无线自组网多信道MAC协议研究

2016摘要无线自组网是一种无中心控制节点的多跳、对等、自愈的无线网络，被广泛应用于人们的生产生活中。其中，媒体接入控制协议（MAC）的性能很大程度上影响无线网络的组网性能。传统无线自组网的MAC协议采用单信道MAC协议，分组冲突概率大，网络吞吐量低，而随着通信和计算机产业的飞速发展，开放频点越来越多，单信道MAC协议性能不良和浪费信道的缺点凸显，多信道MAC协议迅速成为研究热点。本文在深入研究现有MAC协议的基础上，设计并实现了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(CN-MMAC,multi-channelMACprotocolbasedonchannelnegotiation)，协议的主要思想是：使用控制信道与数据信道分离的技术，每个节点维护一个信道使用列表，并计算空闲信道值编码，在控制信道上通过握手信号和广播消息完成信道预约，并在预约成功的数据信道上完成分组传输和分组传输的确认。本文的主要工作如下：1.多信道MAC协议的设计:本文从无线自组网的基本概念出发，分析了现有的MAC协议，并指明了当前适用于无线自组网的MAC协议所存在的问题，设计了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议（CN-MMAC协议），具体解决了如下问题：信道分配问题、多信道隐藏终端问题、控制开销问题。2.多信道MAC协议的性能研究：本文使用NS-2仿真工具，修改仿真模型，添加CN-MMAC协议，通过对比CN-MMAC协议与其他多信道MAC协议的性能，证明本文设计的多信道MAC协议具有较好性能。3.多信道MAC协议的实现：在硬件平台上移植本文设计的多信道MAC协议，为无线自组网协议栈提供MAC层的透明传输接口，证明本文设计的多信道MAC协议具有较好的可移植性和较好实用价值。4.多信道MAC协议QoS保障机制研究：根据业务优先级设置不同的退避算法，调整信道接入机制，仿真表明该方案能有效提高实时业务的服务质量。5.总结全文，并指明了下一步的工作研究方向。关键词：无线自组网，多信道，MAC协议论文类型：应用基础研究类20162016ABSTRACTWirelessadhocnetworksisamulti-hoppeer,self-healingwirelessnetworkwithoutcentralcontrolnode,whichiswidelyusedinpeople'sproductionandlife.Amongthem,theperformanceofthemediaaccesscontrol(MAC)protocollargelyaffectsperformanceofwirelessnetworks.Traditionalwirelessadhocnetworksusesingle-channelMACprotocol,inwhichpacketcollisionprobabilityisgreatandnetworkthroughputislow.Withtherapiddevelopmentofcommunicationsandcomputerindustries,moreandmorefrequencyopensup,whichhighlightstheshortcomingsofpoorperformanceofsingle-channelMACprotocolandchannelwasted.Somulti-channelMACprotocolquicklybecomesahottopic.Onthebasisofin-depthstudyofexistingMACprotocol,Thispaperdesignsandimplementsamulti-channelMACprotocolwirelessadhocnetwork(CN-MMAC,multi-channelMACprotocolbasedonchannelnegotiation)basedchannelnegotiation.Themainideaof​​theprotocolis:Controlchannelsanddatachannelsareseparatedandeachnodemaintainsalistofchannelswhichareused.Thenodecompleteschannelreservationonthecontrolchannelsignalthroughbroadcastmessageandthehandshakesignal.Datapackettransmissioniscompletedondatachannelreservatiedsuccessly.Themainworkofthispaperisasfollows:1.Thedesignofmulti-channelMACprotocol:ThispaperanalyzestheexistingMACprotocolfromthebasicconceptofwirelessadhocnetworksandindicatesthecurrentissuesthatexist.Designawirelessadhocnetworkbasedonchannelnegotiationofmulti-channelMACprotocol(CN-MMACprotocol),specificallyaddressthefollowingissues:theassignmentofchannels,thehiddenterminalproblemofmulti-channelandcontroloverheadproblem.2.Performanceresearchofmulti-channelMACprotocol:ModifythesimulationmodelusingNS-2simulationtoolsandaddmulti-channelMACprotocol.Thispaperanalyzestheperformanceofotherprotocolsandprovesthatmulti-channelMACprotocoldesignedinthispaperhasahigherperformance.3.Realizationofmulti-channelMACprotocol:Transplantmulti-channelMACprotocoldesignedinthispaperonthehardwareplatform,whichprovidestransparenttransmissioninterfaceonMAClayerprotocolstackforwirelessadhocnetworks.Provethisdesignhasbetterportabilityandgoodpracticalvalue.4.Researchonqualityofservice(QoS)ofmulti-channelMACprotocol:Setdifferentbackoffalgorithmbasedonbusinessprioritiestoadjustchannelaccessmechanism.Thesimulationshowsthatthisschemecanimprovethequalityofreal-timebusinessserviceseffectively.5.Summaryofthepaper:indicatesthedirectionofworkandresearchinthefuture.Keywords:AdHoc,multi-channel,macprotocolTypeofDissertation:AppliedBasicResearch2016插图索引TOC\h\z\c"图1."