移動計算技術(shù)-無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理-2014

1、移動計算技術(shù)移動計算技術(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 多路復(fù)用與多址接入 兩點之間的兩個用戶之間進(jìn)行雙向通信可以用 雙工的方式實現(xiàn) 兩點之間多用戶進(jìn)行通信需要多路復(fù)用（多 址接入）技術(shù) 不需要使用復(fù)用器和集中器，而是通過共享一 個物理鏈路（信道）將所有用戶都連接起來 多址信道可見看成有多個排隊的隊列，共享信 道相當(dāng)于服務(wù)員，為多個隊列服務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n多址接入核心問題n采用媒體（信道）訪問控制MAC （Medium Access Control）技術(shù)實現(xiàn)對于一個共享信道，當(dāng)信道的使用產(chǎn)生競爭時，如何采用有效的協(xié)調(diào)機制或服務(wù)準(zhǔn)則來分配信道的使用權(quán)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原

2、理n 多址接入的共同點 避免不同用戶同時使用同一物理鏈路（信道）；否則或產(chǎn)生干擾（主要為碰撞問題）各用戶之間的通信必須要有一個彼此都遵循的協(xié)議，即多址接入?yún)f(xié)議或多址訪問協(xié)議理想的多址協(xié)議應(yīng)能夠使所有排隊隊列成為一個總隊列，由信道來服務(wù)，從而使信道的利用率高 無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nMAC層協(xié)議的功能n有兩種極端的協(xié)調(diào)協(xié)議定義以一定的順序和有效的方式分配節(jié)點訪問媒體（信道）的規(guī)則完全自由（Free for All）式完全排序（Perfectly Scheduled）式只要有新數(shù)據(jù)立即傳送，要解決碰撞重傳問題各個用戶按照某種規(guī)則使用預(yù)定的區(qū)間在信道上傳輸確定傳輸順序、時間長短、分配策略和方式無線網(wǎng)

3、絡(luò)MAC協(xié)議原理n MAC協(xié)議的指標(biāo)與要求 延遲 吞吐率 公平性 穩(wěn)定性無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 無線MAC 協(xié)議面臨的問題資源有限信道為時變信號 信道有限 帶寬有限 無線信道特性隨時間變化，從而引起傳輸質(zhì)量、傳輸容量和連接性變化 握手機制是緩解由信道衰落而引起信號時有時無的有效手段 一次成功握手標(biāo)志兩站點之間的通信連接成功 無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 依賴位置的載波偵聽 隱藏終端 （Hidden Terminal） 暴露終端 (Exposed Terminal) 無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n隱藏終端 無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 暴露終端無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 低功耗 電池 發(fā)射功率大影響頻率復(fù)用無

4、線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 無線MAC協(xié)議的分類 分配策略 應(yīng)用 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)l 固定分配、隨機競爭和按需分配l 面向語音、面向數(shù)據(jù)和面向綜合語音與數(shù)據(jù)l 有中心l 無中心分布控制無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理將一條信道分割成若干相互獨立的子信道，每個信道分配給一個或多個用戶使用頻分多址（FDMA）、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA) 面向信道，可以提供可靠的服務(wù)，信道利用率高比較適用于實時性要求高或連續(xù)的流業(yè)務(wù)（語音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)等）以及通信量穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)用戶不發(fā)送信息時，分配給他的信道浪費n固定分配（Fixed Assignment）無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n隨機分配（Rando

5、m Assignment）或競爭(Contention) 面向廣播式信道連接到信道上的終端都可以向信道發(fā)送廣播信息所有終端都能接收到發(fā)自任意終端的信息，如果檢測試是發(fā)給自己的就接收，否則丟棄代表協(xié)議有Aloha系列和CSMA系列 通過沖突分解算法（CRA）定義的規(guī)則解決沖突適用于間歇性工作、非時延敏感的業(yè)務(wù)，如業(yè)務(wù)、文件傳送業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n按需分配（Demand Assignment） 也稱預(yù)約類或無競爭類 網(wǎng)絡(luò)按某種循環(huán)順序詢問每個終端受否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有立即發(fā)送，否則詢問下一個終端 根據(jù)詢問方式，又可分為 集中控制和分布式控制 典型協(xié)議Token Ring 、PRMA、 DA

