無線自組織網絡MAC協議2提綱MAC協議設計目標MAC協議設計面臨的問題Adhoc網絡MAC協議分類典型MAC協議ALOHACSMA/CA、IEEE802.11IEEE802.11e、RBARTDMA、TSMA、FPRPETUTM……3MAC協議設計目標媒質訪問接入控制(MediaAccessControl，MAC)協議決定了共享無線信道的使用方式，負責為節點分配無線通信資源并控制節點物理層，因而直接影響網絡的整體性能，是決定網絡吞吐量、時延、公平性的關鍵因素。目標：多個用戶高效、合理的共享有限的無線信道資源。應用層傳輸層網絡層數據鏈路層(MAC)物理層解決相鄰節點間(點到點)的信道接入問題1023145116897141213154MAC協議設計面臨的問題MAC協議設計基本問題：避免沖突、降低干擾（信道檢測）節點間公平性（退避算法）降低協議開銷（控制指令設計）滿足不同業務的QoS要求Adhoc網絡特有問題無中心控制設備：無法使用傳統的（最優的）集中控制式的分配策略拓撲變化：信道沖突概率變大；業務負荷分布不確定，可能變化劇烈無線多跳：隱藏終端、暴露終端、無線鏈路的脆弱性、捕獲效應、傳播時延問題、通信方式問題5Adhoc網絡MAC協議分類信道劃分：單信道、多信道；信道接入流程的發起：發端發起、收端發起；信道占用機制：競爭機制（異步）分配機制（同步）混合機制（競爭和分配相結合）6典型MAC協議及算法競爭機制使用直接競爭決定信道訪問權，通過隨機重傳來解決碰撞問題。ALOHA、CSMA、CSMA/CA、MACA、MACAW、IEEE802.11、IEEE802.11e…分配機制使用同步通信模式，采用某種傳輸時間安排算法將時隙映射為節點。TDMA、TSMA、FPRP…混合機制分配和競爭相結合。HTDMA、ETUTM、AGENT…7IEEE802.11協議的誕生1990年，IEEE802標準化委員會成立了IEEE802.11無線局域網標準工作組。1997年，IEEE發布了802.11協議，這是無線局域網領域內第一個在國際上被認可的協議。該標準包括了物理層及媒質訪問控制（MAC）層的規范。物理層規約包括直序擴頻、跳頻以及紅外三種，其中直序擴頻和跳頻采用2.4GHz頻段。傳輸速率最高只能達到2Mbps，因而主要被用于數據的存取。競爭協議IEEE802.11DCFDCF協議與adhoc網絡802.11提供了兩類MAC協議：（1）分布式接入協議DCF，基于CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance），主要

應用于獨立的基本服務集合（IBSS）。（2）集中式接入協議PCF，由一個集中的決策模塊來

控制發送。采用非對等網絡配置，提供無競爭接

入服務。主要應用在基本服務集合（BSS）的接

入點（AP）。

DCF協議和PCF協議之間的關系如下圖所示：8競爭協議IEEE802.11DCFDCF與PCF

9競爭協議IEEE802.11DCFDCF協議與adhoc網絡Adhoc網絡是一種新型的無線網絡，它由一系列地位完全平等的移動節點組成，無需任何固定或預設的網絡設施。網絡中的每個節點既是終端又是路由器，它們在MAC協議的控制下，以多跳共享的方式接入無線信道。IEEE802.11中的DCF協議已被廣泛應用于adhoc網絡的各種仿真和測試平臺，成為了事實上的adhoc網絡MAC協議規范。10競爭協議IEEE802.11DCFDCF協議中的兩種發送模式基本模式。發送節點直接向接收節點發送數據幀，接收節點成功收到數據幀后向發送節點應答ACK幀，即采用兩次握手的發送機制。RTS/CTS模式。發送節點在發送數據幀以前，先向接收節點發送RTS幀；接收節點收到RTS幀后，向發送節點應答CTS幀；發送節點成功接收到CTS幀后，向接收節點發送數據幀；接收節點正確接收數據幀后，向發送節點應答ACK幀。即采用四次握手的發送機制。11競爭協議IEEE802.11DCF發送模式的選擇。DCF協議規定，當網絡層隊列中的數據分組（packet）長度大于一定門限時，采用RTS/CTS模式，而當分組長度小于該門限時，采用基本模式。事實上，為達到最優化的網絡吞吐率，則應該根據當前競爭信道的節點數目動態的調整門限值。相關內容可以參考以下文獻：G.Bianchi,PerformanceAnalysisoftheIEEE802.11DistributedCoordinationFunction,IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,Mar2000,18(3):535-54712競爭協議IEEE802.11DCFDCF協議的發送規約

13DCF協議的發送規約競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow1、發送前監聽信道

節點通過物理載波檢測在發送前監聽信道，如果信道是空閑的，就繼續監聽DIFS長的一段時間。假如在此期間信道持續空閑，且本次發送為首次發送，即可開始發送過程；如果不是首次發送，則進入退避過程。如果信道不空閑，則通過虛擬載波檢測獲知信道持續忙的時間，并設置NAV（NetworkAllocationVector）。

14競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow2、Defer（延遲）過程假如監聽信道遇忙，或者在DIFS時間內信道由空閑變忙，站點則必須等待信道變空閑，且空閑的持續達到DIFS的時長。如果信道持續空閑的時間小于DIFS，節點就回到發送前的監聽狀態；如果持續空閑的時間達到DIFS，節點就進入后面的退避過程。15競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程（1）目的是在多個站點同時完成defer過程的情況下，能進一步減少沖突的機會。16競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程

（2）退避時長（退避計數器初值）：BackoffTime=Random()*aSlotTimeRandom()：[0，CW]內均勻分布的隨機整數。CW∈[CWmin,CWmax]：CW的取值采用二進制指數退避（BEB）的法則。aSlotTime、CWmin及CWmax：由相應的PHY層決定。17競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程（3）退避規范：邊退避，邊監聽載波；如果空閑則計數器遞減，計數器減到零后即可發送。如果監聽到信道忙則掛起退避計數器。直到信道連續空閑時間達到DIFS才繼續從上次計數器剩余的值開始繼續遞減。18競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow4、PDU(ProtocolDataUnit)發送過程發送Data幀（基本模式，兩次握手：DATA/ACK）或RTS幀（四次握手：RTS/CTS/DATA/ACK）。19競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow5、錯誤恢復

DCF協議提供ACK應答機制作為沖突恢復的手段。接收站點接收到Data后，會向發送站點應答ACK。如果發送站點在發送完Data后沒有接收到ACK，則認為Data發生沖突，需要重傳。將退避競爭窗口值按BEB法則增大為min(2*CW,CWmax)20競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow6、Discard多次出錯后幀的丟棄如果站點重發了7次RTS幀或4次Data幀，那么該站點將丟棄需要發送的Data幀。丟棄后把窗口值CW設為CWmin。21競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow7、EFM差錯幀模型

如果站點在接收數據幀過程中發生了沖突，則在信道重新空閑后需要等待信道持續空閑EIFS的時間，才能開始后續退避過程，防止自身的數據傳輸跟其他站點數據傳輸產生沖突。22競爭協議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow23IEEE802.11DCF的信道利用率定義信道利用率：非數據傳輸時間包括：

信道空閑時間；

傳輸RTC/CTS/ACK的時間（系統固定值）；

節點的DIFS、SIFS時間（系統固定值）；

節點的隨