图1.1论文组织框架 16TOC\h\z\c"图2."图2.1隐藏终端 20图2.2暴露终端 20TOC\h\z\c"图3."图3.1信道使用列表结构 26图3.2CN-MMAC协议分组转发流程图 27图3.3CN-MMAC协议流程 28图3.4信道预约流程 30图3.5网络节点组成架构 31图3.6Si4463的性能指标 32图3.7STM32芯片性能指标 33图3.8Si4463驱动程序实现 34图3.9Si4463参数设置 35TOC\h\z\c"图4."图4.1NS-2仿真器结构 37图4.2NS-2模块组成结构 38图4.3移动节点模型 39图4.4改进的移动节点模型 41图4.5链状拓扑 42图4.6链状拓扑下吞吐量随跳数变化 43图4.7链状拓扑下端到端时延随跳数变化 43图4.8随机多跳拓扑 44图4.9随机多跳拓扑下吞吐量随包发送间隔变化 45图4.10随机多跳拓扑下端到端时延随包发送间隔变化 45TOC\h\z\c"图5."图5.1归一化吞吐量随分组到达率变化 48图5.2平均分组时延随包到达率变化 492016表格索引TOC\h\z\c"表格"表格1FCCS计算 26表格2RTS帧格式 28表格3CTS帧格式 28表格4DATA帧格式 29表格5ACK帧格式 29表格6RES帧格式 292016缩略词对照表缩略语英文全称中文对照PRNETPacketRadioNetwork分组无线网络CSMACarrierSenseMultipleAccess载波侦听多路访问SURANSurvivableRadioNetwork抗毁性无线网络TITacticalInternet多跳无线网络IETFInternetEngineeringTaskForceInternet工程任务组MACMediaAccessControl媒体访问控制层MACAMultipleAccesswithCollisionAvoidance多址访问与碰撞回避协议DCADynamicchannelAssignment动态多信道协议ARQAutomaticRepeatRequest自动重传请求RTS RequesttoSend发送请求分组CTSCleartoSend允许发送分组DSDataSending数据发送控制分组ACKAcknowledgement正确应答分组DCF DistributedCoordinationFunction分布式控制模式CSMA/CACarrier-SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance载波侦听多址访问与碰撞回避BTMABusy-ToneMultipleAccess忙音多址访问协议DBTMADoubleBusy-ToneMultipleAccess双盲音多址访问协议MMACMulti-ChannelMAC多信道MAC协议PCLPreferableChannelList优先信道列表RESResponse确认发送分组CULCurrentusedList当前信道使用列表FCCSFreeChannelCodingSummation空闲信道编码和值QoSQualityofService服务质量2016目录摘要 5ABSTRACT 6插图索引 8表格索引 9缩略词对照表 10第一章 绪论 131.1课题背景 131.1.1无线自组网概述 131.1.2无线自组网的特点 141.2无线自组网MAC协议研究现状 151.3本文组织框架 161.4本章小结 16第二章无线自组网MAC协议的研究分析 172.1基于信道访问策略的MAC协议 172.1.1竞争类MAC协议 172.1.2分配类MAC协议 172.1.3混合类MAC协议 182.2基于信道数目的MAC协议 182.2.1单信道MAC协议 182.2.2双信道MAC协议 222.2.3多信道MAC协议 222.3本章小结 24第三章无线自组网CN-MMAC协议 253.1CN-MMAC协议的关键技术 253.1.1多信道隐藏终端问题 253.1.2控制开销问题 263.1.3信道分配问题 263.2CN-MMAC协议设计 273.2.1协议总体设计思想 273.2.2协议总流程 283.2.3帧格式说明 283.2.4信道预约 303.3CN-MMAC协议在硬件平台上的实现 313.3.1硬件平台介绍 313.3.2CN-MMAC协议的移植要点 343.4本章小结 36第四章基于NS-2的CN-MMAC协议性能分析 374.1NS-2仿真工具介绍 374.1.1NS-2基本原理 374.1.2NS-2无线仿真功能 384.2NS2创建仿真模型 384.2.1移动节点模型及改进 384.2.2MAC层多信道模型实现 414.2.3添加CN-MMAC协议到NS-2 414.3仿真实验和结果分析 424.3.1链状多跳场景 424.3.2随机多跳场景 444.4本章小结 46第五章基于CN-MMAC协议的QoS保障机制研究 475.1QoS保障分析 475.2CN-MMAC协议的QoS保障机制 475.3仿真及性能分析 48第六章总结与展望 506.1工作总结 506.2展望 50参考文献 522016绪论1.1课题背景1.1.1无线自组网概述 当今社会中，网络变得无处不在，人们在工作、学习和生活中对网络的需求越来越强，在这样的社会背景下，强烈的需求催生了科研工作者和网络爱好者对研发具有更强大性能的网络的追求，而无线网络作为网络通信的重要组成部分，正在迅速的改变着人们的生活方式，宽带无线接入系统、移动蜂窝网、短距离无线互联等技术使人们以更方便、更快捷、更安全的方式与世界各地沟通，而现今存在的无线网络制式不能满足人们随时随地进行布网沟通的需求，在此背景下，具有快速组网、高自愈性的无线自组织网络（即AdHoc网络）开始赢得学着众多的研究和关注。作为一种新型的组网技术，无线自组网不依赖于任何中心实体或基础设施，网络节点作为整个网络的一部分，既可以作为信息的发起者和接受者，也可以作为信息的中继者，节点通过精心设计的网络协议栈相互合作，进行自动配置和管理，自发的通过信息交互组成网络并自动维护网络拓扑结构，信息通过在节点间相互中继的方式，增大无线设备的传输距离，拓宽网络的覆盖范围，为用户提供各种服务[[]移动AdHoc[]移动AdHoc网络：自组网分组无线网络技术/陈林星等编著.–北京：电子工业出版社，2006.4 ALOHA网络是无线自组网发展的初级阶段，虽然它的直接研究目的并不是基于无线自组网，但是它的思想对无线自组网具有很强的借鉴意义，为后者的发展奠定了基础。