ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議

無線自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議2提綱MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題Adhoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類典型MAC協(xié)議ALOHACSMA/CA、IEEE802.11IEEE802.11e、RBARTDMA、TSMA、FPRPETUTM……3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)媒質(zhì)訪問接入控制(MediaAccessControl，MAC)協(xié)議決定了共享無線信道的使用方式，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無線通信資源并控制節(jié)點(diǎn)物理層，因而直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，是決定網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延、公平性的關(guān)鍵因素。目標(biāo)：多個(gè)用戶高效、合理的共享有限的無線信道資源。應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)物理層解決相鄰節(jié)點(diǎn)間(點(diǎn)到點(diǎn))的信道接入問題1023145116897141213154MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題MAC協(xié)議設(shè)計(jì)基本問題：避免沖突、降低干擾（信道檢測）節(jié)點(diǎn)間公平性（退避算法）降低協(xié)議開銷（控制指令設(shè)計(jì)）滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求Adhoc網(wǎng)絡(luò)特有問題無中心控制設(shè)備：無法使用傳統(tǒng)的（最優(yōu)的）集中控制式的分配策略拓?fù)渥兓盒诺罌_突概率變大；業(yè)務(wù)負(fù)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(yīng)、傳播時(shí)延問題、通信方式問題5Adhoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類信道劃分：單信道、多信道；信道接入流程的發(fā)起：發(fā)端發(fā)起、收端發(fā)起；信道占用機(jī)制：競爭機(jī)制（異步）分配機(jī)制（同步）混合機(jī)制（競爭和分配相結(jié)合）6典型MAC協(xié)議及算法競爭機(jī)制使用直接競爭決定信道訪問權(quán)，通過隨機(jī)重傳來解決碰撞問題。ALOHA、CSMA、CSMA/CA、MACA、MACAW、IEEE802.11、IEEE802.11e…分配機(jī)制使用同步通信模式，采用某種傳輸時(shí)間安排算法將時(shí)隙映射為節(jié)點(diǎn)。TDMA、TSMA、FPRP…混合機(jī)制分配和競爭相結(jié)合。HTDMA、ETUTM、AGENT…7IEEE802.11協(xié)議的誕生1990年，IEEE802標(biāo)準(zhǔn)化委員會成立了IEEE802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組。1997年，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這是無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)第一個(gè)在國際上被認(rèn)可的協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)包括了物理層及媒質(zhì)訪問控制（MAC）層的規(guī)范。物理層規(guī)約包括直序擴(kuò)頻、跳頻以及紅外三種，其中直序擴(kuò)頻和跳頻采用2.4GHz頻段。傳輸速率最高只能達(dá)到2Mbps，因而主要被用于數(shù)據(jù)的存取。競爭協(xié)議IEEE802.11DCFDCF協(xié)議與adhoc網(wǎng)絡(luò)802.11提供了兩類MAC協(xié)議：（1）分布式接入?yún)f(xié)議DCF，基于CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance），主要

應(yīng)用于獨(dú)立的基本服務(wù)集合（IBSS）。（2）集中式接入?yún)f(xié)議PCF，由一個(gè)集中的決策模塊來

控制發(fā)送。采用非對等網(wǎng)絡(luò)配置，提供無競爭接

入服務(wù)。主要應(yīng)用在基本服務(wù)集合（BSS）的接

入點(diǎn)（AP）。

DCF協(xié)議和PCF協(xié)議之間的關(guān)系如下圖所示：8競爭協(xié)議IEEE802.11DCFDCF與PCF

9競爭協(xié)議IEEE802.11DCFDCF協(xié)議與adhoc網(wǎng)絡(luò)Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，它由一系列地位完全平等的移動節(jié)點(diǎn)組成，無需任何固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端又是路由器，它們在MAC協(xié)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(xié)議已被廣泛應(yīng)用于adhoc網(wǎng)絡(luò)的各種仿真和測試平臺，成為了事實(shí)上的adhoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議規(guī)范。10競爭協(xié)議IEEE802.11DCFDCF協(xié)議中的兩種發(fā)送模式基本模式。發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)成功收到數(shù)據(jù)幀后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答ACK幀，即采用兩次握手的發(fā)送機(jī)制。RTS/CTS模式。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀以前，先向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀；接收節(jié)點(diǎn)收到RTS幀后，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答CTS幀；發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功接收到CTS幀后，向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；接收節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)幀后，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答ACK幀。即采用四次握手的發(fā)送機(jī)制。11競爭協(xié)議IEEE802.11DCF發(fā)送模式的選擇。DCF協(xié)議規(guī)定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列中的數(shù)據(jù)分組（packet）長度大于一定門限時(shí)，采用RTS/CTS模式，而當(dāng)分組長度小于該門限時(shí)，采用基本模式。事實(shí)上，為達(dá)到最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，則應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)目動態(tài)的調(diào)整門限值。相關(guān)內(nèi)容可以參考以下文獻(xiàn)：G.Bianchi,PerformanceAnalysisoftheIEEE802.11DistributedCoordinationFunction,IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,Mar2000,18(3):535-54712競爭協(xié)議IEEE802.11DCFDCF協(xié)議的發(fā)送規(guī)約

