新一代移动通信技术2-Ad Hoc网络MAC接入协议

1、Ad Hoc网络的MAC接入协议主要内容1. 信道接入技术及协议2. Ad hoc接入面临的主要问题3. 隐藏终端和暴露终端4. Ad hoc几种接入协议1. 信道接入技术及协议 Ad Hoc是多跳共享网络。共享的含义就是在一个公用的广播信道上实现所有用户的互连和通信。这样，如何控制对共享信道的接入，就是数据链路层的一个特殊子层介质接入控制MAC子层的主要任务。1. 信道接入技术及协议（续）MAC层需要解决的主要问题： Ad hoc网络具有特殊的网络组织形式，具有动态性，其信道接入协议面临许多新的问题，这些问题包括： 1)MAC相关的无线接收问题 2)不同的信道共享方式 3)暴露终端问题 4)

2、隐藏终端问题 5)节点移动的影响Ad Hoc的MAC协议必须尽量消除这些因素的影响。1. 信道接入技术及协议（续）信道共享方式: 在普通的通信系统中，信道共享方式有3种：点对点、点对多点和多点共享。 点对点是最简单的信道共享方式。其特点是只有两个节点共享无线信道。在单信道时，两个节点可以通过半双工方式实现共享，在双信道时，可实现全双工通信。 点对多点 一般用于有固定基础设施控制的无线信道，例如蜂窝移动系统的无线信道，终端在中心站的控制下共享一个或多个无线信道。 多点共享 是指多个终端共享一个广播信道。以太网就是最典型的多点共享方式(仅指HUB的应用，对交换机来说就不是了)。在多点共享方式中，一

3、个终端发送信号，所有的终端都可以听到。因此这种共享方式下的信道也称为一跳共享广播信道. .1. 信道接入技术及协议（续） Ad Hoc网络的多跳共享性 Ad Hoc网络的无线信道也是一个共享的广播信道，但它不是一跳共享。在Ad Hoc网络中，当一个节点发送报文，只有在它覆盖范围内的节点（称为邻居）才能够接收到，而覆盖范围以外的节点感知不到任何通信的存在。而这恰恰也是AD HOC网络的优势所在，即发送节点覆盖范围以外的节点不受发送节点的影响，他们也可以同时发送报文，这可以大大提高频率的空间复用度。在使用一个通信频率的情况下， AD HOC网络中可以有多对节点同时进行通信-称为多跳共享广播信道。1

4、. 信道接入技术及协议（续）多跳共享性对MAC协议的影响 多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的地理位置相关。在一跳共享广播信道中，报文冲突是全局事件，所有节点要么都收到正确的报文，要么都会感知到报文冲突。但在Ad Hoc网络中，报文冲突只是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况的不一致性，会带来隐藏终端、暴露终端等一系列的问题。 由于Ad Hoc网络网络特殊的信道共享方式（多跳共享），需要设计专用的信道接入协议。1. 信道接入技术及协议（续）静态多点接入技术： 1）TDMA:为每个用户分配一个固定的时隙; 2）FDMA:为每个用户分配一个固定的频段; 这些静态的方法，在

5、用户数较少而固定，且每个用户通信量较大的情况下，是简单有效的接入方案。 但是，当用户数目较多且通信量具有突发特征时，就不适用。必须采用动态多点接入技术。1. 信道接入技术及协议（续）动态多点接入技术： 可分为受控接入和随机接入两类。对于受控接入，每个用户不能随意接入信道，必须服从一定的控制规则，典型的有多点线路轮询和令牌传递。对于随机接入，每个用户都可以根据自己的意愿随机的发送信息，多个用户同时发送会产生帧的冲突，导致发送失败。 受控接入又可以分为集中式和分布式。轮询属于集中式控制，控制节点按一定顺序逐一询问各用户节点是否有信息发送。如果有，则被询问的用户节点就立即将信息发送给控制节点；如没有

6、，则控制节点依次询问下一节点。令牌环属于分布式控制，在环路中通过特殊的令牌环帧沿着环路逐站传递，只有获得令牌的节点才有权发送信息。当信息发送完毕，就将令牌传递给下一站。 AD HOC网络作为自组网，决定只能采用随机接入。1. 信道接入技术及协议（续）多点随机接入协议（针对一跳共享的网络） 1、ALOHA方式 ALOHA随机接入方式有两种，一种是纯ALOHA方式，一种是分时隙ALOHA方式。两者的区别在于是否将事件分割为离散的时隙空间，即纯ALOHA方式无需全局时间同步,而分时隙ALOHA方式则必须时间同步。两者都适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统。1. 信道接入技术及协议（续）

7、 纯ALOHA：纯ALOHA是一种用户一旦产生需要传输的数据就完全随机的发送到无线信道上去的方式.它既可以工作在无线信道方式，也可以工作在总线式网络中。纯ALOHA系统最大吞吐量为0.184 分时隙ALOHA：以一个分组的传输时间为单位，把信道划分为时隙，用户按照这种时隙同步发送分组的。系统最大吞吐量为0.368，是纯ALOHA的2倍。1. 信道接入技术及协议（续） 冲突的结果是使冲突的双方（有时也可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重发。但是发生冲突的各站不能马上进行重发，因为这样做就会继续冲突下去。 ALOHAALOHA系统采用的重发策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行