固定基站和分布式信道访问管理是ALOHA网络的两项关键技术，其中，分布式信道访问技术为后续无线自组网的研究开发指明了正确的方向[[]N.Abramson.TheALOHAsystem:Anotheralternativeforcomputercommunications[A].InProceedingsofAmericanFederationofInformationProcessingSocieties[C],1970:281–285.]。二十世纪七十年代，科研工作者在ALOHA网络研究成功的基础上，结合早期固定分组交换网络，开始研发分组无线网络（PacketRadioNetwork，PRNET），PRNET是一种新的网络制式，其特点是在无线环境中引入了数据分组交换技术，提供多跳的分组传输机制，其中包括集中式和分布式的操作管理机制。之后，PRNET网络引起业界的广泛关注，人们开始认识到，可以通过多跳转接的方式提高网络容量，增大网络规模的，多跳技术是提升网络性能一种有效手段。PRNET网络由广播电台组成，为了减少中心控制开销，引入了ALOHA网络的分布式信道访问技术，综合了ALOHA和载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccess，CSMA）两种信道访问协议，使信道可以在电台之间实时共享，PRNET网络的研发成功在一定程度上证明了无线自组网思想的可行性[[]IEEE802.11WorkingGroup.WirelessLANMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)specifications[S].1997.]。抗毁性无线网络（SurvivableRadioNetwork，SURAN）是DARPA在20世纪80年代初期对PRNET网络的拓展，它进一步加强了PRNET网络的安全机制，并在功耗和处理能力方面提高了网络的健壮性。到20世纪80年代后期和90年代初期，随着Internet基础设施的不断发展，微型计算机和嵌入式设备的强大处理能力使得无线分组网络思想更加实用，更加切实可行。20世纪90年代后期，美国陆军相继实现了当今规模最大的多跳无线网络（TacticalInternet，TI）和增强型沿海战场先进概述示范（ExtendingtheLittoralBattle-spaceAdvancedConceptTechnologyDemonstration，[]N.Abramson.TheALOHAsystem:Anotheralternativeforcomputercommunications[A].InProceedingsofAmericanFederationofInformationProcessingSocieties[C],1970:281–285.[]IEEE802.11WorkingGroup.WirelessLANMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)specifications[S].1997. 从上可以看出无线自组网起源于军事研究，并在军用领域发挥作用。20世纪90年代末，Internet工程任务组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）的建立，使民用无线自组网进入科学工作者的视线，激发科学工作者对无线自组网技术的研究热情。21世纪初期，随着大数据时代和物联网时代的来临，无线传感器网络和移动自组织网络作为无线自组网的重要分支被广泛的应用到旅游、智能家居和无线物联等领域，极大方便了人们的生产和生活。1.1.2无线自组网的特点 无线自组网是由一组带有无线收发设备的网络节点组成的，不依赖类似基站等基础通信设备的、能够迅速自行建立网络拓扑的网络体系，人为控制的因素较低。作为分布式的临时网络，无线自组网具有自组织、自愈性强、无中心的特性。无线自组网是对等网络，这是其与固定基础设施的蜂窝网络的一个重要区别。网络节点能随机、频繁的接入和离开网络，无线自组网节点的标准配备有无线收发装置、天线（根据不同需求，天线的规格和制式可能不同）、主控制处理器及其他辅助设备（包括按键、人机交互界面等）。由于网络节点可以根据自己的需求调整位置、发射功率和接收灵敏度，其无线信号的覆盖范围会随机变化，按照网络协议栈设定的组网形式，实现节点之间的无线连接，形成网络拓扑。考虑到无线网络环境的不可测性，网络的拓扑会随时间推移而变化，基于上述分析，无线自组网具有下列特点（1）分布式操作由于无线自组网无中心控制节点的特性，使得控制节点的方式必然是分布式的，但当前大多通信系统控制都是带有中心控制方式的，集中式的网络协议不能满足无线自组网的需要，必须使用网络节点间自我协调的方式替代中心网络节点的作用，各层网络协议必须重新设计才能适应无线自组网的分布式特点。（2）无线信道特有的缺陷：带宽昂贵，链路质量不稳定 与有线链路相比，无线链路带宽较低，考虑到噪声等环境干扰因素的影响，无线通信的有效传输速率相比最大传输速率又有一定程度的损耗。同时由于无线信道固有的衰落、多址访问等固有特点，无线链路质量具有不稳定性，这也是设计无线自组网需要考虑的因素之一。（3）网络拓扑动态性 无线自组网中，设备接入网络和离开网络具有随机性，同时，节点无线设备的发送接收参数具有不确定性，无线环境具有易变性，这些因素都使得网络拓扑结构不可人为的预测，必须重新开发合适的路由协议增强网络拓扑的自我恢复能力。（4）设备限制 虽然现今微电子产业已经取得了长足的发展，但是，组成无线节点的设备的处理能力和功耗方面的性能仍然是限制网络性能的重要因素，必须开发具有高速处理能力的微控制器和较低功耗的无线收发设备提高网络节点的续航能力。（5）安全有限 由于无中心控制节点的固有特性，无线自组网相比于有线网络和其它传统无线网络更容易被攻击，它的无中心控制方式决定了在安全方面要提供更多的保障，单个节点的安全隐患需要整个网络的共同协作来解决。1.2无线自组网MAC协议研究现状在计算机通信网络协议栈中，媒体访问控制协议(MAC)位于物理层之上，网络层之下，对整个网络协议栈起着承上启下的作用。而在无线网络环境中，信道资源十分昂贵，MAC协议控制着信道资源的分配，其性能将直接影响信道的使用效率。而在无线自组网中，MAC协议性能的优劣对整个网络性能的影响则更为明显，性能不良的MAC协议甚至可能造成网络的瘫痪。无线信道是无线自组网中非常珍贵的资源，由于无线自组网本身的多跳、分布式操作、网络拓扑动态变化等特点，MAC协议的设计需要使信道资源的分配更加高效、合理，在保证网络节点公平接入信道的基础上，最大程度的提高吞吐量，这些都是不同于其他无线网络的问题。现今无线自组网MAC协议的研究主要集中在提高信道接入的公平性问题、提高吞吐量、提高信道利用率等方面。单信道MAC协议ALOHA协议发展而来，包括载波侦听多址访问协议（CSMA）、多址访问与碰撞回避协议（MultipleAccesswithCollisionAvoidance，MACA）、IEEE802.11MACDCF协议。但单信道MAC协议存在先天不足：由于只采用一个信道，有限的信道容量成为制约MAC协议性能的瓶颈。研究表明，无论协议设计的如何巧妙都无法弥补其先天的缺陷。随着微电子产业和无线终端产业的快速发展，一个网络设备可以同时工作在不同的信道上，或者可以在不同的信道上切换来完成信息的交互，单信道协议中信道容量的瓶颈不再是难以解决的问题。