Meta协议在时隙t的发送概率。最后求出以概率Dt取1、以概率1-Dt取0的随机二进制数，从而推导出二进制决策 ∈{0, 1}。也可以对Dt进行四舍五入，因此Dt确定为1或者0。但是当Dt的值经常落入[0, 1]中间时，采用四舍五入的性能较差。例如，在一个长时隙序列中有Dt=0.51，若采用四舍五入法确定每个时隙的发送概率，那么存在需要发送的冲突节点时，不能发送；但是若采用随机四舍五入法，每个节点的随机发送概率51%，那么即使存在需要发送的冲突节点，仍然存在发送成功的机会。

按照Di, t的加权平均函数来计算最后的决策Dt：

函数F的选择方法有多种，但是为了简单起见，使用F(x)=x，即Dt等于Di, t的加权平均值。另外一种方法是采用阶梯函数进行四舍五入，若加权平均值<0.5，则Dt=0；若加权平均值≥0.5，则Dt=1。阶梯函数F(x)定义如下：

参数c取决于权重更新参数（η>0），。

Meta协议维护公式（3-17）中的权wi, t（组合协议Pi在时隙t的权），在每个时隙结束之时利用本地网络反馈信息更新wi, t。然后据此就能够断定最后决策的正确性。例如，如果发生碰撞，那么发送决策出错。设yt表示时隙t结束时候的反馈信息，yt=1表示一个决策正确，而yt=0表示一个决策错误。那么正确决策zt可以计算如下：

在使用zt的时候，根据下列指数规则更新权：

等式的 项表示组成协议 Pi偏离正确决策zt的偏离值。如果没有偏离，那么权保持不变。否则，有关权随着偏离的加大而减小。常数η＞0控制权变化的幅度，因此对Meta协议的稳定性和收敛性有很大的影响。

Meta协议框架体系的很多实际应用证明Meta协议框架体系能够动态地优化MAC协议的很多关键参数，以便于匹配主要的网络条件。具体例子包括控制和调整竞争协议的发送概率和分配协议的传输时间安排。