6、MA等 按需分配，帶寬浪費少，沒有由于競爭而浪費的帶寬以及由此產(chǎn)生的時延無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n面向語音的固定分配MAC協(xié)議n 頻分多址FDMA 將總的頻帶分成若干個子信道，每個子信道再分配 給每個用戶 一個子信道在某一個時刻只能有一個用戶 FDMA TDMA CDMA無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n(1) 頻分多址FDMA FDMA信道帶寬非常窄，在移動通中只有 30kHz或更小 相對于 TDMA, 系統(tǒng)簡單 為減小臨信道干擾，對射頻濾波器要求較 高 主要在模擬蜂窩系統(tǒng)采用（無繩電話） 數(shù)據(jù)連續(xù)傳送無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n (2)時分多址TDMA 用戶按預(yù)先分配好的順序占用信道從而達(dá)到共享同一頻帶

7、數(shù)據(jù)分組傳送 切換處理簡單，可以利用空閑 監(jiān)聽其他基 站 用不同時隙進(jìn)行發(fā)送和接收，不需要雙工 器 GSM等系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n (3) 碼分多址CDMA 使用同一載頻，每個用戶有自己的偽隨機 碼 接收機用相關(guān)檢測得到需要的碼字，其他 碼字作為噪聲處理 即不存在FDMA的固有的互調(diào)干擾，也不存 在TDMA精確的定時同步 系統(tǒng)容量大 自干擾問題無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 面向數(shù)據(jù)的隨機競爭MAC 協(xié)議 基于ALOHA的無線隨機MAC協(xié)議，各用戶 終端不必經(jīng)過協(xié)調(diào)可各自發(fā)送自己的分組 基于載波監(jiān)聽（CSMA）的無線隨機協(xié)議， 終端用戶發(fā)送自己的分組之前需要偵聽信道無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n

8、 1、基于ALOHA的無線隨機MAC協(xié)議（1）ALOHA協(xié)議（純ALOHA協(xié)議） 站點發(fā)送分組時，并不需要知道信道是否空 閑，直接發(fā)送 由于多用戶隨機發(fā)送，發(fā)送時間重疊，發(fā)生 碰撞（沖突） 發(fā)送端發(fā)送后一段時間內(nèi)沒有接收到確認(rèn)， 就認(rèn)為分組發(fā)生了沖突，經(jīng)過一個隨機延遲 后重發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n協(xié)議簡單n分組隨到隨發(fā)，傳輸時碰撞比較嚴(yán)重n負(fù)載較重時，性能不穩(wěn)定，吞吐率低n如果退避時間采用指數(shù)分布，新的分組和重傳分組進(jìn)入系統(tǒng)用泊松分布，ALOHA的最大吞吐率只有0.184無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n(2)時隙ALOHA（S-ALOHA） 將時間軸分成許多時隙，每個時隙長度為

9、 一個分組 用戶僅在時隙開始時發(fā)送分組 碰撞窗口僅為一個完整的分組長度 純ALOHA可能達(dá)到兩個分組的長度 吞吐率比純ALOHA高一倍，達(dá)0.368 需要建立同步無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n2、基于CSMA的無線MAC協(xié)議 基于ALOHA的競爭協(xié)議效率低的原因是碰撞和 重發(fā) CSMA協(xié)議采用先聽后說(Listen Before Talks)的思想無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n1-堅持CSMAn非堅持-CSMAn p-堅持CSMA無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n(1)1-堅持CSMA CSMA技術(shù)的最簡單方式 每個站點在發(fā)送前監(jiān)測信道 信道空閑發(fā)送信息 如信道忙則一直堅