8、重发。1. 信道接入技术及协议（续）载波监听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 载波监听（Carrier Sense） 站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。 多路访问（Multiple Access） 多个用户共用一条线路1. 信道接入技术及协议（续）CSMA方式 在ALOHA中,由于各个用户是相互独立的发送分组，因此发生分组冲突的概率很大。针对这种情况而研究的CSMA（载波侦听多址）方式是一种用户监测信道使用情况，避开冲突发送分组的方式。即采用这种方式发

9、送分组时，首先要检测载波，检测其它用户是否在使用信道，一旦信道空闲就立即发送分组，从而使网络可获得大大高于分时隙ALOHA协议的最大信道利用率。 CSMA方式有三种基本的方式: 1）非坚持（non-persistent）CSMA方式 2）1-persistent CSMA方式 3）P-persistent CSMA方式，用于分时隙信道1. 信道接入技术及协议（续）1）1-坚持CSMA(1-persistent CSMA) 如果介质空闲，就立即发送数据；如果介质忙则继续侦听直到介质变为空闲，然后发送数据；如果有冲突则等待随机时间后再侦听。之所以称其为1-坚持CSMACSMA，是因为站点一旦发现介

10、质空闲，将以概率1发送数据 原理 若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。 优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率； 广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；1. 信道接入技术及协议（续）2)非坚持CSMA (non persistent CSMA) 如果介质空闲，立即发送数据；如果介质忙，则等待一个随机时间后再尝试。定性分析一下，就可以知道非坚持CSMA协议的介质利用率会比1-坚持CSMA好一些，但数据传输时间可能会长一

11、些 原理 若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。 优点：减少了冲突的概率； 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大； 信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大。1. 信道接入技术及协议（续）3） p-坚持CSMA (p-persistent CSMA) 如果介质空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p把数据发送推迟到下一个时间片；如果下一个时间片介质仍然空闲，便再次以概率p发送数据，以概率1-p将其推迟到下下一个时间片。此过程一直重复，直到将数据发送出去或是

12、其他站点开始发送数据。如果一开始侦听介质就发现介质忙，那么它就等到下一个时间片继续侦听介质，然后重复上述过程。 适用于分时隙信道。 原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q=1-p延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用； 若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送;1. 信道接入技术及协议（续）1. 信道接入技术及协议（续）CSMA/CD是对CSMA的改进 冲突检测是在发送的同时接收信息进行比较，如果两者不一致，说明发生了冲突，发送站点停止发送数据帧，并

13、向总线发送阻塞信号，通知其他站点。 冲突检测可及早释放共享介质，提高信道利用率。 CSMA由于在发送数据之前进行载波监听，所以减少了冲突的机会。但由于传播时延的存在，冲突还是不可避免的。 CSMA/CD的要点就是:监听到信道空闲就发送数据帧，并继续监听下去。如监听到发生了冲突，则立即放弃此数据帧的发送。1. 信道接入技术及协议（续）CSMA/CD和CSMA/CA 802.3协议的CSMA/CD;无线局域网标准802.11的CSMA/CA 对无线通信，由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。 CSMA/CA 一个工作站希望在无线网络中传送数据，

14、如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。2. Ad Hoc信道接入面临的主要问题自组网MACMAC接入协议的作用 信道接入协议是自组网设计、研究的主要技术难点之一，网络的性能如吞吐量、容量、时延及功耗等性能依赖于所采用的MAC协议

15、。 AD HOC网络是无线网络，信道资源相对紧张，节点对信道资源的使用受到限制。同时，物理层的传输质量也相对较差，也没有一个可靠的中心控制点，因此节点间不容易协调。 网络节点的高度灵活性，导致它需要更多的资源传输控制信息。综上所述，如何提高信道资源利用率、如何协调各节点的操作、如何提高传输的可靠性就成为ad hoc网络接入技术研究的主要内容。2. Ad Hoc 信道接入面临的主要问题(续)AD HOC自组网对信道接入协议的要求 1)高空间复用度 Ad Hoc网络的优点之一就是可以实现多对结点同时进行通信，实现频率的空间复用，提高网络的总吞吐量。 2)避免报文间冲突 由于采用了特殊的信道共享方式

16、，Ad Hoc信道接入协议要面临报文冲突的威胁，严重影响信道利用率，特别注意数据报文的无冲突发送。 3)提供冲突解决方法 当报文冲突不可避免时，信道接入协议要提供有效的冲突解决方法，尽量减少报文冲突带来的影响2. Ad Hoc 信道接入面临的主要问题(续)AD HOC自组网对信道接入协议的要求 4）公平性 尽量保证节点公平占用信道； 5）硬件无关性 不能对电台的功能做过多的假设； 6）其它： 节能、安全、多播广播支持、提供实时业务等。 MAC接入分为受控接入和随机接入两种。 由于ad hoc是无中心的网络，所以不能采用轮询接入；而ALOHA和CSMA也是不能在ad hoc中应用的，因为在ad

