1. 网络传输-干扰模型

图1 基于链的无线回程网络架构的传输-干扰模型

本文提出的网络拓扑如图1所示。网络包括N个中继节点（表示为N1-NN）和一个连接到有线互联网的网关。由于构建WBN以扩大无线互联网接入的覆盖范围，中继节点被构建为WBN的骨干。流量要么从下游节点（远离网关）流向上游节点（靠近网关），要么从上游节点流向下游节点。如图1所示，节点N1被称为位于网关旁边的最上游节点，而NN是最下游节点（离网关最远的节点）。因此，靠近网关的节点具有更高的流量负载，因为它负责发送从下游节点聚合的更多中继流量。

本文考虑了网络模型的基本传输干扰范围：每个节点都在其相邻节点的传输范围内（等于一跳半径），并考虑了一个两跳干扰模型，本文将其称为一跳传输-两跳干扰模型。换句话说，节点Ni+1 或Ni-1 可以接收到来自Ni 的数据帧。节点Ni+1或Ni-1和节点Ni+2或Ni-2在节点Ni的载波感应范围内。此外，节点 Ni+3 或 Ni-3 是节点 Ni 的隐藏节点。也就是说，由于节点Ni+3或Ni-3无法检测到来自节点Ni的载波，在并发传输数据包时可能会造成干扰。

基于链式网络拓扑的线性特性，通过考虑一跳传输-两跳干扰模型，分析了如何获得最佳的空间重用。首先，假设每个节点操作在以下状态之一：监听(L)、传输(Tx)、接收成功(Rs)和接收冲突(Rc)。L状态指示该节点是空闲的，或者该节点可以监听另一个节点发往另一个节点的传输。Tx状态是指节点当前正在发送数据分组。当处于接收状态时，节点可能成功接收(Rs)或由于冲突而失败(Rc)。

2. 提出的MAC方案

本文将基于链的网络流量分为两种类型：中继流量和本地流量。所有节点都充当中间节点（中继节点），将从其下游节点接收到的中继流量发送到网关。此外，所有节点都有自己的本地流量，这些流量是从自己的本地区域收集的，然后定向到网关。由于网络的线性拓扑结构，靠近网关的节点必须传输比远离网关的节点更多的中继流量。

1）基本设计

为了最大化系统吞吐量，网络被设计为利用空间重用。本文采用四跳距离约束，允许两个或更多节点同时传输数据，如果两个节点至少在四跳距离上。因此，本文提出的MAC方案的基本思想是只允许一个节点与四个相邻节点一起传输数据分组，从而可以将四个相邻节点归类为一组。

基于时分多址（TDMA）系统，时间被划分为固定长度的时间帧，每个帧由多个时隙组成，具体取决于系统配置。传输帧被分为控制部分的预留时段和有效载荷传输的无冲突时段。控制部分根据不同数目的节点链拓扑结构，包含不同数目的控制微时隙。每个节点都有其专用的控制微时隙。尝试在帧中发送数据分组的所有节点必须在控制微时隙中进行预留。也就是说，只有当节点成功地在其自己的控制微时隙中进行预留时，才允许每个节点发送数据分组。

由于节点被划分为多个组，并且如果它们属于不同组，则允许并发分组传输，因此节点本质上与同一组的节点竞争传输机会。在该方案中，本文设计控制小时隙的索引越小，传输优先级越高。当一个节点希望发送一个数据包时，该节点首先监听该节点组的控制周期。一旦节点在其自己的控制微时隙之前检测到同一组的预留信号，该节点就停止进行预留，因此不允许在该时间帧内发送数据包。否则，节点在其控制小时隙中进行预留，并允许在此时间帧内传输数据。

2）四节点链式无线网络算法

图2 四节点链式无线网络

图2为本文设计的四节点链式无线网络。在这个网络中，控制部分的设计如下。为了方便中继流量传输比本地流量传输具有更高的优先级，控制部分首先被分成中继保留和本地保留控制微时隙。如图2所示，控制部分首先包括三个中继保留控制微时隙，然后是四个本地保留控制微时隙。如前所述，控制微时隙的指数越小，达到的传输优先级就越高。三个中继保留控制微时隙的索引为R1、R2和R3（其中索引值：R1 < R2 < R3），分别固定分配给节点N1、N2、N3。

这种设计的原因是N1的中继流量被设定为比N2的优先级高，然后是N3。N4不存在中继保留控制微时隙，因为它是四节点链无线网络中最下游的节点，因此不负责传输任何中继流量。

下面的四个本地预留控制微时隙被索引为L1到L4。为了促进本地流量公平性，本文进行初始本地微时隙分配(将L1到L4分别分配给节点N1到N4)，然后轮换本地控制微时隙分配的顺序。也就是说，已经分配了第一个微时隙(即L1)的节点将被重新分配给下一个时间帧中的最后一个微时隙(即L4)。并且，分配了第二个微时隙的节点(即L2)将被重新分配给第一个微时隙；其他节点相应地被轮换。

具体地说，节点Ni首先检查正在传输的是中继流量还是本地流量(首先是中继流量)，然后尝试进行预留。节点Ni首先在从控制部分开始直到其自己的控制微时隙(中继微时隙或本地微时隙)的时间期间监听载波。一旦任何其他节点已经在其自己的控制微时隙之前预留了控制微时隙，该节点就不在当前时间帧中进行预留，因此不允许发送数据分组。否则，该节点发送预留信号通知其他节点，从而宣告其传输机会，然后在当前帧中传输数据分组。

