1、無線自組網多信道MAC、議研究作者姓名 劉亮 導師姓名、職稱 曾興雯教授一級學科信號與信息處理二級學科通信與信息系統學科門類 工學提交畢業論文日期 2014年11月學校代碼 107011201120055學 號分T繆絲 TN82密級 公開西安電子科技大學碩士研究生畢業論文無線自組網多信道MACfc議研究A Study of Muti-channel MACProtocol in Wireless Ad Hoc NetworkA thesis submitted toXIDIAN UNIVERSITYin partial fulf川ment of the requirementsof Maste

2、r graduationByLiu liang(Electronic Science and Technology)Supervisor: Prof. Zeng XingwenNovember 2014西安電子科技大學畢業論文獨創性（或創新性）聲明秉承學校嚴謹的學風和優良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表

3、示了謝意。畢業論文與資料若有不實之處，本人承擔一切的法律責任。本人簽名：日 期：西安電子科技大學關于論文使用授權的說明本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用畢業論文的規定，即：研究生在校學習期間論文工作的知識產權單位屬西安電子科技大學。學校有權保留送交論文的復印件，允許查閱和借閱論文；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?， 可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。同時本人保證，畢業后結合 畢業論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學。（保密的論文在解密后遵守此規定）本論文屬于保密，在一年解密后適用本授權書。本人簽名： 導師簽名： 日 期：日 期：摘要摘要無線自組網是一種無中

4、心控制節點的多跳、對等、自愈的無線網絡，被廣 泛應用于人們的生產生活中。其中，媒體接入控制協議（ MAC的性能很大程度 上影響無線網絡的組網性能。傳統無線自組網的 MAO議采用單信道MAO議， 分組沖突概率大，網絡吞吐量低，而隨著通信和計算機產業的飛速發展，開放頻點越來越多，單信道MAO議性能不良和浪費信道的缺點凸顯，多信道MAO議迅速成為研究熱點。本文在深入研究現有MAO議的基礎上，設計并實現了一種基于信道協商的 無線自組網多信道 MAC®、議（CN-MMACmulti-channel MAC protocol based on channel negotiation ）,協議的主

5、要思想是：使用控制信道與數據信道分離的技 術，每個節點維護一個信道使用列表， 并計算空閑信道值編碼，在控制信道上通 過握手信號和廣播消息完成信道預約，并在預約成功的數據信道上完成分組傳輸 和分組傳輸的確認。本文的主要工作如下：1 .多信道MAO議的設計：本文從無線自組網的基本概念出發，分析了現有 的MAC*議，并指明了當前適用于無線自組網的 MAO議所存在的問題，設計了 一種基于信道協商的無線自組網多信道 MACB議（CN-MMAC、議）,具體解決了 如下問題：信道分配問題、多信道隱藏終端問題、控制開銷問題。2 .多信道MAO議的性能研究：本文使用 NS-2仿真工具，修改仿真模型， 添加CN-

6、MMAC議，通過對比CN-MMAC議與其他多信道 MAO議的性能，證明 本文設計的多信道MAC*議具有較好性能。3 .多信道MAO議的實現：在硬件平臺上移植本文設計的多信道 MAC*議， 為無線自組網協議棧提供 MAC層的透明傳輸接口，證明本文設計的多信道MAC協議具有較好的可移植性和較好實用價值。4 .多信道MAO議QoS呆障機制研究：根據業務優先級設置不同的退避算法， 調整信道接入機制，仿真表明該方案能有效提高實時業務的服務質量。5 .總結全文，并指明了下一步的工作研究方向。關鍵詞：無線自組網，多信道， MAO議 論文類型：應用基礎研究類ABSTRACTWireless ad hoc ne

7、tworks is a multi-hop peer, self-healing wireless network without central control node,which is widely used in people's production and life. Among them, the performance of the media accesscontrol (MAC) protocol largely affects performance of wireless networks. Traditional wireless ad hoc network

8、s use single-channel MAC protocol, in which packet collision probability is great and network throughput is low. With the rapid development of communications and computer industries, more and more frequency opens up, which highlights the shortcomings of poor performance of single-channel MAC protoco

9、l and channel wasted. So multi-channel MAC protocol quickly becomes a hot topic.On the basis of in-depth study of existing MAC protocol, This paper designs and implements a multi-channel MAC protocol wireless ad hoc network (CN-MMAC, multi-channel MAC protocol based on channel negotiation) based cha

10、nnel negotiation. The main idea of the protocol is: Control channels and data channels are separated and each node maintains a list of channels which are used. The node completes channel reservation on the control channel signal through broadcast message and the handshake signal. Data packet transmi