17、hoc网络中，节点的通信范围受限，终端可以随机移动，并且接点之间的传播时延不可以忽略。3. 隐藏终端和暴露终端隐藏终端 隐藏终端是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点处冲突。冲突后发送节点要重传冲突的分组，这降低了信道的利用率。3. 隐藏终端和暴露终端(续)隐藏终端 隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端两种。 在单信道条件下，隐发送终端可以通过在发送数据报文前的控制报文握手来解决。但是隐接收终端问题在单信道条件下无法解决。3. 隐藏终端和暴露终端(续) 当A要向B发送数据时，先发送一个控制

18、报文RTS;B接收到RTS后，以CTS控制报文回应；A收到CTS后才开始向B发送报文，如果A没有收到CTS，A认为发生了冲突，重发RTS，这样隐发送终端C能够听到B发送的CTS，知道A要向B发送报文，C延迟发送，解决了隐发送终端问题。 对于隐接收终端，当C听到B发送的CTS控制报文而延迟发送时，若D向C发送RTS控制报文请求发送数据，因C不能发送任何信息，所以D无法判断是RTS控制报文发生冲突，还是C没有开机，还是C是隐终端，D只能认为RTS报文冲突，就重新向C发送RTS。因此，当系统只有一个信道时，因C不能发送任何信息，隐接收终端问题在单信道条件下无法解决。3. 隐藏终端和暴露终端(续)暴露

19、终端 暴露终端是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送。但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。这就引入了不必要的时延。3. 隐藏终端和暴露终端(续)暴露终端 暴露终端又可以分为暴露发送终端和暴露接收终端两种。在单信道条件下，暴露接收终端问题是不能解决的，因为所有发送给暴露接收终端的报文都会产生冲突；暴露发送终端问题也无法解决，因为暴露发送终端无法与目的节点成功握手。3. 隐藏终端和暴露终端(续) 当B向A发送数据时，C只听到RTS控制报文，知道自己是暴露终端，认为自己可以向D发送数据。C向D发送RTS控制报文。

20、如果是单信道，来自D的CTS会与B发送的数据报文冲突，C无法和D成功握手，它不能向D发送报文。 在单信道下，如果D要向暴露终端C发送数据，来自D的RTS报文会与B发送的数据报文在C处冲突，C收不到来自D的RTS,D也就收不到C回应的CTS报文。 因此，在单信道条件下，暴露终端问题根本无法得到解决！因为收发双方无法成功握手。3. 隐藏终端和暴露终端(续)隐藏终端和暴露终端问题产生的原因 由于ad hoc网络具有动态变化的网络拓扑结构，且工作在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问题；为了提高信道利用率，移动节点电台的频率和发射功率都比较低；并且信号受无

21、线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，因此移动节点的通信距离受限，一个节点发出的信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题。3. 隐藏终端和暴露终端(续)隐藏终端和暴露终端问题对ad hoc网络的影响 “隐藏终端”和“暴露终端”的存在，会造成ad hoc网络时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。 在ad hoc网络中，当终端在某一时隙内传送信息时，若其隐藏终端在此时隙同时传送信息，就会产生时隙争用冲突。受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞而不能正确接收信息，造成发送端的有效信息的丢失和大量时间的浪费（数据

22、帧较长时尤为严重），降低系统的吞吐量和容量。当某个终端成为暴露终端后，由于它侦听到另外的终端对某一时隙的占用信息，而放弃了预约该时隙进行信息传送。其实，由于源终端节点和目的终端节点都不一样，暴露终端是可以占用这个时隙来传送信息的。这样，就造成了时隙资源的浪费。3. 隐藏终端和暴露终端(续)隐藏终端和暴露终端问题的解决方法 解决隐藏终端问题的思路是使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收，实现方法有两种：一是接收节点在接收的同时发送忙音来通知邻居节点，即BTMA系列；二是发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即RTS/CTS方

23、式。 RTS/CTS方式是目前解决这个问题的主要趋势，如已经提出来的CSMA/CA、MACA、MACAW等。还有将两种方法结合起来使用的多址协议，如DBTMA。3. 隐藏终端和暴露终端(续)隐藏终端和暴露终端问题的解决方法 隐藏发送终端问题，可以使用控制分组进行握手的方法加以解决。终端发送数据之前，首先发送请求发送分组，只有听到对应该请求分组的应答信号后才能发送数据，同时收到此应答信号的其他终端必须延迟发送。 在单信道条件下使用控制分组的方法只能解决隐发送终端，无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题。为此，必须采用双信道的方法。即利用数据信道收发数据，利用控制信道收发控制信号。3. 隐藏终端和暴露

24、终端(续)RTS-CTS 握手机制 RTS（Request to Send，请求发送）、CTS（Clear to Send ，清除发送）. RTS/CTS机制是对CSMA的一种改进，它可以在一定程度上避免隐藏终端和暴露终端问题。采用基于RTS/CTS的多址协议的基本思想是在数据传输之前，先通过TS/CTS握手的方式与接收节点达成对数据传输的认可，同时又可以通知发送节点和接收节点的邻居节点即将开始的传输。邻居节点在收到RTS/CTS后，在以后的一段时间内抑制自己的传输，从而避免了对即将进行的数据传输造成碰撞。 这种解决问题的方式是以增加附加控制消息为代价的。3. 隐藏终端和暴露终端(续)RTS-