13DCF協(xié)議的發(fā)送規(guī)約競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow1、發(fā)送前監(jiān)聽信道

節(jié)點(diǎn)通過物理載波檢測在發(fā)送前監(jiān)聽信道，如果信道是空閑的，就繼續(xù)監(jiān)聽DIFS長的一段時(shí)間。假如在此期間信道持續(xù)空閑，且本次發(fā)送為首次發(fā)送，即可開始發(fā)送過程；如果不是首次發(fā)送，則進(jìn)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(xù)忙的時(shí)間，并設(shè)置NAV（NetworkAllocationVector）。

14競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow2、Defer（延遲）過程假如監(jiān)聽信道遇忙，或者在DIFS時(shí)間內(nèi)信道由空閑變忙，站點(diǎn)則必須等待信道變空閑，且空閑的持續(xù)達(dá)到DIFS的時(shí)長。如果信道持續(xù)空閑的時(shí)間小于DIFS，節(jié)點(diǎn)就回到發(fā)送前的監(jiān)聽狀態(tài)；如果持續(xù)空閑的時(shí)間達(dá)到DIFS，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入后面的退避過程。15競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程（1）目的是在多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)完成defer過程的情況下，能進(jìn)一步減少沖突的機(jī)會。16競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程

（2）退避時(shí)長（退避計(jì)數(shù)器初值）：BackoffTime=Random()*aSlotTimeRandom()：[0，CW]內(nèi)均勻分布的隨機(jī)整數(shù)。CW∈[CWmin,CWmax]：CW的取值采用二進(jìn)制指數(shù)退避（BEB）的法則。aSlotTime、CWmin及CWmax：由相應(yīng)的PHY層決定。17競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）過程（3）退避規(guī)范：邊退避，邊監(jiān)聽載波；如果空閑則計(jì)數(shù)器遞減，計(jì)數(shù)器減到零后即可發(fā)送。如果監(jiān)聽到信道忙則掛起退避計(jì)數(shù)器。直到信道連續(xù)空閑時(shí)間達(dá)到DIFS才繼續(xù)從上次計(jì)數(shù)器剩余的值開始繼續(xù)遞減。18競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow4、PDU(ProtocolDataUnit)發(fā)送過程發(fā)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(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow5、錯(cuò)誤恢復(fù)

DCF協(xié)議提供ACK應(yīng)答機(jī)制作為沖突恢復(fù)的手段。接收站點(diǎn)接收到Data后，會向發(fā)送站點(diǎn)應(yīng)答ACK。如果發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送完Data后沒有接收到ACK，則認(rèn)為Data發(fā)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(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow6、Discard多次出錯(cuò)后幀的丟棄如果站點(diǎn)重發(fā)了7次RTS幀或4次Data幀，那么該站點(diǎn)將丟棄需要發(fā)送的Data幀。丟棄后把窗口值CW設(shè)為CWmin。21競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow7、EFM差錯(cuò)幀模型

如果站點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)幀過程中發(fā)生了沖突，則在信道重新空閑后需要等待信道持續(xù)空閑EIFS的時(shí)間，才能開始后續(xù)退避過程，防止自身的數(shù)據(jù)傳輸跟其他站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突。22競爭協(xié)議IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow23IEEE802.11DCF的信道利用率定義信道利用率：非數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間包括：

信道空閑時(shí)間；

傳輸RTC/CTS/ACK的時(shí)間（系統(tǒng)固定值）；

節(jié)點(diǎn)的DIFS、SIFS時(shí)間（系統(tǒng)固定值）；

節(jié)點(diǎn)的隨