而且，随着国际无线电组织对无线信道的使用标准的规范化，开发使用的频点越来越多，如果继续沿用单信道MAC协议则存在严重的频点浪费问题。因此，无论在理论上还是实际应用上，研究开发多信道MAC协议成为迫切需求。 多信道MAC协议对解决单信道吞吐量瓶颈问题有显著效果[[]JunchengJia,QianZhang.Hardware-constrainedMulti-ChannelCognitiveMAC[A].InProceedingsofGlobalTelecommunicationsConference,2007:4653–4658.][[]MansoorAlicherry,RandeepBhatia,Li(Erran)Li.Jointchannelassignmentandroutingforthroughputoptimizationinmulti-radiowirelessmeshnetworks[A].InProceedingsofProceedingsofthe11thannualinternationalconferenceonMobilecomputingandnetworking[C].2005:58–72.]。已经存在的多信道MAC协议包括多信道CSMA协议、DCA协议等，分别从不同方面改进单信道协议[[]J.Zhao,H.Zheng,G.-H.Yang.DistributedCoordinationinDynamicSpectrumAllocationNetworks[A].InProceedingsofNewFrontiersinDynamicSpectrumAccessNetworks[C].2005:259–268.][[]VaduvurBharghavan,AlanDemers,ScottShenker,etal.MACAW:AmediaaccessprotocolforwirelessLAN’s[A].InProceedingsoftheconferenceonCommunicationsarchitectures,protocolsandapplications[C].1994:212–225.][[]CordeiroC,ChallapaliK.C-MAC:ACognitiveMACProtocolforMulti-ChannelWirelessNetworks[A].InProceedingsofNewFrontiersinDynamicSpectrumAccessNetworks[C].2007:147–157.][[]JunchengJia,QianZhang.Hardware-constrainedMulti-ChannelCognitiveMAC[A].InProceedingsofGlobalTelecommunicationsConference,2007:4653–4658.[]MansoorAlicherry,RandeepBhatia,Li(Erran)Li.Jointchannelassignmentandroutingforthroughputoptimizationinmulti-radiowirelessmeshnetworks[A].InProceedingsofProceedingsofthe11thannualinternationalconferenceonMobilecomputingandnetworking[C].2005:58–72.[]J.Zhao,H.Zheng,G.-H.Yang.DistributedCoordinationinDynamicSpectrumAllocationNetworks[A].InProceedingsofNewFrontiersinDynamicSpectrumAccessNetworks[C].2005:259–268.[]VaduvurBharghavan,AlanDemers,ScottShenker,etal.MACAW:AmediaaccessprotocolforwirelessLAN’s[A].InProceedingsoftheconferenceonCommunicationsarchitectures,protocolsandapplications[C].1994:212–225.[]CordeiroC,ChallapaliK.C-MAC:ACognitiveMACProtocolforMulti-ChannelWirelessNetworks[A].InProceedingsofNewFrontiersinDynamicSpectrumAccessNetworks[C].2007:147–157.[]NasipuriA,ZhuangJ,DasS.R.AmultichannelCSMAMACprotocolformultihopwirelessnetworks[A].InProceedingsofWirelessCommunicationsandNetworkingConference[C].1999,3:1402–1406.[]KyasanurP,VaidyaN.H.Routingandinterfaceassignmentinmulti-channelmulti-interfacewirelessnetworks[A].InProceedingsofWirelessCommunicationsandNetworkingConference[C].2005,4:2051–2056.1.3本文组织框架 本文组织框架如下图所示。 图1.SEQ图1.\*ARABIC1论文组织框架在第一章对无线自组织网络进行了整体描述，并通过查阅文献，分析了无线自组网多信道MAC协议的研究现状。第二章重点分析了无线自组网中典型的单信道MAC协议和现有的多信道MAC协议，指明了单信道MAC协议存在的固有缺陷和多信道MAC协议存在的不足。在以上基础上，第三章详细论述了基于信道协商的多信道MAC协议（CN-MMAC），包括CN-MMAC协议的分组转发流程、帧格式、信道预约流程，并介绍了CN-MMAC协议在STM32平台上的移植过程，为CN-MMAC协议的实际应用打些基础。第四章使用NS-2仿真工具对比了CN-MMAC协议与典型的多信道MAC协议（DAC），证明CN-MMAC协议在吞吐量和端到端时延方面具有较好的性能。第五章实现了一种适用于CN-MMAC协议的QOS保障机制，仿真结果表明，通过根据优先级划分调整接入信道的机制能够使实时业务得到较好服务。第六章在总结全文的基础上，指明了本文存在不足和下一步的研究方向。1.4本章小结 本章在对课题背景进行整体描述的基础上，分析了当今无线自组网MAC协议的研究现状，指明了研究多信道MAC协议的必要性。最后给出了本文的整体框架。2016第二章无线自组网MAC协议的研究分析 无线自组网中的MAC协议可以从不同的角度进行划分，目前业界比较认可的划分方式包括基于信道数目分类和基于信道访问策略分类。本章从这两种分类方式研究分析了现今存在的适用于无线自组网的MAC协议。