25、CTS 握手机制 从帧的传输流程来看，基于RTS/CTS的多址方式有几种形式，从复杂性和传输可靠性角度考虑，可采用RTS-CTS-Data-ACK的方式。具体做法是：当发送节点有分组要传时，检测信道是否空闲，如果空闲，则发送RTS帧，接收节点收到RTS后，发CTS帧应答，发送节点收到CTS后，开始发送数据，接收节点在接收完数据帧后，发ACK确认，一次传输成功完成。 如果发出RTS后，在一定的时限内没有收到CTS应答，发送节点执行退避算法重发RTS。RTS/CTS交互完成后，发送和接收节点的邻居收到RTS/CTS后，在以后的一段时间内抑制自己的传输。延时时间取决于将要进行传输的数据帧的长度，所以

26、由隐藏终端造成的碰撞就大大减少了。采用链路级的应答（ACK）机制就可以在发生其它碰撞或干扰的时候，提供快速和可靠的恢复。3. 隐藏终端和暴露终端(续) RTS-CTS 握手机制3. 隐藏终端和暴露终端(续) RTS-CTS 握手机制的缺陷 1、不同节点发送的RTS和控制信息发生冲突3. 隐藏终端和暴露终端(续) RTS-CTS 握手机制的缺陷 2、多个CTS信息被不同的邻居节点收到，从而导致冲突。3. 隐藏终端和暴露终端(续)RTS-CTS 握手机制中的退避算法 在CSMA接入技术中，当报文产生冲突时，发送者要执行退避算法，延迟一段随机时间后再次尝试发送，以减小重发时发生冲突的可能性。在AD

27、HOC网络中，为了解决隐藏终端和暴露终端问题，引入了RTS-CTS握手机制。RTS和CTS控制报文之间可能会发生冲突。发生冲突时，发送者超时，等不到CTS，要执行退避算法，延迟一段随机时间后重发RTS。 产生这个随机时间的“种子”叫做退避计数器。退避计数器的值直接影响着产生的延迟时间的长短。 显然，节点退避计数器的值越短，它抢占信道的能力就越强，反之，它抢占信道的能力就越弱。也就是说，退避计数器的值反映了节点抢占接入信道的能力。所以，维护退避计数器的值是非常重要的。 常用退避算法包括二进制指数退避算法、倍数增线性减算法。3. 隐藏终端和暴露终端(续)退避算法 1.二进制指数退避算法（BEB，B

28、inary Exponential Backoff） BEB 算法的Finc和Fdec函数如下: 其中,COUNTER 是退避计数器的值, MAX 和MIN 分别指退避计数器的最大和最小取值, 每次发生冲突时, 退避计数器的值加倍; 每次交互成功时, 退避计数器降至最小值MIN。 BEB 算法: Finc=min(2COUNTER,MAX), Fdec=MIN; BEB有两个缺点: 1)当一次交互成功时,退避计数器的值就降到最低值, 不能正确反映信道的争用状况; 2)BEB会带来不公平现象,一次交互成功后, 节点的退避计数器值降为最小, 而其他不成功的节点的退避计数器的值较大, 在后续的竞争中

29、, 退避计数器值小的节点在竞争中获胜的可能性大。3. 隐藏终端和暴露终端(续)退避算法 2.倍数增线性减算法（MILD） 倍数增线性减(MILD,Multiplicative Increase Line Decrease)算法是对BEB 算法的改进,该算法的Finc 和Fdec 函数如下: Finc=min(COUNTER, MAX) ; Fdec=max(COUNTER-, MIN) ; 和是两个可调节的参数 在MILD 中, 退避计数器的值是线性递减的, 一次交互成功后,计数器的值减小,如果取值合理, COUNTER 并不会像BEB 算法一样急剧减小, 在后续的竞争信道中, 所有节点获胜的

30、机会几乎均等,实现了公平接入。发生冲突时, 退避计数器增加倍, 如果取值合理, COUNTER 也不会急剧增加。但MILD 也没有完全消除不公平现象。4. Ad Hoc 几种接入协议4.1 Ad Hoc接入协议的分类4.2 Ad Hoc单信道接入协议4.3 Ad Hoc双信道接入协议4.4 Ad Hoc多信道接入协议4.1 Ad Hoc接入协议的分类概述 经过对ad hoc网络近20年的研究，研究人员提出了数十种信道接入协议。这些协议具有各种不同的设计目标，使用了各种不同的信道复用技术，也对应用环境做了各种不同的假设，在一定程度上解决了不同环境下信道的接入问题，但是都存在一定的局限性，一般都要