11、ssion is completed on data channel reservatied successly.The main work of this paper is as follows:1. The design of multi-channel MAC protocol: This paper analyzes the existing MAC protocol from the basic concept of wireless ad hoc networks and indicates the current issues that exist. Design a wirel

12、ess ad hoc network based on channel negotiation of multi-channel MAC protocol (CN-MMAC protocol), specifically address the following issues: the assignment of channels, the hidden terminal problem of multi-channel and control overhead problem.2. Performance research of multi-channel MAC protocol: Mo

13、dify the simulation model using NS-2 simulation tools and add multi-channel MAC protocol. This paper analyzes the performance of other protocols and proves that multi-channel MACABSTRACTprotocol designed in this paper has a higher performance.3. Realization of multi-channel MAC protocol: Transplant

14、multi-channel MAC protocol designed in this paper on the hardware platform, which provides transparent transmission interface on MAC layer protocol stack for wireless ad hoc networks. Prove this design has better portability and good practical value.4. Research on quality of service (QoS) of multi-c

15、hannel MAC protocol: Set different back off algorithm based on business priorities to adjust channel access mechanism. The simulation shows that this scheme can improve the quality of real-time business services effectively.5. Summary of the paper: indicates the direction of work and research in the

16、 future.Keywords: Ad Hoc,multi-channel ,mac protocolType of Dissertation: Applied Basic Research插圖索引圖1.1 論文組織框架 16圖2. 1隱藏終端20圖2. 2暴露終端20圖3. 1 信道使用列表結構 26圖3. 2 CN-MMAC協議分組轉發流程圖 27圖3. 3 CN-MMAC協議流程 28圖3. 4 信道預流程 30圖3. 5網絡節點組成架構31圖3. 6SI4463 的性能指標32圖3. 7 STM32芯片性能指標 33圖3. 8 Si4463 驅動程序實現 34圖3. 9 Si4463

17、參數設置 35圖4. 1 NS-2仿真器結構 37圖4. 2 NS-2 模塊組成結構 38圖4. 3移動節點模型39圖4. 4改進的移動節點模型 41圖4. 5鏈狀拓撲42圖4. 6 鏈狀拓撲下吞吐量隨跳數變化 43圖4. 7鏈狀拓撲下端到端日延隨跳數變化 43圖4. 8隨機多跳拓撲44圖4. 9隨機多跳拓撲下吞吐量隨包發送間隔變化 45圖4. 10隨機多跳拓撲下端到端時延隨包發送間隔變化 45圖5. 1歸一化吞吐量隨分組到達率變化 48圖5. 2 平均分組時延隨包到達率變化 49表格索引表格索引表格1 FCCS計算26表格2 RTS幀格式 28表格3 CTS幀格式28表格4 DATA幀格式2

18、9表格5 ACK幀格式 29表格6 RES幀格式29縮略詞對照表縮略語央乂全稱中乂對照PRNETPacket Radio Network分組無線網絡CSMACarrier Sense Multiple Access載波偵聽多路訪問SURANSurvivable Radio Network抗毀性無線網絡TITactical Internet多跳無線網絡IETFInternet Engineering Task ForceInternet工程任務組MACMedia Access Control媒體訪問控制層MACAMultiple Access with Collision Avoidance多址

19、訪問與碰撞回避協議DCADynamic channel Assignment動態多信道協議ARQAutomatic Repeat Request自動重傳請求RTSRequest to Send發送請求分組CTSClear to Send允許發送分組DSData Sending數據發送控制分組ACKAcknowledgement正確應答分組DCFDistributed Coordination Function分布式控制模式CSMA/CACarrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance載波偵聽多址訪問與碰撞回避BTMABusy-Tone

20、 Multiple AccessDBTMADouble Busy-Tone Multiple AccessMMACMulti-Channel MACPCLPreferable Channel ListRESResponseCULCurrent used ListFCCSFree Channel CodingSummationQoSQuality of Service忙音多址訪問協議雙首音多址訪問協議 多信道MAC協議 優先信道列表確認發送分組當前信道使用列表空閑信道編碼和值服務質量目錄目錄摘要5ABSTRACT 6插圖索引8表格索引9縮略詞對照表10第一章 緒論131.1 課題背景131.1.