2.1基于信道访问策略的MAC协议根据接入信道方式的不同，MAC协议可划分为网络节点自行争用信道使用权限的MAC协议（ContentionProtocol）、基于协议设计者固定分配信道使用权限的MAC的协议（AllocationProtocol）和节点自行争用信道和固定分配信道相结合的MAC协议（即混合类MAC协议，HybridProtocol）。2.1.1竞争类MAC协议竞争类MAC协议通过网络节点自行争用信道获取接入信道的机会，由于竞争性，需要在协议中添加一定的机制来避免一些节点出现始终无法接入信道，即饿死的现象。同时，还要保证在其他网络节点获取信道使用权限时，其他节点能够获知这一情况，避免同时发送信息造成数据碰撞，因此，需要通过在协议中加入控制命令来避免碰撞问题，当碰撞发生时通过分组重传尽量保证分组的成功传输。有些竞争类MAC协议并没有碰撞避免机制，如ALOHA协议和时隙ALOHA协议，分组碰撞的概率高，性能比较低下，而包括CSMA协议、MACA协议、IEEE802.11MAC协议、BTMA协议在内的其他MAC协议支持碰撞避免机制，降低了分组碰撞概率，在性能上都有一定的改善。竞争类MAC协议的优点是工作原理简单，采用异步通信模式，实现难度较小，在网络负载较低的情况下，分组冲突概率较小，信道利用率较高，分组传输时延较小。但随着网络规模的扩大，网络负载加重，分组的端到端时延明显提高，可能出现网络节点一直竞争信道而一直退避的饿死现象，甚至有可能全网瘫痪。因此竞争类MAC协议适用于小规模而不适用于大规模网络。2.1.2分配类MAC协议分配类MAC协议按照一定的规律分配信道使用权限，目前，大都使用时间片轮询的方式给网络中的所有节点分配信道。时隙安排算法将时隙分配给网络中的节点，每个节点预先知道接入信道的时间和占用信道的时间，能够根据网络规模合理的设置分组发送时间，降低分组碰撞概率，提高信道利用率。分配类MAC协议根据分组发送时间是否定长分为静态分配协议和动态分配协议。典型的分配类MAC协议包括时分多址访问协议（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、五步预留协议（Five-PhaseReservationProtocol，FPRR）和调频预留多址访问协议（HopReservationMultipleAccess，HRMA）等。分配类MAC协议设计的出发点是提供较高的信道利用率，时隙安排算法是预先设定的，与竞争类MAC协议相比，分组接入信道的碰撞概率降低，因此在大规模网络下仍有较高性能。但正是由于时隙安排算法是预先设定的，在小规模网络情况下，网络负载较轻，分组碰撞的概率本身要小很多，而网络节点仍然按照固定的时间片轮询机制，缺乏一定的灵活性，使分组延迟增大，性能较低。因此，分配类MAC协议适用于大规模组网。提供较高性能的代价是实现难度复杂，需要采用全网同步的方式分配时间片，用于实际组网的难度较大。2.1.3混合类MAC协议混合类MAC协议结合节点自行争用信道和固定分配信道的技术，既有在小规模组网下竞争类MAC的灵活性，又有在大规模组网中固定时间片轮询的优点，能够自适应网络规模。典型的混合类MAC协议是混合时分多址访问协议（HybridTimeDivisionMultipleAccess，HTDMA）。2.2基于信道数目的MAC协议 大量的针对不同应用场景的MAC协议已经被设计出来，由于应用场景和控制技术的复杂性，严格地将一种MAC协议归类为分配类、竞争类或混合类是非常困难的。为便于对现有协议进行研究分析，本文按照不同的信道使用数目对无线自组网MAC协议进行简单分类：单信道，双信道和多信道。2.2.1单信道MAC协议 在无线自组网发展的早期，由于硬件条件的限制，所有分组都只能在同一个信道上获得接入信道的机会。事实已经证明，单信道MAC协议已经不能满足无线自组网的高性能需求，但单信道MAC协议的一些优良技术仍然能够运用到多信道MAC协议研究中。（1）ALOHA协议 ALOHA协议以不计后果的方式争夺信道接入权。ALOHA协议的主要特性是当一个节点有发送分组的请求的需要的时候，不管信道处于什么状态都强制性的发送分组，缺乏必要的信道访问控制机制导致分组碰撞的概率非常大，而且需要附加某种形式的反馈机制来保证分组到达目的节点的可靠性，比如自动重传请求（AutomaticRepeatRequest，ARQ）。当一个节点在一定时间内发现其分组未到达目的节点时（即未收到分组到达的确认信息），该节点只是粗暴的重新发送未成功交付分组，网络吞吐量性能降低。 有上述分析可知，缺乏信道访问控制机制的ALOHA协议的信道利用路非常低。之后出现的时隙化ALOHA协议在对原协议作了一定改进，但并未从根本上解决问题。时隙化ALOHA协议将时间轴以时隙为单位划分，并通过规定每个节点只能在下一个时隙的开始时刻才能分组发送的机制降低了分组产生的随机性，比如，节点在某一时刻要发送分组，并不是将分组立即发送，而是等到该时刻所在时隙的下一个时隙才发送分组。与原协议相比，时隙ALOHA协议的这种离散时间片机制大大减少了分组冲突的可能性，减小了冲突危险区，提高了信道利用率，而且在吞吐量性能方面有较大提高。（2）载波侦听多址访问协议（CarrierSenseMultipleAccess，CSMA）[[][]张福益基丁-DSR的多径路由安全协议[学位论文I中国科学技术人学,合肥2005 CSMA是无线自组网常见的异步访问协议，通过载波侦听机制检测当前信道强度，以此判断信道的忙闲状态。网络节点在分组发送之前，首先检测信道强度并与信道强度阈值进行对比，如果当前信道强度大于信道强度阈值，表明当前信道处于忙碌状态，则根据不同的策略退避一段时间后重新检测信道，即所谓“先听后发”；如果当前信道强度小于信道强度阈值，则表明当前信道空闲，将获得信道使用权限并发送分组，即所谓“冲突不发”；在分组发送过程中也将持续检测信道，当信道状态为忙时立即停止分组发送，即所谓的“边听边发”。 由上可以看出，所谓“冲突不发”的模式仍然可能造成分组碰撞，比如，当信道被释放时，此时可能有多个节点在监听信道，这些节点都会检测到信道空闲，并发送分组，这事就会发生分组碰撞。针对这一情况，非持续CAMA协议通过减少检测信道的次数来提高性能，当第一次检测到信道忙碌时，不再持续的检测，而是等待一段时间后再次检测，并随着信道忙碌次数的增加，等待时间随指数增加，直到信道空闲为止。非持续CAMA能够在一定程度上提高信道利用率，但是会造成端到端时延的增大。持续参数p的CSMA协议是CSMA协议和非持续CSMA协议的折中，它将信道进行时隙划分，当信道空闲时，在当前时隙节点以概率p（0<p<1）发送分组，（1-p）的概率不发送，若分组在当前时隙未被成功交付，则在下一时隙持续过程，直到分组发送成功或信道变为忙状态为止，如果信道忙时，则强迫节点等待一段随机的时间后重新开始这个过程。 图2.SEQ图2.\*ARABIC1隐藏终端 CSMA协议无法解决隐藏终端和暴露终端问题，如图，节点B能够直接收到A、C的发送，但是节点A、C不能直接接收到对方的发送。假设A向B正在发送消息，同时节点C也向B发送消息，通过信道检测后，由于节点C无法得知A是否占用信道，所以C也向B发送消息，结果导致A、C发送的消息在B处发生碰撞，称节点A为节点C的隐藏终端，同理，节点C也是节点A的隐藏终端。隐藏终端问题增大了碰撞次数，从而降低了网络容量。图2.SEQ图2.