31、求ad hoc网络规模较小，移动性较弱。 协议分类困难。在此按照两种基本方法对信道接入协议进行划分。4.1 Ad Hoc接入协议的分类(续)按照信道接入时握手协议的发起者可划分为： 发方主动的信道接入协议：由发送节点主动发起信道预约，即发送者要发送数据时，先发送一个RTS控制报文来与接收者预约信道。大多数的信道接入协议属于此类，如MACA（multiple access collision avoidance）带冲突避免的多重接入、MACAW（MACA for wireless LAN）等。 收方主动的信道接入协议：由接收者发起信道预约，接收节点主动向发送节点发送RTR（ready to re

32、ceive）控制报文，发送节点如果有数据就直接发送。这种协议试图通过减少控制报文的个数、降低握手开销来提高网络的吞吐量。这类协议包括MACA-BI(MACA by Invitation) 、RIMA(Receiver-initiated Multiple-Access).4.1 Ad Hoc接入协议的分类(续)4.1 Ad Hoc接入协议的分类按照信道协议使用的信道数目，可划分为： 1）基于单信道的信道接入协议 只有一个共享信道，所有的控制报文和数据报文在同一个信道上发送和接收。受传播时延、隐终端和节点移动性等因素的影响，单信道的ad hoc网络有可能发生控制报文之间、控制报文和数据报文、数据

33、报文之间的冲突。一般来讲数据报文要比控制报文长的多，数据报文的冲突会严重影响信道的利用率。所以，这种信道接入协议的主要目标之一就是通过使用控制报文尽量减少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。 典型的基于单信道的ad hoc网络信道接入协议有：MACA 、MACAW 、IEEE 802.11DCF 和FAMA (Floor acquisitionMultiple Access)基站捕获的多重接入等。4.1 Ad Hoc接入协议的分类（续）2）基于双信道的信道接入协议 有两个共享信道，分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送控制报文，数据信道只传送数据报文。由于使用了两个个不同的信道

34、，控制报文就不会与数据报文冲突。双信道在解决隐藏终端和暴露终端问题上具有独特的优势，通过适当的控制机制，可以完全消除隐藏终端和暴露终端的影响。 典型的基于双信道的ad hoc网络信道接入协议有： BAPU（basic access protocol solutions for wireless )无线基本接入协议方案 和 DBTMA（dual busy tone multiple access）双忙音多重接入等。4.1 Ad Hoc接入协议的分类（续）3）基于多信道的信道接入协议 有多个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时通信。在使用多信道的情况下，接入控制更加灵活。可以使用其中一个作为公共控

35、制信道，也可以让控制报文和数据报文在一个信道上混合传送。多信道MAC协议主要关注的问题：信道分配和接入控制。信道分配负责为不同的通信节点分配相应的信道，消除数据报文的冲突，使尽量多的节点可以同时通信。接入控制负责确定节点接入信道的时机、冲突的避免和解决等。 典型的基于多信道的信道接入协议有：HRMA （ hop reservation multiple access）跳隙预留的多重接入、multiple-channel CSMA 、DCA（dynamic channel assignment） 、MMAC（multi-channel MAC）等。4.1 Ad Hoc接入协议的分类（续） 需要指

36、出的是： 实际的接入协议可以是上述类型的混合体4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAMACAMultiple Access Collision AvoidanceMACAMultiple Access Collision Avoidance MACA是第一个使用RTS-CTS控制报文握手来解决ad hoc网络隐藏终端和暴露终端问题的信道接入协议。 MACA源于CSMA/CA(载波侦听/冲突避免)。在CSMA/CA 接入协议中，发送者和接收者在发送数据前首先使用RTS-CTS控制报文握手，目的是通知接收者做好接收准备。 CSMA/CA用在ad hoc网络是有问题的：由于隐藏终端的存在，节点检

37、测不到载波并不意味着信道空闲可以发送数据；由于暴露终端的存在，节点检测到载波也并不意味着信道忙不能发送数据。即载波监听的结果不一定有用。 由于上述问题，为了简化硬件的设计，降低硬件实现的复杂度，MACA建议不使用载波监听。CSMA/CA去掉载波监听就成了MACA。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续)MACA 的基本思想 发送者发送数据前先向接收者发送RTS控制报文，RTS帧中包含将要发送的分组的长度。接收者收到RTS后，回送CTS报文，并将长度消息捎回；收到CTS后，发送者开始发送数据。收到RTS的其它节点在一段时间内不能发送任何消息，以保证发送者能够接收并响应CTS分组。听到C

38、TS的节点，知道在它的通信范围内有站要接收某种长度的分组，通过实施退避算法延迟发送来避免冲突。发送站只有在收到对方回送的CTS后才能发送数据，如果没有收到CTS，则认为RTS因为冲突被破坏，然后执行二进制指数退避算法BEB，延迟重发RTS。 关键就在于阻塞（BLOCKING）邻居节点。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续)4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续) MACA 的基本思想4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续)4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续)错误的阻塞甚至会造成暂时的死锁4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续)MACA的优