21、1 無線自組網概述131.1.2 無線自組網的特點 141.2 無線自組網 MAC 協議研究現狀 151.3 本文組織框架 161.4 本章小結16第二章 無線自組網 MACB議的研究分析 172.1 基于信道訪問策略的 MAC協議 172.1.1 競爭類MAC協議172.1.2 分配類MAC協議172.1.3 混合類 MAC 協議182.2 基于信道數目的 MAC協議 182.2.1 單信道 MAC 協議 182.2.2 雙信道MAC協議222.2.3 多信道MAC協議222.3 本章小結24第三章 無線自組網 CN-MMAC、議 253.1 CN-MMAC 協議的關鍵技術 253.1.1

22、多信道隱藏終端問題 253.1.2 控制開銷問題 263.1.3 信道分配問題 263.2 CN-MMAC 協議設計273.2.1 協議總體設計思想273.2.2 協議總流程 283.2.3 幀格式說明 283.2.4 信道預約 303.3 CN-MMAC協議在硬件平臺上的實現 313.3.1 硬件平臺介紹313.3.2 CN-MMAC協議的移植要點 343.4 本章小結36第四章 基于NS-2的CN-MMAC 協議性能分析 374.1 NS-2仿真工具介紹374.1.1 NS-2基本原理 374.1.2 NS-2無線仿真功能 384.2 NS2創建仿真模型 384.2.1 移動節點模型及改進

23、 384.2.2 MAC層多信道模型實現 414.2.3 添加 CN-MMAC 協議到 NS-2 414.3 仿真實驗和結果分析 424.3.1 鏈狀多跳場景424.3.2 隨機多跳場景 444.4 本章小結46第五章基于CN-MMAC 協議的QoS保障機制研究475.1 QoS保障分析475.2 CN-MMAC 協議的QoS保障機制 475.3 仿真及性能分析 48第六章總結與展望506.1 工作總結506.2 展望50參考文獻52第一章緒論1.1 課題背景1.1.1 無線自組網概述當今社會中，網絡變得無處不在，人們在工作、學習和生活中對網絡的需求越來越 強，在這樣的社會背景下，強烈的需求催

24、生了科研工作者和網絡愛好者對研發具有更強 大性能的網絡的追求，而無線網絡作為網絡通信的重要組成部分，正在迅速的改變著人 們的生活方式，寬帶無線接入系統、移動蜂窩網、短距離無線互聯等技術使人們以更方 便、更快捷、更安全的方式與世界各地溝通，而現今存在的無線網絡制式不能滿足人們 隨時隨地進行布網溝通的需求，在此背景下，具有快速組網、高自愈性的無線自組織網 絡(即Ad Hoc網絡)開始贏得學著眾多的研究和關注。作為一種新型的組網技術，無 線自組網不依賴于任何中心實體或基礎設施，網絡節點作為整個網絡的一部分，既可以 作為信息的發起者和接受者，也可以作為信息的中繼者，節點通過精心設計的網絡協議 棧相互合

25、作，進行自動配置和管理，自發的通過信息交互組成網絡并自動維護網絡拓撲 結構，信息通過在節點間相互中繼的方式，增大無線設備的傳輸距離，拓寬網絡的覆蓋 范圍，為用戶提供各種服務10雖然無線自組網的概念誕生并運用于軍用領域，但是由 于其優良的性能，在商用領域等方面也表現出了強大的優勢，對無線自組網的進一步研 究已經成為業界的共識。ALOHA網絡是無線自組網發展的初級階段，雖然它的直接研究目的并不是基于無 線自組網，但是它的思想對無線自組網具有很強的借鑒意義，為后者的發展奠定了基礎。固定基站和分布式信道訪問管理是ALOHA網絡的兩項關鍵技術，其中，分布式信道訪 問技術為后續無線自組網的研究開發指明了正

26、確的方向 。二十世紀七十年代，科研工 作者在ALOHA網絡研究成功的基礎上，結合早期固定分組交換網絡，開始研發分組無 線網絡(Packet Radio Network, PRNET), PRNET是一種新的網絡制式，具特點是在無 線環境中引入了數據分組交換技術，提供多跳的分組傳輸機制，其中包括集中式和分布 式的操作管理機制。之后，PRNET網絡引起業界的廣泛關注，人們開始認識到，可以 通過多跳轉接的方式提高網絡容量，增大網絡規模的，多跳技術是提升網絡性能一種有 效手段。PRNET網絡由廣播電臺組成，為了減少中心控制開銷，引入了 ALOHA網絡 的分布式信道訪問技術，綜合了 ALOHA和載波偵聽

27、多路訪問(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)兩種信道訪問協議，使信道可以在電臺之間實時共享，PRNET網絡的研發成功在一定程度上證明了無線自組網思想的可行性 網?？箽詿o線網絡(Survivable Radio Network, SURAN)是DARPA在20世紀80年代初期對PRNET網絡的拓展，它 進一步加強了 PRNET網絡的安全機制，并在功耗和處理能力方面提高了網絡的健壯性。 到20世紀80年代后期和90年代初期，隨著Internet基礎設施的不斷發展，微型計算機 和嵌入式設備的強大處理能力使得無線分組網絡思想更加實用， 更加切實可行。20世紀 9