3）多节点链式无线网络算法

图3 多节点链式无线网络

本文将网络扩展到一个多节点链的无线网络。如前所述，该 MAC 方案只允许一个节点在四个相邻节点之间传输数据包。因此，本文将四个节点视为一个组；也就是说，网络被分成许多组，如图3所示。

通过图3可以观察到第二组节点的传输条件与第一组节点的传输条件并不完全相同。虽然允许两组节点同时传输数据包，并遵循一组内仅允许一个节点传输数据包的规则，但是第二组节点的传输节点会因为四跳路由约束而受到第一组节点的传输节点的影响。

在该算法中，第i组节点中的每个节点首先检查它是否满足与第(i-1)组节点的获胜者节点的“四跳距离约束”，以决定该节点是否必须尝试在时间帧内预留或中止传输。然后，算法的其余部分与前文的四节点链式无线网络算法类似。

1. 参数设置

尽管本文的系统可以扩展到具有 N 节点链的多个节点的网络，但本文重点关注 N 小于或等于 8 个节点的 N 节点链上的性能，其中节点 1 (N1) 被认为是作为网关旁边最近的节点。一个数据帧（tf）由一个控制部分和一个数据部分组成，可以根据各种系统性能观察随机选择多个数据时隙。在研究中，控制部分设置为1-10个数据时隙，在50-200个数据时隙的数据部分设置内假设定长数据包，其中1个数据时隙对应1个时隙时间。流量是通过遵循泊松分布产生的。负载 (L) 表示每个时隙时间要生成的数据时隙数。因此，假设新数据包的到达过程是一个参数为λ的泊松过程，其中λ= L / tf。 

2. 仿真结果

图4 不同系统配置下端到端吞吐量的分析和仿真结果

本文首先在各种 N 节点链拓扑和 Ripple 协议之间进行端到端吞吐量比较。尽管 Ripple 的控制开销包括 RTS/CTS/ACK 或 RTR/ACK 的长度以及 DIFS 的长度，本文通过使用与所提出的方案中相同的控制和数据长度来简化模拟。也就是说，Ripple的控制长度设置为1-10个数据时隙。如图 4 所示，认为控制部分为 1 个数据时隙，数据部分为 200 个数据时隙。正如预期的那样，四节点链网络在其他各种 N 节点链拓扑（其中 N 从 4 到 8）中提供了最高的端到端吞吐量。此外，分析结果与 N 节点链网络的模拟结果非常吻合。

与使用 Ripple 协议时相比，当 N 为 4 到 8 时，N 节点链的吞吐量提高了 123%-160%。结果表明，本文提出的方案很好地调度了传输，但是 Ripple 协议在所有节点之间表现出相等的传输概率，而不考虑它们不同的中继流量责任。

图5 （a）与 Ripple 的吞吐量比较  (b) 不同系统配置下延迟性能的仿真结果

为了深入探索基于链的网络的性能，本文在以下模拟中主要关注四节点链式拓扑。如图 5 所示，本文认为控制部分是 10 个数据时隙，数据包是 50、100 和 200 个数据时隙。图 8(a) 展示了数据包的各种平均长度对性能的影响。如结果所示，随着数据包长度的增加，所有方案都经历了延迟减少。这是因为较大的数据包大小意味着控制部分相对占据时间帧的比例较小，从而降低了控制开销百分比。此外，如图5（b）所示，从公式推导出的预期等待时间的分析结果与各种帧大小下的模拟结果一致。结果还表明，延迟随着负载和帧大小的增加而增加。具体来说，较小的帧大小会导致较低的数据包延迟，但会导致系统利用率略低。因此，在确定帧大小时需要进行系统权衡。

图6 本地流量和中继流量吞吐量比较

然后，本文对 Ripple 协议与提出的方案之间的本地流量、中继流量和聚合吞吐量比较。如图 6(a) 所示，本文提出的方案即使在负载 (L) 为 0.5 的饱和负载下也始终确保等效数量的本地流量传输，从而提供公平保证。此外，节点离网关越近，中继流量和聚合流量就越高。N1 处的聚合流量最终在负载饱和时达到给定的系统负载，或者在饱和负载下（L=0.5）达到分析的端到端吞吐量（0.4）。本文进一步检查结果，如图 6(b) 所示。在 Ripple 协议中，虽然中继流量和聚合流量似乎随着节点更靠近网关而增加，但本地流量似乎不公平，尤其是在负载高的情况下。由于所有节点之间的传输概率相等，当负载大于 0.25 时，聚合流量仅在 N1 处达到 0.25。进一步可以观察到，Ripple 方案的本地流量在节点之间是不公平的；特别是远离网关的节点可能比靠近网关的节点传输更多的本地流量。因此，与本文提出的方案相比，这种行为导致较低的端到端吞吐量。

本文提出了一种新颖的 MAC 方案来处理基于链的多跳 WBN 的各种中继流量负载问题（位置相关负载）和本地流量不公平问题。该方案利用精细的控制微时隙设计来确保高端到端吞吐量和本地流量公平性。将中继流量和本地流量预留分开以加快中继流量传输，并分配离网关较近的节点具有更高的中继流量优先级以实现较大的系统吞吐量，同时轮换本地流量控制微时隙，以实现本地流量的公平性。此外，该方案通过使用四节点组传输方法最大化空间重用。此外，通过相邻节点回声（广播）预留信号设计，网络可以扩展到多个节点。仿真和分析结果表明，在相同的一跳传输-两跳干扰模型下，四节点链式网络获得了 4/10 的端到端吞吐量，这个值大约是基于令牌的协议（例如Ripple 协议）的 1.6 倍。综上所述，本文所提出的 MAC 方案实现了较高的端到端吞吐量，并保证了各种流量负载和系统参数的公平性。