ad hoc网络中的MAC协议

无线自组织网络MAC协议2提纲MAC协议设计目标MAC协议设计面临的问题Adhoc网络MAC协议分类典型MAC协议ALOHACSMA/CA、IEEE802.11IEEE802.11e、RBARTDMA、TSMA、FPRPETUTM……3MAC协议设计目标媒质访问接入控制(MediaAccessControl，MAC)协议决定了共享无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源并控制节点物理层，因而直接影响网络的整体性能，是决定网络吞吐量、时延、公平性的关键因素。目标：多个用户高效、合理的共享有限的无线信道资源。应用层传输层网络层数据链路层(MAC)物理层解决相邻节点间(点到点)的信道接入问题1023145116897141213154MAC协议设计面临的问题MAC协议设计基本问题：避免冲突、降低干扰（信道检测）节点间公平性（退避算法）降低协议开销（控制指令设计）满足不同业务的QoS要求Adhoc网络特有问题无中心控制设备：无法使用传统的（最优的）集中控制式的分配策略拓扑变化：信道冲突概率变大；业务负荷分布不确定，可能变化剧烈无线多跳：隐藏终端、暴露终端、无线链路的脆弱性、捕获效应、传播时延问题、通信方式问题5Adhoc网络MAC协议分类信道划分：单信道、多信道；信道接入流程的发起：发端发起、收端发起；信道占用机制：竞争机制（异步）分配机制（同步）混合机制（竞争和分配相结合）6典型MAC协议及算法竞争机制使用直接竞争决定信道访问权，通过随机重传来解决碰撞问题。ALOHA、CSMA、CSMA/CA、MACA、MACAW、IEEE802.11、IEEE802.11e…分配机制使用同步通信模式，采用某种传输时间安排算法将时隙映射为节点。TDMA、TSMA、FPRP…混合机制分配和竞争相结合。HTDMA、ETUTM、AGENT…7IEEE802.11协议的诞生1990年，IEEE802标准化委员会成立了IEEE802.11无线局域网标准工作组。1997年，IEEE发布了802.11协议，这是无线局域网领域内第一个在国际上被认可的协议。该标准包括了物理层及媒质访问控制（MAC）层的规范。物理层规约包括直序扩频、跳频以及红外三种，其中直序扩频和跳频采用2.4GHz频段。传输速率最高只能达到2Mbps，因而主要被用于数据的存取。竞争协议IEEE802.11DCFDCF协议与adhoc网络802.11提供了两类MAC协议：（1）分布式接入协议DCF，基于CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance），主要

应用于独立的基本服务集合（IBSS）。（2）集中式接入协议PCF，由一个集中的决策模块来

控制发送。采用非对等网络配置，提供无竞争接

入服务。主要应用在基本服务集合（BSS）的接

入点（AP）。

DCF协议和PCF协议之间的关系如下图所示：8竞争协议IEEE802.11DCFDCF与PCF

9竞争协议IEEE802.11DCFDCF协议与adhoc网络Adhoc网络是一种新型的无线网络，它由一系列地位完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网络设施。网络中的每个节点既是终端又是路由器，它们在MAC协议的控制下，以多跳共享的方式接入无线信道。IEEE802.11中的DCF协议已被广泛应用于adhoc网络的各种仿真和测试平台，成为了事实上的adhoc网络MAC协议规范。10竞争协议IEEE802.11DCFDCF协议中的两种发送模式基本模式。发送节点直接向接收节点发送数据帧，接收节点成功收到数据帧后向发送节点应答ACK帧，即采用两次握手的发送机制。RTS/CTS模式。发送节点在发送数据帧以前，先向接收节点发送RTS帧；接收节点收到RTS帧后，向发送节点应答CTS帧；发送节点成功接收到CTS帧后，向接收节点发送数据帧；接收节点正确接收数据帧后，向发送节点应答ACK帧。即采用四次握手的发送机制。11竞争协议IEEE802.11DCF发送模式的选择。DCF协议规定，当网络层队列中的数据分组（packet）长度大于一定门限时，采用RTS/CTS模式，而当分组长度小于该门限时，采用基本模式。事实上，为达到最优化的网络吞吐率，则应该根据当前竞争信道的节点数目动态的调整门限值。相关内容可以参考以下文献：G.Bianchi,PerformanceAnalysisoftheIEEE802.11DistributedCoordinationFunction,IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,Mar2000,18(3):535-54712竞争协议IEEE802.11DCFDCF协议的发送规约

13DCF协议的发送规约竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow1、发送前监听信道

节点通过物理载波检测在发送前监听信道，如果信道是空闲的，就继续监听DIFS长的一段时间。假如在此期间信道持续空闲，且本次发送为首次发送，即可开始发送过程；如果不是首次发送，则进入退避过程。如果信道不空闲，则通过虚拟载波检测获知信道持续忙的时间，并设置NAV（NetworkAllocationVector）。

14竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow2、Defer（延迟）过程假如监听信道遇忙，或者在DIFS时间内信道由空闲变忙，站点则必须等待信道变空闲，且空闲的持续达到DIFS的时长。如果信道持续空闲的时间小于DIFS，节点就回到发送前的监听状态；如果持续空闲的时间达到DIFS，节点就进入后面的退避过程。15竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）过程（1）目的是在多个站点同时完成defer过程的情况下，能进一步减少冲突的机会。16竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）过程

（2）退避时长（退避计数器初值）：BackoffTime=Random()*aSlotTimeRandom()：[0，CW]内均匀分布的随机整数。CW∈[CWmin,CWmax]：CW的取值采用二进制指数退避（BEB）的法则。aSlotTime、CWmin及CWmax：由相应的PHY层决定。17竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow3、Backoff（退避）过程（3）退避规范：边退避，边监听载波；如果空闲则计数器递减，计数器减到零后即可发送。如果监听到信道忙则挂起退避计数器。直到信道连续空闲时间达到DIFS才继续从上次计数器剩余的值开始继续递减。18竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow4、PDU(ProtocolDataUnit)发送过程发送Data帧（基本模式，两次握手：DATA/ACK）或RTS帧（四次握手：RTS/CTS/DATA/ACK）。19竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow5、错误恢复

DCF协议提供ACK应答机制作为冲突恢复的手段。接收站点接收到Data后，会向发送站点应答ACK。如果发送站点在发送完Data后没有接收到ACK，则认为Data发生冲突，需要重传。将退避竞争窗口值按BEB法则增大为min(2*CW,CWmax)20竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow6、Discard多次出错后帧的丢弃如果站点重发了7次RTS帧或4次Data帧，那么该站点将丢弃需要发送的Data帧。丢弃后把窗口值CW设为CWmin。21竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow7、EFM差错帧模型

如果站点在接收数据帧过程中发生了冲突，则在信道重新空闲后需要等待信道持续空闲EIFS的时间，才能开始后续退避过程，防止自身的数据传输跟其他站点数据传输产生冲突。22竞争协议IEEE802.11DCFtimeSIFSDIFSACKdeferaccessotherstationsreceiversenderdataDIFSContentionWindowRTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)RTSContentionWindow23IEEE802.11DCF的信道利用率定义信道利用率：非数据传输时间包括：

信道空闲时间；

传输RTC/CTS/ACK的时间（系统固定值）；

节点的DIFS、SIFS时间（系统固定值）；

节点的随