28、0年代后期，美國陸軍相繼實現了當今規模最大的多跳無線網絡 (Tactical Internet, TI) 和增強型沿海戰場先進概述示范(Extending the Littoral Battle-space Advanced Concept Technology Demonstration, ELBACTD ),作為現代無線自組網的雛形， TI 和 ELBACTD 的成功研發并投入使用為無線自組網發展的提供了廣闊的前景。從上可以看出無線自組網起源于軍事研究，并在軍用領域發揮作用。20世紀90年代末，Internet工程任務組(Internet Engineering Task Force, I

29、ETF)的建立，使民用無 線自組網進入科學工作者的視線，激發科學工作者對無線自組網技術的研究熱情。21世紀初期，隨著大數據時代和物聯網時代的來臨，無線傳感器網絡和移動自組織網絡作 為無線自組網的重要分支被廣泛的應用到旅游、智能家居和無線物聯等領域，極大方便 了人們的生產和生活。1.1.2 無線自組網的特點無線自組網是由一組帶有無線收發設備的網絡節點組成的，不依賴類似基站等基礎 通信設備的、能夠迅速自行建立網絡拓撲的網絡體系，人為控制的因素較低。作為分布 式的臨時網絡，無線自組網具有自組織、自愈性強、無中心的特性。無線自組網是對等 網絡，這是其與固定基礎設施的蜂窩網絡的一個重要區別。網絡節點能隨

30、機、頻繁的接 入和離開網絡，無線自組網節點的標準配備有無線收發裝置、天線(根據不同需求，天 線的規格和制式可能不同)、主控制處理器及其他輔助設備(包括按鍵、人機交互界面 等)。由于網絡節點可以根據自己的需求調整位置、發射功率和接收靈敏度，其無線信 號的覆蓋范圍會隨機變化，按照網絡協議棧設定的組網形式，實現節點之間的無線連接， 形成網絡拓撲。考慮到無線網絡環境的不可測性，網絡的拓撲會隨時間推移而變化，基 于上述分析，無線自組網具有下列特點(1)分布式操作由于無線自組網無中心控制節點的特性，使得控制節點的方式必然是分布式的，但 當前大多通信系統控制都是帶有中心控制方式的，集中式的網絡協議不能滿足無

31、線自組網的需要，必須使用網絡節點問自我協調的方式替代中心網絡節點的作用，各層網絡協 議必須重新設計才能適應無線自組網的分布式特點。(2)無線信道特有的缺陷：帶寬昂貴，鏈路質量不穩定與有線鏈路相比，無線鏈路帶寬較低，考慮到噪聲等環境干擾因素的影響，無線通 信的有效傳輸速率相比最大傳輸速率又有一定程度的損耗。同時由于無線信道固有的衰落、多址訪問等固有特點，無線鏈路質量具有不穩定性，這也是設計無線自組網需要考 慮的因素之一。(3)網絡拓撲動態性無線自組網中，設備接入網絡和離開網絡具有隨機性，同時，節點無線設備的發送 接收參數具有不確定性，無線環境具有易變性，這些因素都使得網絡拓撲結構不可人為的預測，

32、必須重新開發合適的路由協議增強網絡拓撲的自我恢復能力。(4)設備限制雖然現今微電子產業已經取得了長足的發展，但是，組成無線節點的設備的處理能 力和功耗方面的性能仍然是限制網絡性能的重要因素，必須開發具有高速處理能力的微控制器和較低功耗的無線收發設備提高網絡節點的續航能力。(5)安全有限由于無中心控制節點的固有特性，無線自組網相比于有線網絡和其它傳統無線網絡 更容易被攻擊，它的無中心控制方式決定了在安全方面要提供更多的保障，單個節點的 安全隱患需要整個網絡的共同協作來解決。1.2 無線自組網MAO議研究現狀在計算機通信網絡協議棧中，媒體訪問控制協議 (MAC)位于物理層之上，網絡層之 下，對整個

33、網絡協議棧起著承上啟下的作用。 而在無線網絡環境中，信道資源十分昂貴， MAC協議控制著信道資源的分配，其性能將直接影響信道的使用效率。而在無線自組 網中，MAC協議性能的優劣對整個網絡性能的影響則更為明顯，性能不良的MAC協議甚至可能造成網絡的癱瘓。無線信道是無線自組網中非常珍貴的資源，由于無線自組 網本身的多跳、分布式操作、網絡拓撲動態變化等特點，MAC協議的設計需要使信道資源的分配更加高效、合理，在保證網絡節點公平接入信道的基礎上，最大程度的提高 吞吐量，這些都是不同于其他無線網絡的問題。現今無線自組網MAC協議的研究主要集中在提高信道接入的公平性問題、提高吞 吐量、提高信道利用率等方面