10、持，一旦監(jiān)測到信道 空閑則發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n 如果兩個或以上的站點一監(jiān)測到信道空閑就發(fā)送信號，容易引起沖突無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n（2）非堅持-CSMA 消除了大量的碰撞，性能比-CSMA有所提高 負(fù)載較輕時，延遲時間長無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nP-堅持CSMA 介于上述兩種方式之間 監(jiān)聽信道，如果信道空閑，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù) 延時到另一個時隙的概率為1-p 協(xié)議的性能取決于p的優(yōu)化程度無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nCSMA/CD 站點發(fā)送的同時檢測信道 檢測到?jīng)_突發(fā)送干擾組迫使發(fā)送節(jié)點停止發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n無線節(jié)點很難做到收發(fā)同時進(jìn)行n即使可以同時收發(fā)，CSMA/CD也很難解 決在

11、發(fā)送站點實現(xiàn)CDn即使可以在發(fā)送方實現(xiàn)CD，由于隱藏節(jié) 點和暴露節(jié)點，即使發(fā)送方檢測到信道 空閑，在接收端仍可能存在沖突n無線通信中一般采用帶有沖突避免的 CSMA/CA方式無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n基于沖突避免CA的無線MAC協(xié)議 在CA機制中，節(jié)點在等待信道保持預(yù) 定的一段靜默時間后才能發(fā)送 靜默允許最差情況下的傳輸時延和處 理時延 為了解決隱藏終端問題， CA機制通過 阻止碰撞來提高協(xié)議性能帶帶外信令的CA協(xié)議忙音多址帶帶內(nèi)控制信息的CA協(xié)議控制握手信息無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nBTMA （Busy Tone Multiple Access） 方式 采用一條單獨的信道來傳輸忙音解決 隱藏終端

12、問題當(dāng)節(jié)點接收分組或檢測到信道上有載波 時就在忙音信道發(fā)送忙音，以阻止相鄰 節(jié)點發(fā)送節(jié)點比沒有隱藏終端的CSMA略差，但可 以克服隱藏終端問題無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nRIBTMA （Receiver Initiated， BTMA）協(xié)議信息中帶有識別碼接收節(jié)點只有解碼并識別出自己是預(yù)定的接收者后才發(fā)送忙音距離接收節(jié)點發(fā)送半徑內(nèi)的節(jié)點被抑制解碼需要時間，并不能完全消除隱藏終端無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n帶帶內(nèi)控制信息的CA協(xié)議在同一無線信道上傳輸控制握手（Control Handshaking）信息兩次握手三次握手四次握手。無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n研究帶內(nèi)控制信息的CA協(xié)議時，一般假設(shè)信道沒有衰落，

13、不存在捕獲效應(yīng)，分組錯誤僅是由碰撞引起的n數(shù)據(jù)分組和控制分組在同一信道內(nèi)傳送無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n兩次(Two Way)握手機制 又稱ACK機制,是一種最基本的握手機制如802.11DFC(Distributed Coordination Function,分布協(xié)調(diào))中的基本訪問機制 (BAM-Basic Access Mechanism)只發(fā)送DATA和ACK，當(dāng)正確接收后，立即發(fā)送確認(rèn)幀，發(fā)送方收到該確認(rèn)后，知道該確認(rèn)幀已成功發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理nMACA-BI(Multiple Access Collision Avoidance-By Invitation)協(xié)議發(fā)送驅(qū)動協(xié)議接收

14、節(jié)點主動發(fā)送RTP( Ready Receive)分組發(fā)送端根據(jù)RTP分組要求（發(fā)送速率、包長度）發(fā)送數(shù)據(jù)分組無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n三次 (Three-way) 握手機制第一次在無線網(wǎng)絡(luò)中采用握手信息的協(xié)議是SRMA (Split-channel Reservation Multiple Access)發(fā)送方使用ALOHA或CAMA決定何時向接收者發(fā)送 “請求發(fā)送”RTS分組，CTS 通知發(fā)送者何時發(fā)送數(shù)據(jù)分組無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理n帶碰撞避免的多址接入?yún)f(xié)議(MACA)可以用三次握手機制解決隱藏終端問題無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議原理任何一個接收到RTS的工作站，將會等待一個足夠長的時間去讓發(fā)送這個RTS的工作站接收返回的CTS任何一個接收到CTS的工作站將會避免與即將由發(fā)送到的數(shù)據(jù)碰撞因區(qū)域有別的傳輸存在，導(dǎo)致有的站點接收不到CTS能接收到R