39、点： 提高了无线信道的利用率 当采用普通的CSMA技术时，一旦发生冲突，冲突的各方都需要重传数据，这样就降低了无线信道的利用率。采用MACA协议，尽管仍然有可能发生RTS帧和CTS帧的冲突，但由于RTS和CTS帧的长度比数据分组短的多，从而大大降低了冲突的概率和时间，提高了信道的利用率。当然，如果数据本身很短，就没有必要发送RTS消息。因此，可以在链路层设置RTS发送门限，只有数据长度大于该门限，才发送RTS帧。 部分解决了隐终端问题4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACA (续) MACA的缺点: 1）不能解决控制分组之间(RTS-CTS)的冲突问题； 2）不具备链路层确认机制（没有ACK

40、分组）。当发生冲突时需要上层超时重发，效率很低； 3）由于采用二进制指数退避算法，如果某站的退避计数器值较大，那么在后续的竞争中失败的可能性也较大，从而使得退避值进一步增大，造成饿死现象（不公平）。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAWMACAW协议 MACAW是第一个专门针对无线环境而设计的MAC层协议，该方案采用了新的避退算法，以便更适合无线信道的环境。MACAW在原来MACA的基础上，增加了确认数据包，用RTS-CTS-Ds-Data-ACK实现媒质的冲突检测。仿真证明MACAW将获得更大的吞吐量以及在高负荷下的资源分配更平均。 针对MACA存在的缺点，MACAW进行了如下改进：

41、改进1：退避计数器值拷贝实现公平。在发送数据分组时，分组头部包含本站的退避计数器的值，收到分组的站可以将此值作为自己的退避计数器的值。这样可以使两者获得相同的退避计数器的值，但传输完成后，所有的退避计数器的值恢复到最小值。这种方法能够在一定程度上防止饿死现象，但不能充分了解网络的拥塞状态，从而增加了分组冲突。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW(续) 改进2：退避算法的改进。采用MILD乘性递增线性递减退避算法取代BEB退避算法： Finc=min(COUNTER, MAX) ; Fdec=max(COUNTER-, MIN) ; =1.5、1 改进3：消息交互的改进 MACAW协议由

42、于在会话机制中加入了DS分组和ACK分组，所以逐跳传输的可靠性增加了，但传输一个分组所需要的附加业务量也增加了。 MACAW协议的主要缺点是一次通信控制信息交互次数太多，如果考虑无线设备发送和接收的转换时间，这种方法的效率就很低了。以增加协议开销为代价。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW(续)4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW(续) DS(Data Sending)报文用于暴露终端确认自己的身份，确认RTS-CTS握手成功。 在单信道下，暴露终端是不能发送报文的。发送结点和接收结点使用RTS-CTS握手成功后，发送结点先发送一个DS控制报文，然后向接收结点发送数据报文。听到

43、DS报文的结点知道自己是暴露终端，要延迟发送数据。如果结点听到RTS报文而没有听到DS报文，说明RTS-CTS发生冲突，握手没有成功，它就不需延迟发送，从而提高吞吐量。 ACK报文用于实现数据报文的链路层确认。4.2 Ad Hoc单信道接入协议802.11DCFIEEE 802.11DCF协议 802.11 MAC支持两种操作模式：单点协调功能(PCF)和分布协调功能(DCF)。IEEE 802.11DCF采用CSMA/CA机制，其工作原理如下：准备传送分组数据的移动站（包括AP）首先检测信道是否繁忙，如果信道在DIFS时序间隔(对于802.11网络为50s)内为空闲状态，那么移动站将开始准备

44、传送分组数据。否则，移动站继续检测信道 如果信道在DIFS时序间隔内空闲，那么移动站：a)开始将信道时间分为多个时隙单元；b)生成以时隙为单位的随机退避间隔(random backoff interval) ； c)继续检测信道。接着，在信道仍保持空闲的每个时隙中，退避间隔值减1。当间隔值为0时，移动站将开始传送分组数据。4.2 Ad Hoc单信道接入协议 802.11DCF 在介质上传送的帧与帧之间总会有一段空闲时间，DCF将其细分为四种称为帧隙（InterFrame Space IFS）的不同长度的时间槽： SIFS：短帧隙（Short IFS），用于较高优先级通信； PIFS：点协调功能

45、帧隙（PCF IFS），用于PCF提供无冲突访问； DIFS：分布式协调功能帧隙（DCF IFS），用于DCF提供冲突访问； EIFS：扩展帧隙（Extended IFS），当接受到错误帧时使用。可以给发送站点足够的时间提出出错理由并重新发送出错帧。 这四种帧隙的时间关系及先后次序如下图：4.2 Ad Hoc单信道接入协议802.11DCF4.2 Ad Hoc单信道接入协议802.11DCF 在退避期间，如果在一个时隙中检测到信道繁忙，那么退避间隔将保持不变（冻结），并且只当检测到在DIFS间隔及其下一时隙内信道持续保持空闲，才重新开始减少退避间隔值。当退避间隔为0，将再次传送分组数据。退避机

46、制有助于避免冲突。 DCF的退避机制具有指数特征。对于每次分组传送，退避时间以时隙为单位(时隙的整数倍)，统一地在0至n-1之间进行选取，n表示分组数据传送失败的数目。在第一次传送中，n取值为CWmin=32，即所谓的最小竞争窗(minimum contention window)。每次不成功的传送后，n将加倍，直至达到最大值CWmax=1024. .4.2 Ad Hoc单信道接入协议802.11DCF 对于每个成功接收的分组数据，802.11规范要求向发送方发送ACK消息。而且为了简化协议头ACK消息将不包含序列号，并可用来确认收到了最近发送的分组数据。一旦分组数据传送结束，发送移动站将在1