34、。單信道 MAC協議ALOHA協議發展而來，包括載波偵 聽多址訪問協議(CSMA)、多址訪問與碰撞回避協議(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA)、IEEE802.11MAC DCF協議。但單信道 MAC協議存在先天不足： 由于只采用一個信道，有限的信道容量成為制約MAC協議性能的瓶頸。研究表明，無論協議設計的如何巧妙都無法彌補其先天的缺陷。隨著微電子產業和無線終端產業的快速發展，一個網絡設備可以同時工作在不同的 信道上，或者可以在不同的信道上切換來完成信息的交互，單信道協議中信道容量的瓶 頸不再是難以解決的問題。而且，隨著國際無線電組織

35、對無線信道的使用標準的規范化， 開發使用的頻點越來越多，如果繼續沿用單信道MAC協議則存在嚴重的頻點浪費問題。 因此，無論在理論上還是實際應用上，研究開發多信道MAC協議成為迫切需求。多信道MAC協議對解決單信道吞吐量瓶頸問題有顯著效果45 o已經存在的多信道 MAC協議包括多信道 CSMA協議、DCA協議等，分別從不同方面改進單信道協議 同8910,各有特點，并都在一定程度上改善了 MAC協議的性能。但以下問題依然存 在：1.協議控制復雜，控制開銷大，在一定程度上影響了網絡吞吐量。2.對終端的配置和性能都提出了較高的要求，實際用于無線自組網的難度較大，可移植性較差。此外，多信道MAC協議的獨

36、有的多信道隱藏終端的問題并未得到很好的解決。針對上述問題，本文設計了一種基于信道協商的多信道 MAC協議(CN-MMAC ) , CN-MMAC 協議通 過精心的設計幀結構降低了控制開銷；通過完善分組轉發流程，進一步解決了多信道隱 藏終端的問題。在此基礎上，CN-MMAC協議對硬件設備的處理能力沒有太高要求，增 強了可移植性，具有較高的實用價值。1.3 本文組織框架本文組織框架如下圖所示。圖1. 1 論文組織框架在第一章對無線自組織網絡進行了整體描述，并通過查閱文獻，分析了無線自組網 多信道MAC協議的研究現狀。第二章重點分析了無線自組網中典型的單信道MAC協議和現有的多信道MAC協議，指明了

37、單信道MAC協議存在的固有缺陷和多信道 MAC 協議存在的不足。在以上基礎上，第三章詳細論述了基于信道協商的多信道MAC協議(CN-MMAC ),包括CN-MMAC協議的分組轉發流程、幀格式、信道預約流程，并介 紹了 CN-MMAC協議在STM32平臺上的移植過程，為 CN-MMAC協議的實際應用打 些基礎。第四章使用NS-2仿真工具對比了 CN-MMAC協議與典型的多信道 MAC協議(DAC),證明CN-MMAC協議在吞吐量和端到端時延方面具有較好的性能。第五章實 現了一種適用于CN-MMAC協議的QOS保障機制，仿真結果表明，通過根據優先級劃 分調整接入信道的機制能夠使實時業務得到較好服務

38、。第六章在總結全文的基礎上，指 明了本文存在不足和下一步的研究方向。1.4 本章小結本章在對課題背景進行整體描述的基礎上，分析了當今無線自組網MAO議的研究現狀，指明了研究多信道 MAO議的必要性。最后給出了本文的整體框架。第二章 無線自組網MAO議的研究分析無線自組網中的MAC協議可以從不同的角度進行劃分，目前業界比較認可 的劃分方式包括基于信道數目分類和基于信道訪問策略分類。本章從這兩種分類 方式研究分析了現今存在的適用于無線自組網的MAC協議。2.1 基于信道訪問策略的 MAO議根據接入信道方式的不同，MAC協議可劃分為網絡節點自行爭用信道使用 權限的MAC協議(Contention P

39、rotocol)基于協議設計者固定分配信道使用權 限的MAC的協議(Allocation Protocol)和節點自行爭用信道和固定分配信道相 結合的MAC協議(即混合類MAC協議，Hybrid Protocol) 0 2.1.1競爭類MAO議競爭類MAC協議通過網絡節點自行爭用信道獲取接入信道的機會，由于競 爭性，需要在協議中添加一定的機制來避免一些節點出現始終無法接入信道，即餓死的現象。同時，還要保證在其他網絡節點獲取信道使用權限時，其他節點能夠獲知這一情況，避免同時發送信息造成數據碰撞，因此，需要通過在協議中加 入控制命令來避免碰撞問題，當碰撞發生時通過分組重傳盡量保證分組的成功傳 輸。