\*ARABIC2暴露终端节点A、C在节点B的无线覆盖范围内，节点B、D在节点C的无线覆盖范围内，节点B、D均不在对方的无线覆盖范围内。假设B向A正在发送分组，而C正准备向D发送分组，通过信道检测，节点C发现节点B正在占用信道，于是将消息推迟发送。而实际上，节点C分组的发送不影响A接受B发送的分组，推迟发送分组时不必要的，此时称节点B为C的暴露终端，同理C也是B的暴露终端。暴露终端问题将会降低网络容量。（3）多址访问与碰撞回避协议（MultipleAccesswithCollisionAvoidance，MACA）MACA协议使用两种定长的控制分组进行两次握手从而减轻隐藏终端的干扰并减少暴露终端的个数。在发送分组前，发送节点先发送一个短的发送请求分组(RequesttoSend，RTS)，通知接收节点做好接受分组的准备，接收节点收到RTS后回复一个允许发送分组（CleartoSend，CTS），让其邻居节点能够检测到该控制分组，从而保证在接下来的分组传输过程中邻居节点不在发送分组，在一定程度上降低了隐藏终端和暴露终端的影响。MACAW协议是对MACA协议的改进，增加了两个新的控制分组ACK和DS，通过以下措施强化了MACA协议：在RTS控制分组发送之前，使用载波监听机制来降低RTS控制分组之间的碰撞概率，使用正确应答控制分组（ACK）来防止数据分组的丢失，若源节点未收到ACK控制分组，则进行重发。同时，源节点通过发送数据发送控制分组（DataSending，DS）来避免暴露终端节点才ACK分组即将发送的时候占用信道，降低了ACK分组碰撞的概率。MACAW协议进一步解决隐藏终端和暴露终端问题，相对于MACA协议性能上有了明显的改善。（4）IEEE802.11MAC协议IEEE802.11MAC协议分为分布式和集中式两种工作模式，适用于无线自组网的是分布式控制模式（DistributedCoordinationFunction，DCF），IEEE802.11DCF协议在融合载波侦听多址访问与碰撞回避（Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA）协议的基础上，提供了一种适用于无线局域网的解决方案。CAMA/CA协议是CSMA协议的改进。通过在CSMA协议中增加握手机制，进一步提升了CSMA协议的性能。该协议支持两种操作，第一种操作类似于前面介绍过的CSMA，发送站在发送前监听信道，信道忙则推迟发送直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即发送帧，但在发送的过程中并不检测冲突（因为可能无法检测），如果发生冲突，发送站使用二进制指数退避算法等待一段时间，然后再试。第二种操作基于MACAW，发送站向接收站发送一个RTS帧请求发送，接收站发送一个CTS帧表示同意发送，然后发送站可以发送一个帧，并启动一个ACK计时器，接收站正确接收后必须返回一个ACK帧进行确认，若发送站的ACK计时器超时，则发送站重发。收到RTS或CTS的站都用NAV信号通知自己的相关实体保持沉默，直至整个交换过程结束，保持沉默的时间可以根据RTS或CTS中给出的待发送帧或待接收帧的长度以及确认所需要的时间估算出来。由于继承了载波监听机制、信道预约机制和确认重传机制，IEEE802.11MAC协议相比其他单信道MAC协议，在网络整体性能方面有了很大提高。但并没有彻底解决隐藏终端问题，同时由于导致更多节点不够发送，在一定程度上加重了暴露终端问题。2.2.2双信道MAC协议 单信道MAC协议存在先天不足：由于只采用一个信道，有限的信道容量成为制约MAC协议性能的瓶颈。研究表明，由于单信道MAC协议信道数目的限制，存在先天的缺陷，无论设计的多巧妙都无法彻底解决隐藏终端和暴露终端的问题。（1）忙音多址访问协议（BTMA） 忙音多址访问协议（Busy-ToneMultipleAccess，BTMA）的主要思想是：在信道上有数据传输时，使用忙音信号来标志数据信道信道繁忙，忙音信号使用单独从整个带宽划分出的控制信道，并使用单独的数据信道进行数据通信。控制信道和数据信道之间相互独立，忙信信号相比于数据对带宽的要求要小很多，因此数据信道将占用绝大部分带宽，而控制信道仅占用很少的带宽。BTMA协议的分组发送流程如下。 1.源节点有分组要发送的时候，首先检测控制信道上是否有忙音信号。2.若未检测到忙音信号，则表明当前数据信道上没有数据传输，数据信道空闲，就可以在数据信道上进行分组发送3.否则，分组暂时不会被发送，并在未来指定时刻重新检测忙音信号，直到数据信道上的发送动作停止为止。任何节点检测到数据信道上的发送动作就立即开始往控制信道上发送忙音信号。 BTMA协议防止源节点两跳远以外的所有节点访问数据信道，这样较大程度的减轻了隐藏节点干扰，降低了碰撞概率。但是，暴露节点的增加确实很明显，其结果是数据信道的利用率严重不足。（2）双盲音多址访问协议（DBTMA） 双盲音多址访问协议（DBTMA）是对BAMA协议的改进，在BAMA协议采用一个忙音信号保护数据信息的基础上，增加了一个忙音信号用于保护初始化信道请求的RTS分组。在DBTMA协议中，前者称为接受忙音，由接收方设置，后者称为发送忙音，由发送方设置。 由于使用了RTS分组和由接收节点设置的接收盲音，DBTMA协议降低了隐藏终端的影响，减少了暴露终端的个数，但由于采用两个忙音信号，导致控制复杂，控制开销大，而且数据信道和控制信道的引入分割了信道带宽，会引起较大的控制时延时延，因此网络的实时性较差，吞吐量提升十分有限。2.2.3多信道MAC协议（1）多信道CSMA协议多信道CSMA协议通过准信道预留技术实现的。在载波监听机制的基础上，通过全网同步方式对信道进行预先分配，即节点记录上次使用的信道信息，在下一次数据传输中优先选择上次使用的信道。但在实际应用中，但由于硬件条件有限和无线自组网网络拓扑的动态可变，实现全网同步非常困难。实验结果表明，多信道CSMA协议对提高网络性能有明显的优势，随着信道数目的增加，系统吞吐量明显提高[[]多跳adhoc网络多信道MAC协议功率控制机制研究[]多跳adhoc网络多信道MAC协议功率控制机制研究[学位论文]南京航空航天人学,南京2009（2）动态分配协议多信道MAC协议（(DynamicchannelAssignment，DCA），在动态分配MAC协议中，每个节点配备两个收发器，一个收发器专用于通过RTS/CTS握手机制完成信道预约，另一个收发器用于在多个数据信道反复切换，完成数据信息的传输，并通过ACK控制完成对数据分组的确认。网络中每个采用DCA的节点都要保存两个数组：信道使用状况列表CUL[i]（ChannelUsageList）和空闲信道列表FCL（空闲信道列表），并在信道预约的过程中，通过交互空闲列表信息的方式，与节点自身的信道使用状况列表比对，来完成对数据信道的选取。节点在收到任何控制分组信息时都会实时的更新自身的信道使用列表和空闲信道列表。通过实现动态信道分配，实验显示DCA协议能够显著提高多信道无线自组网的吞吐量[[]ShihLinWu,[]ShihLinWu,Chih-YuLin,Yu-CheeTseng,Jang-LaingSheu.Anewmulti-channelMACprotocolwithondemandchannelassignmeniformulti-hopmobileadhocnetworks.Proc.ofIniemationalSympoisiumonParallelArchitectures,AlgorithmsandNetworks(I-SRAN),Dec.2000,232一237.