47、0s SIFS间隔内收到ACK。如果ACK不在指定的ACK_timeout周期内到达发送移动站，或者检测到信道上正在传送不同的分组数据，最初的传送将被认为是失败的，并将采用退避机制进行重传。4.2 Ad Hoc单信道接入协议802.11DCF CSMA/CA的基础是载波侦听，802.11根据WLAN的媒体特点提出了两种载波检测方法，检测信道是否繁忙。一种是基于物理层的载波检测CS，从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态；另一种是虚拟CS方式，通过MAC报头或RTS/CTS中的NAV来实现。只要其中之一指示信道正在被使用，信道就被认为已处于忙状态。 NAV的含义

48、为网络分配向量。NAV基于MAC帧的时长字段，其值指出当前在信道中传输信息的站还需继续占用信道的持续时间。NAV在网络中的传输，是通过取得信道控制权的站发送任何类型的MAC帧来实现的。其它节点均可收到这个MAC帧的首部，从而读取时长帧段的数值。若此值大于该站当前的NAV值，则以此值取代当前的NAV值；否则该站将按自身NAV值递减机制递减。当NAV值等于0时，由虚拟载波检测机制指示出信道为空闲状态。4.2 Ad Hoc单信道接入协议FAMA FAMA (Floor acquisition multiple access)基站捕获的多重接入 中心思想：允许一次RTS-CTS成功握手可以连续发送多个

49、数据报文（称为报文序列Packet Train）。 同时，采用了“统治的CTS”,增加CTS控制报文的长度，任何在CTS信号范围内，并同时发送RTS的结点，将至少监听到长CTS分组的一部分，这些结点将推迟对信道的争用，更好地消除隐发送终端的影响。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW-BIMACA-BI协议 MACA-BI是基于MACA的收方主动的信道接入协议，只有接到RTR邀请的节点才能发送数据。 设计思路：考虑到收发节点间的往返时间（包括收发转换时间、传播时延）对网络吞吐量的影响，特别是在高速率、低传播时延的情况下，往返时间成为一个信道设计的重要因素。 MACA-BI以RTR（rea

50、dy to receive）报文代替MACA的CTS报文，去除了RTS报文，报文序列变为RTR-DATA，因此MACA-BI为双向握手（MACA 为3向握手， MACAW为5向握手），减少了握手次数，从而在高速、短距离的AD HOC网络中提高了吞吐量。4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW-BI (续)4.2 Ad Hoc单信道接入协议MACAW-BI (续)4.2 Ad Hoc单信道接入协议MARCH MARCH (Multiple Access with reduced handshake)协议 MARCH(减少握手次数的多址接入)是一种旨在利用全向天线的广播性来减少握手次数的信道接

51、入协议。它仅在路由的第一跳使用RTS-CTS握手，在其它路由段仅使用CTS报文实现握手。（注：CTS中已经含整个有路由信息）4.3 Ad Hoc双信道接入协议DBTMA DBTMA（Dual Busy Tone Multiple Access）双忙音多址接入协议 以前的几种方法假设所有的相关节点都能听到RTSCTS消息，但在高速移动的大型Ad hoc网络中这种假设有时并不成立，当网络负载很高时CTS发生冲突的概率很大。为了解决这些问题，提出了双忙音多址接入协议DBTMA。 DBTMA是在CSMA和RTS/CTS会话机制的基础上，综合了两者的优点来提高系统性能。它除了使用控制信道上的RTS/CT

52、S分组外，还使用了控制信道上的两个忙音来标识信道状态。 DBTMA协议将信道分为两个子信道：数据信道和控制信道。数据报文在数据信道上传输，控制报文（RTS和CTS）在控制信道上传输， 另外在控制信道上增加两个频带彼此分开的窄带忙音BTr（接收忙音）和BTt（发送忙音），分别用来指示某站正在数据信道上接收和发送数据。 报文交互次序：RTS-CTS-DATA4.3 Ad Hoc双信道接入协议DBTMA (续)4.3 Ad Hoc双信道接入协议DBTMA (续)DBTMA算法 一个发送站首先要监听信道上是否有BTr信号以确定是否有其他站接收数据，如果没有听到BTr信号，它可以发送RTS分组，并在发送

53、RTS时监听BTr信号，如果在此期间听到BTr信号(自己是隐藏发送终端)，即使收到了CTS信号也要延迟发送。当接收站收到RTS时，要监听BTt信号来察看是否有节点在发送数据，如果没有听到BTt信号，将响应CTS分组，并且发送BTr信号，否则它将保持沉默(自己是暴露接收终端)。发送站接收到CTS，它开始传送数据并发送BTt信号。当发送和接收数据完毕后，停止发送BTr信号和BTt信号。 关键：在通信期间，所有收听到BTr信号的其它站必须延迟发送，所有收到BTt信号的其它站不能接收数据。4.3 Ad Hoc双信道接入协议DBTMA (续)4.3 Ad Hoc双信道接入协议DBTMA (续)4.3 A