40、有些競爭類MAC協議并沒有碰撞避免機制，如ALOHA協議和時隙ALOHA 協議，分組碰撞的概率高，性能比較低下，而包括 CSMA協議、MACA協議、 IEEE802.11MAC協議、BTMA協議在內的其他 MAC協議支持碰撞避免機制， 降低了分組碰撞概率，在性能上都有一定的改善。競爭類MAC協議的優點是工作原理簡單，采用異步通信模式，實現難度較 小，在網絡負載較低的情況下，分組沖突概率較小，信道利用率較高，分組傳輸 時延較小。但隨著網絡規模的擴大，網絡負載加重，分組的端到端時延明顯提高， 可能出現網絡節點一直競爭信道而一直退避的餓死現象，甚至有可能全網癱瘓。 因此競爭類MAC協議適用于小規模而

41、不適用于大規模網絡。2.1.2 分配類MAO議分配類MAC協議按照一定的規律分配信道使用權限，目前，大都使用時間 片輪詢的方式給網絡中的所有節點分配信道。時隙安排算法將時隙分配給網絡中 的節點，每個節點預先知道接入信道的時間和占用信道的時間，能夠根據網絡規模合理的設置分組發送時間，降低分組碰撞概率，提高信道利用率。分配類MAC 協議根據分組發送時間是否定長分為靜態分配協議和動態分配協議。典型的分配類MAC協議包括時分多址訪問協議(Time Division Multiple Access , TDMA)、 五步預留協議(Five-Phase Reservation Protocol, FPRR

42、)和調頻預留多址訪問協 議(Hop Reservation Multiple Access, HRMA )等。分配類MAC協議設計的出發點是提供較高的信道利用率，時隙安排算法是預先設定的，與競爭類MAC協議相比，分組接入信道的碰撞概率降低，因此在 大規模網絡下仍有較高性能。但正是由于時隙安排算法是預先設定的，在小規模 網絡情況下，網絡負載較輕，分組碰撞的概率本身要小很多，而網絡節點仍然按 照固定的時間片輪詢機制，缺乏一定的靈活性，使分組延遲增大，性能較低。因 此，分配類MAC協議適用于大規模組網。提供較高性能的代價是實現難度復雜， 需要采用全網同步的方式分配時間片，用于實際組網的難度較大。2.

43、1.3 混合類MAO議混合類MAC協議結合節點自行爭用信道和固定分配信道的技術，既有在小規模組網下競爭類MAC的靈活性，又有在大規模組網中固定時間片輪詢的優點， 能夠自適應網絡規模。典型的混合類MAC協議是混合時分多址訪問協議(Hybrid Time Division Multiple Access , HTDMA )。2.2 基于信道數目的MAO議大量的針對不同應用場景的 MAC協議已經被設計出來，由于應用場景和控 制技術的復雜性，嚴格地將一種 MAC協議歸類為分配類、競爭類或混合類是非 常困難的。為便于對現有協議進行研究分析，本文按照不同的信道使用數目對無 線自組網MAC協議進行簡單分類：

44、單信道，雙信道和多信道。2.2.2 單信道MAO議在無線自組網發展的早期，由于硬件條件的限制，所有分組都只能在同一個 信道上獲得接入信道的機會。事實已經證明，單信道 MAC協議已經不能滿足無 線自組網的高性能需求，但單信道MAC協議的一些優良技術仍然能夠運用到多 信道MAC協議研究中。(1) ALOHA 協議ALOHA協議以不計后果的方式爭奪信道接入權。ALOHA協議的主要特性是當一個節點有發送分組的請求的需要的時候，不管信道處于什么狀態都強制性 的發送分組，缺乏必要的信道訪問控制機制導致 分組碰撞的概率非常大，而且需 要附加某種形式的反饋機制來保證分組到達目的節點的可靠性，比如自動重傳請求(

45、Automatic Repeat Request ARQ)。當一個節點在一定時間內發現其分組未 到達目的節點時(即未收到分組到達的確認信息)，該節點只是粗暴的重新發送 未成功交付分組，網絡吞吐量性能降低。有上述分析可知，缺乏信道訪問控制機制的ALOHA協議的信道利用路非常 低。之后出現的時隙化ALOHA協議在對原協議作了一定改進， 但并未從根本上 解決問題。時隙化ALOHA協議將時間軸以時隙為單位劃分，并通過規定每個節 點只能在下一個時隙的開始時刻才能分組發送的機制降低了分組產生的隨機性， 比如，節點在某一時刻要發送分組，并不是將分組立即發送，而是等到該時刻所 在時隙的下一個時隙才發送分組。