（3）多信道MAC协议多信道MAC协议(Multi-ChannelMAC，MMAC)是无专用控制信道。采用混合分配信道策略的多信道MAC协议。在MM[AC协议中，网络划分为N个信道，即传输控制信道又传输数据，且每个节点只需一个半双工收发器，在各个信道上切换进行通信。协议采用了类似于IEEE802.11协议PSM机制，将时间轴划分为固定长度的信标间隔(BeaconInterval)，全网节点在时间上保持同步，每个信标间隔开始时，所有节点切换到一个预先定义的公共信道上进行信道协商过程。协商完毕各自切换到所需信道(含公共信道)进行数据传输。为了实现信道动态分配，每个节点维持一张PCL(PreferableChannelList)表，用于记录节点通信范围内所有信道的使用情况，基于PCL信息,信道分成三个状态：优先(HIGH))表示此信道在当前的信标内正在被节点使用，如果信道在这个状态，则节点在下一次传输的时候，优先选取这个信道作为数据信道，减小因信道切换带来的延迟。中优先(MID)，表示此信道在节点传输范围内还没有被使用。低优先(LOW)，表示此信道己被至少一个邻节点选取。节点初始化时，PCL表中所有的信道都置为MID状态，如果在源端与目的端协商好一个信道，则双方将PCL表中相应的信道标识为HIGH状态。另外，MMAC还会记录当前信标间隔中LOW状态信道被选择的次数,在信道协商时会参考该计数值，在一定程度上起到了负载均衡的作用。MMAC多信道MAC协议采用一个收发器和无专用控制信道的方式，成本更低且信道利用率较高[[]JungminSo,NitinVaidya,Multi-ChannelMACforAdHocNetworks:HandlingMulti-ChannelHidden.TernlinalsUsingASingleTranseeiver,MobiHoc,04,May2004.[]JungminSo,NitinVaidya,Multi-ChannelMACforAdHocNetworks:HandlingMulti-ChannelHidden.TernlinalsUsingASingleTranseeiver,MobiHoc,04,May2004.（4）PCAM协议PCAM协议每个节点配置三个半双工收发器，分别称为主收发器、第二收发器和第三收发器。其中主收发器和第二收发器用于进行数据传输，第三收发器用于广播消息的传输(特殊情况下也可用于数据传输)，但由于每个节点都需要多个半双工收发器，对硬件平台配置的要求较高，成本较高；且单独用一个收发器用于广播信息的发送，解决了多信道隐藏终端，但信道利用率不高[[]PathmasuntharamJ.S,DasA.,GuPtaA.K.”PrimarychannelassignlnentbasedMAC(PCAM)-amulti-channelMACprotocolformulti-hopnetwork”.Wireless,communicationsandNetworkingConference(WCNC).VOI.2,1110[]PathmasuntharamJ.S,DasA.,GuPtaA.K.”PrimarychannelassignlnentbasedMAC(PCAM)-amulti-channelMACprotocolformulti-hopnetwork”.Wireless,communicationsandNetworkingConference(WCNC).VOI.2,1110-1115.March2004.通过上述分析，可以看出，在无线自组网中，多信道MAC协议相对于单信道MAC协议在性能方面有明显的优势。但现今的多信道MAC协议仍然存在以下问题：1.协议控制复杂，控制开销大，在一定程度上影响了网络吞吐量。2.对终端的配置和性能都提出了较高的要求，实际用于无线自组网的难度较大，可移植性较差。此外，多信道MAC协议的独有的多信道隐藏终端的问题并未得到很好的解决。2.3本章小结无线自组网是一种无中心控制节点的多跳、对等、自愈的无线网络，被广泛应用于人们的生产生活中，其中，媒体接入控制协议（MAC）的性能很大程度上影响无线网络的组网性能，而多信道MAC协议已经成为学者研究的焦点。本章对现有的无线自组网MAC协议进行了描述、分析和总结，比较了现有无线自组网MAC协议各自的优缺点，并指出了多信道MAC协议需要解决的主要问题，包括信道利用率、吞吐量和分组传输时延等。20162016第三章无线自组网CN-MMAC协议本文在深入研究现有MAC协议的基础上，设计并实现了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(,Multi-channelMACProtocolbasedonChannelNegotiation,CN-MMAC)，协议的主要思想是：控制信道与数据信道分离，每个节点维护一个信道使用列表，节点在控制信道上通过握手信号和广播消息完成信道预约，在预约成功的数据信道上完成分组传输。3.1CN-MMAC协议的关键技术 针对无线自组网单信道MAC协议在网络规模大时吞吐量迅速降低的问题，研究人员相继提出了基于多信道的MAC协议，现今存在的多信道MAC协议各有特点，分别从不同方面改进单信道协议。在多信道的使用方式方面大都使用一个专用控制信道和多个数据信道相互协作进行通信，控制信道只用来传输控制信息，数据信道只用来传输数据信息，各司其职。采用多信道模式，使得节点能够在不同的信道之间切换，这种并行通信的方式在一定程度上改善了MAC协议的性能，但是同样会带来一些负面效应，如何合理的分配信道是单信道MAC协议不曾遇到的问题，如何在合理分配信道的基础上尽可能的减少控制信息的交互、降低控制开销，如何降低多信道MAC协议中独有的多信道隐藏终端的影响，这些问题都成为限制多信道MAC协议性能的关键所在。因此，设计高效的多信道MAC协议还面临诸多技术难题。3.1.1多信道隐藏终端问题隐藏终端问题是在以CSMA/CA协议为基础的多信道MAC协议中不可避免的问题。使用RTS/CTS握手机制的信道预约方式，使得通信双方能够使用相同的数据信道进行通信，但是这样单纯的握手机制，可能会导致所谓的局部盲听：通信双方在数据信道上进行通信时，对控制信道信息的不可见性。比如：一对节点使用1号数据信道进行通信，另一对节点使用2号数据信道进行通信，双方并不知道对方的信道占用情况，此时，如果前一对节点通信完成后再使用2号数据信道就有可能造成分组冲突，分组碰撞概率增大，造成不必要的丢包。由此可以看出，无线自组网中采用单纯的RTS/CTS握手机制的多信道MAC仍然存在隐藏终端问题。因此，在设计多信道MAC协议时，必须设计合理的信道预约方案来进一步解决隐藏终端问题。通过以上分析发现，相邻节点的信道占用情况的不可见性是造成多信道隐藏终端问题的根本原因，本文通过对RTS/CTS握手机制进行改进，加入确认发送分组（Response，RES），RES分组由源节点广播到其无线覆盖范围的所有邻居节点，其中包含本节点占用数据信道的情况，收到RES分组的其他节点则根据其信息修改自身的信道使用列表，这样的方式使得相邻节点的信道占用情况不可见性降低，减弱了局部盲听效应，仿真实验表明，增加RES广播分组能够改善MAC协议的性能，进一步解决了多信道隐藏终端问题。