54、d Hoc双信道接入协议DBTMA (续)总结 DBTMA中的RTS-CTS报文交互只是用来探测接收结点能否接收报文，而不再担负预约信道的作用。信道接入完全依赖于对两个忙音信号的检测。DBTMA实现了数据报文的无冲突，付出的代价是增加了两个带外忙音，忙音的发送和检测都需要额外硬件的支持。 双信道并不是没有解决报文冲突的能力，而是DBTMA没有发挥双信道的优势，没有充分利用RTS-CTS报文握手具备的能力。4.3 Ad Hoc双信道接入协议BAPU BAPU (Basic Access Protocol Solution for BAPU (Basic Access Protocol Solut

55、ion for Wireless)Wireless) BAPU是在MACAW基础上提出的基于双信道的无线信道接入协议，可用于Ad Hoc网络中，报文序列：RTS-CTS-DS-DATA-ACK.控制报文RTS、CTS和DS在控制信道上传输，而数据报文DATA和ACK在数据信道上传输。 BAPU使用数据信道发送ACK报文，这样导致暴露终端不能发送数据报文（ACK冲突，收不到ACK），隐终端不能接收数据报文（ACK干扰，不能发ACK），即隐接收终端和暴露发送终端都无法解决，而在双信道条件下，他们是应该得到解决的。 简言之，BAPU只是对基于双信道的Ad Hoc网络信道接入协议做了初步的尝试，它并没

56、有充分利用双信道的优势，只是简单地将MACAW移植到了双信道。4.3 Ad Hoc双信道接入协议BAPU (续)4.4 Ad Hoc多信道接入协议DCADCAdynamic channel assignment DCA的设计思想是使用一个固定信道传输控制分组，其它的信道传输数据分组。每一个节点有两个收/发信机，每个节点可以在控制信道和数据信道上同时监听。发送节点的RTS分组中含有发送节点根据其周围的信道条件设置的数据信道信息。RTS的接收节点，决定数据信道的选择并将该选择放在CTS分组中。DATA和ACK在数据分组中传输。 该协议具有不需要同步和控制消息开销小的优点，但在所有信道具有相同带宽时

57、，性能不是很好。当信道总数很小时，一个特定的控制信道是非常浪费的,如802.11只有三个信道，一个特定用于控制信道相当于33%的总信道带宽成为了控制开销。另一方面，如果信道数量很大，控制信道成为了瓶颈，抑制数据信道的充分利用。4.4 Ad Hoc多信道接入协议HRMAHRMA (Hop Reservation Multiple Access) HRMA是使用低速调频/直扩系统的多信道接入协议。 其原理是节点按照预设的调频模式改变传输信道。当两个节点经过RTS/CTS握手后，驻留在固定的跳隙上进行数据分组的传输，其它的节点继续调频，同理建立自己的通信信道。 这种设计思想仅能在低速调频的传输网络中

58、采用。4.4 Ad Hoc多信道接入协议 MMACMMAC ( (Multi-Channel MAC) 802.11标准中为802.11DCF定义的节能模式PSM(power-saving mode）是一种典型的同步时间驱动节能协议。MMAC的设计思想来源于此。因此，先来讲802.11中的PSM。 在研究中，将工作在节能模式的802.11DCF协议称为802.11PSM协议（简称PSM协议），而将一直工作在活跃状态（非节能模式）的802.11DCF称为802.11协议4.4 Ad Hoc多信道接入协议MMAC (续)802.11 PSM 协议 802.11 PSM协议工作于全互连网络中。各节点

59、将时间轴分为若干连续的beacon周期，当每一个beacon周期开始时，工作于节能模式的节点唤醒一段时间，称为ATIM（Ad Hoc traffic indication message）窗口。4.4 Ad Hoc多信道接入协议MMAC (续)802.11 PSM协议工作过程 在ATIM窗口开始的时刻，各节点都处于活跃状态并竞争发一个beacon帧来进行全网同步，其中beacon帧中携带本节点的时钟信息。各节点都与成功接收到的beacon帧进行同步，并且不再发送自己的beacon帧。同步后，有报文要发送的节点通过发送ATIM帧与接收节点进行信息交互，接收节点收到发给自己的ATIM帧后，应答一个

60、ATIM ACK（如果ATIM帧的地址是一广播地址，则无需应答）。节点如果有报文要发送或接收，则在剩余的beacon周期时间（流量窗口TW，Traffic Window窗口）内一直处于活跃状态，那些没有报文要发送或接收的节点则可在TW窗口内将设备置为睡眠模式以节省能量。4.4 Ad Hoc多信道接入协议MMAC (续)802.11 PSM协议规则 802.11 PSM协议需要遵守如下规则： （1）如果某节点收到发给自己节点的ATIM帧或一广播地址的ATIM帧，则在本BI（beacon Interval）周期内节点要一直处于活跃状态。 （2）只有当节点既没有发ATIM帧又没有收到地址为本节点或广