46、與原協議相比，時隙ALOHA協議的這種離散 時間片機制大大減少了分組沖突的可能性， 減小了沖突危險區，提高了信道利用 率，而且在吞吐量性能方面有較大提高。(2)載波偵聽多址訪問協議(Carrier Sense Multiple Access CSMA) 11CSMA是無線自組網常見的異步訪問協議，通過載波偵聽機制檢測當前信道 強度，以此判斷信道的忙閑狀態。網絡節點在分組發送之前，首先檢測信道強度 并與信道強度閾值進行對比，如果當前信道強度大于信道強度閾值， 表明當前信 道處于忙碌狀態，則根據不同的策略退避一段時間后重新檢測信道，即所謂“先聽后發”；如果當前信道強度小于信道強度閾值，則表明當前信

47、道空閑，將獲得 信道使用權限并發送分組，即所謂“沖突不發”；在分組發送過程中也將持續檢 測信道，當信道狀態為忙時立即停止分組發送，即所謂的“邊聽邊發”。由上可以看出，所謂“沖突不發”的模式仍然可能造成分組碰撞，比如，當 信道被釋放時，此時可能有多個節點在監聽信道，這些節點都會檢測到信道空閑， 并發送分組，這事就會發生分組碰撞。針對這一情況，非持續 CAMA協議通過 減少檢測信道的次數來提高性能，當第一次檢測到信道忙碌時，不再持續的檢測， 而是等待一段時間后再次檢測，并隨著信道忙碌次數的增加，等待時間隨指數增 加，直到信道空閑為止。非持續 CAMA能夠在一定程度上提高信道利用率，但 是會造成端到

48、端時延的增大。持續參數 p的CSMA協議是CSMA協議和非持續 CSMA協議的折中，它將信道進行時隙劃分，當信道空閑時，在當前時隙節點以 概率p (0<p<1)發送分組，(1-p)的概率不發送，若分組在當前時隙未被成功 交付，則在下一時隙持續過程，直到分組發送成功或信道變為忙狀態為止，如果信道忙時，則強迫節點等待一段隨機的時間后重新開始這個過程。圖2. 1隱藏終端CSMA協議無法解決隱藏終端和暴露終端問題， 如圖，節點B能夠直接收到 A、C的發送，但是節點A、C不能直接接收到對方的發送。假設 A向B正在發 送消息，同時節點C也向B發送消息，通過信道檢測后，由于節點 C無法得知 A是

49、否占用信道，所以C也向B發送消息，結果導致A、C發送的消息在B處 發生碰撞，稱節點A為節點C的隱藏終端，同理，節點C也是節點A的隱藏終 端。隱藏終端問題增大了碰撞次數，從而降低了網絡容量。節點A、C在節點B的無線覆蓋范圍內，節點B、D在節點C的無線覆蓋范 圍內，節點B、D均不在對方的無線覆蓋范圍內。假設 B向A正在發送分組， 而C正準備向D發送分組，通過信道檢測，節點 C發現節點B正在占用信道， 于是將消息推遲發送。而實際上，節點C分組的發送不影響A接受B發送的分組，推遲發送分組時不必要的，此時稱節點 B為C的暴露終端，同理C也是B 的暴露終端。暴露終端問題將會降低網絡容量。(3)多址訪問與碰

50、撞回避協議(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA )MACA協議使用兩種定長的控制分組進行兩次握手從而減輕隱藏終端的干擾并減少暴露終端的個數。在發送分組前，發送節點先發送一個短的發送請求分組(Request to Send, RTS),通知接收節點做好接受分組的準備，接收節點收到 RTS后回復一個允許發送分組(Clear to Send, CTS),讓其鄰居節點能夠檢測到 該控制分組，從而保證在接下來的分組傳輸過程中鄰居節點不在發送分組，在一定程度上降低了隱藏終端和暴露終端的影響。MACAW 協議是對MACA協議的改進，增加了兩個新的控制

51、分組 ACK和 DS,通過以下措施強化了 MACA協議：在RTS控制分組發送之前，使用載波監 聽機制來降低RTS控制分組之間的碰撞概率，使用正確應答控制分組( ACK) 來防止數據分組的丟失，若源節點未收到 ACK控制分組，則進行重發。同時， 源節點通過發送數據發送控制分組(Data Sending DS)來避免暴露終端節點才 ACK分組即將發送的時候占用信道，降低了 ACK分組碰撞的概率。MACAW協 議進一步解決隱藏終端和暴露終端問題，相對于 MACA協議性能上有了明顯的 改善。(4) IEEE802.11MAC 協議IEEE802.11MAC協議分為分布式和集中式兩種工作模式，適用于無線

52、自組 網的是分布式控制模式(Distributed Coordination Function,DCF) ,IEEE802.11DCF 協議在融合載波偵聽多址訪問與碰撞回避(Carrier-Sense Multiple Access withCollision Avoidance, CSMA/CA )協議的基礎上，提供了一種適用于無線局域網 的解決方案。CAMA/CA協議是CSMA協議的改進。通過在CSMA協議中增加握手機制， 進一步提升了 CSMA協議的性能。該協議支持兩種操作，第一種操作類似于前 面介紹過的CSMA,發送站在發送前監聽信道，信道忙則推遲發送直至發現信道 空閑，一旦信道空閑立

53、即發送幀，但在發送的過程中并不檢測沖突 (因為可能無 法檢測)，如果發生沖突，發送站使用二進制指數退避算法等待一段時間，然后 再試。第二種操作基于 MACAW,發送站向接收站發送一個 RTS幀請求發送， 接收站發送一個CTS幀表示同意發送，然后發送站可以發送一個幀，并啟動一 個ACK計時器，接收站正確接收后必須返回一個 ACK幀進行確認，若發送站 的ACK計時器超時，則發送站重發。收到 RTS或CTS的站都用NAV信號通知 自己的相關實體保持沉默，直至整個交換過程結束，保持沉默的時間可以根據 RTS或CTS中給出的待發送幀或待接收幀的長度以及確認所需要的時間估算出 來。由于繼承了載波監聽機制、

54、信道預約機制和確認重傳機制，IEEE802.11MAC 協議相比其他單信道MAC協議，在網絡整體性能方面有了很大提高。但并沒有 徹底解決隱藏終端問題，同時由于導致更多節點不夠發送，在一定程度上加重了 暴露終端問題。2.2.3 雙信道MAO議單信道MAC協議存在先天不足：由于只采用一個信道，有限的信道容量成 為制約MAC協議性能的瓶頸。研究表明，由于單信道 MAC協議信道數目的限 制，存在先天的缺陷，無論設計的多巧妙都無法徹底解決隱藏終端和暴露終端的 問題。(1)忙音多址訪問協議(BTMA)忙音多址訪問協議(Busy-Tone Multiple Access, BTMA)的主要思想是：在 信道上

55、有數據傳輸時，使用忙音信號來標志數據信道信道繁忙， 忙音信號使用單 獨從整個帶寬劃分出的控制信道，并使用單獨的數據信道進行數據通信。 控制信 道和數據信道之間相互獨立，忙信信號相比于數據對帶寬的要求要小很多， 因此 數據信道將占用絕大部分帶寬，而控制信道僅占用很少的帶寬。 BTMA協議的 分組發送流程如下。1 .源節點有分組要發送的時候，首先檢測控制信道上是否有忙音信號。2 .若未檢測到忙音信號，則表明當前數據信道上沒有數據傳輸，數據信道空 閑，就可以在數據信道上進行分組發送3 .否則，分組暫時不會被發送，并在未來指定時刻重新檢測忙音信號，直到 數據信道上的發送動作停止為止。任何節點檢測到數據

56、信道上的發送動作就立即 開始往控制信道上發送忙音信號。BTMA協議防止源節點兩跳遠以外的所有節點訪問數據信道，這樣較大程度 的減輕了隱藏節點干擾，降低了碰撞概率。但是，暴露節點的增加確實很明顯， 其結果是數據信道的利用率嚴重不足。(2)雙盲音多址訪問協議(DBTMA)雙盲音多址訪問協議(DBTMA )是對BAMA協議的改進，在BAMA協議 采用一個忙音信號保護數據信息的基礎上，增加了一個忙音信號用于保護初始化 信道請求的RTS分組。在DBTMA協議中，前者稱為接受忙音，由接收方設置， 后者稱為發送忙音，由發送方設置。由于使用了 RTS分組和由接收節點設置的接收盲音，DBTMA協議降低了隱 藏終

57、端的影響，減少了暴露終端的個數，但由于采用兩個忙音信號，導致控制復 雜，控制開銷大，而且數據信道和控制信道的引入分割了信道帶寬， 會引起較大 的控制時延時延，因此網絡的實時性較差，吞吐量提升十分有限。2.2.4 多信道MAO議(1)多信道CSMA協議多信道CSMA協議通過準信道預留技術實現的。在載波監聽機制的基礎上， 通過全網同步方式對信道進行預先分配，即節點記錄上次使用的信道信息，在下 一次數據傳輸中優先選擇上次使用的信道。 但在實際應用中，但由于硬件條件有 限和無線自組網網絡拓撲的動態可變，實現全網同步非常困難。實驗結果表明，多信道CSMA協議對提高網絡性能有明顯的優勢，隨著信道 數目的增加，系統吞吐量明顯提高12o但是由于該信道選擇機制僅 僅根據發送 節點的信道占用情況選擇數據信道，而沒有考慮接收節點的信道占用情況，容易 引起接收端的碰撞，因此不能保證分組在接收端成功接收。(2)動態分配協議多信道MAC