下图描述了每个节点维护的信道使用列表结构。 图3.SEQ图3.\*ARABIC1信道使用列表结构每个节点都将保存一个信道使用列表CUL，该表中记录了本节点和其周围节点的信道使用信息。其中，i表示CUL表的记录号，host、ch和NAV项分别表示占用信道的节点地址、占用的数据信道号和将占用该数据信道的持续时间。每个节点在收到控制分组信息时都会更新自己的信道使用列表。3.1.2控制开销问题 传统多信道MAC协议信道分配时每个节点都要维护信道使用列表和空闲信道列表，并通过传送整个包含空闲信道信息的列表来进行信道预约，当控制信道繁忙时，在控制信道上需要传输的控制消息较多，控制开销突增，在一定程度上造成了控制信道拥塞问题。在本文设计CN-MMAC协议中，使用信道号二进制编码，计算得到FCCS值，与空闲信道号唯一对应。实验表明，采用信道号二进制编码，极大减小了控制分组长度，降低了控制开销和时延，提高了吞吐量。FCCS值的计算方法如表3.1。空闲信道号组合信道号编码和FCCS1（00000001）11,2（00000011）31,2,3（00000111）71,2,4（00001011）11表格SEQ表格\*ARABIC1FCCS计算3.1.3信道分配问题 在多信道网络中，在控制分组发送时，周围节点可能工作在不同的信道接收数据分组，从而造成了控制分组的丢失，使得无法完成信道预约且形成稳定的网络拓扑。本文通过设置一个专用公共控制信道负责信道预约的完成和广播消息的交互，从而保证了控制分组的有效性。 专用控制信道协议能更有效的进行节点间控制消息的交换，因而信道分配效率更高且实现相对简单。在本协议中，当可用数据信道总数目较少，因此网络的控制分组开销相应较小，为了提高信道的利用率，如果所有数据信道均被占用时并不直接进行退避,而是选择控制信道发送数据，只有当控制信道也处于占用状态时，才等待一段时间重新发送“请求发送RTS”分组。实验表明，这种方式下，网络吞吐量和信道利用率均有一定改善。3.2CN-MMAC协议设计3.2.1协议总体设计思想图3.SEQ图3.\*ARABIC2CN-MMAC协议分组转发流程图 3.2.2协议总流程图3.SEQ图3.\*ARABIC3CN-MMAC协议流程 3.2.3帧格式说明（1）RTS控制帧格式帧类型目的地址源地址帧长度FCCS值FCS表格SEQ表格\*ARABIC2RTS帧格式RTS帧定义有5个字节，帧类型FrameType占4位，RTS帧帧类型为0000；FCCS值即为通过新到使用列表计算得到的空闲信道组合，占4位，每个频点对应一个频率，可以通过查表得到；我们给每个通信节点分配一个MAC地址，目的地址ReceiveAddress为这次通信的接收节点的MAC；源地址TransmitterAddress为这次通信的发送节点的MAC；数据长度DataLength为这次通信的数据的长度，以字节为单位；FCS为帧校验序列，用来检查所收到帧的完整性，使用CRC8进行校验。（2）CTS控制帧格式帧类型目的地址源地址数据长度FCSCC表格SEQ表格\*ARABIC3CTS帧格式CTS帧定义为3个字节。帧类型Frame_Type占4位，CTS帧帧类型为0001；为通过接收到的RTS帧中的FCCS值与自身维护的信道使用列表对比所选择的数据信道；目的地址Receive_Address为RTS帧的源地址Transmitter_Address；FCS为帧校验序列,CC为空闲数据信道数为0时，使用控制信道传输数据的标志位。（3）DATA数据帧格式帧类型目的地址源地址数据FCS表格SEQ表格\*ARABIC4DATA帧格式DATA帧定义为4+x帧，x为数据长度。帧类型Frame_Type占4位，DATA帧帧类型为0010；频点Frequency即将要进行通信的数据信道的频率，占4位，每个频点对应一个频率，可以通过查表得到；目的地址Receive_Address为这次通信的接收节点的MAC；源地址Transmitter_Address为这次通信的发送节点的MAC；数据DATA为通信传输的数据，上层的IP数据包；FCS为帧校验序列。（4）ACK控制帧格式帧类型目的地址FCS表格SEQ表格\*ARABIC5ACK帧格式ACK帧定义为3个字节。帧类型Frame_Type占4位，ACK帧帧类型为0011；目的地址Receive_Address为RTS帧的源地址Transmitter_Address；FCS为帧校验序列。（5）RES帧格式帧类型目的地址源地址CC表格SEQ表格\*ARABIC6RES帧格式RES帧定义为3个字节。帧类型FrameType占4位，ACK帧帧类型为0011；目的地址Receive_Address为0，标志广播地址；FCS为帧校验序列。3.2.4信道预约图3.SEQ图3.\*ARABIC4信道预约流程可用数据信道数不为0的情况，即FCCS不等于0.（1）当节点A向节点B发送分组前，节点A在控制信道上向节点B发送RTS。（2）节点B收到RTS后检查A、B之间是否有匹配的空闲信道，即FCCS(A)与FCCS(B)存在交集。当非接收节点收到RTS分组，则在控制信道上执行退避算法。（3）若满足，则节点B选择一个空闲数据信道Dj，并返回CTS（包含选择的数据信道信息），之后切换到数据信道上，准备接受数据。若不满足，则返回CTS（包含节点B出现空闲数据信道的最小估计时间）。（4）节点A收到节点B的CTS之后，在控制信道上发送RES分组，并切换到数据信道上发送数据分组DATA。非发送节点收到CTS后，更新本节点的信道使用列表。（5）节点B收到节点A的DATA后，回复ACK确认。（6）节点A收到节点B的ACK后，一次分组传输结束。可用数据信道为0的信道预约流程，及FCCS=0。（1）当节点A向节点B发送分组，同时FCCS[A]=0，检查控制信道是否空闲，若是，节点A发送RTS（包含使用控制信道进行数据传输的标志）。（2）节点B收到RTS后，回复CTS（包含使用控制信道进行数据传输的标志）。非接收节点收到RTS后，在控制信道是执行退避算法并更新信道使用列表。（3）节点A收到B的RTS后，广播RES（包含使用控制信道进行数据传输的标识），并在控制信道上发送数据。非发送节点收到CTS后，执行退避算法并更新信道使用列表。（4）非接受节点收到RES后，执行退避算法并更新信道使用列表。（5）节点B收到DATA后，回复ACK。（6）节点A收到ACK后，一次数组分组传输结束。3.3CN-MMAC协议在硬件平台上的实现 本文将设计好的CN-MMAC协议移植到特定的硬件平台上，选用低功耗、体积小的STM32微控制器作为主控芯片，选用Si4463芯片作为无线模块，并配合其他辅助设备，完成对网络节点的设计，并运用到实际组网中。下图为网络节点的组成架构图。图3.SEQ图3.\*ARABIC5网络节点组成架构3.3.1硬件平台介绍（1）无线模块介绍，图3-6为无线模块Si4463的性能指标图3.SEQ图3.\*ARABIC6Si4463的性能指标 Si4463是SiliconLaboratories公司设计生产的，频段的覆盖范围从119MHz到1050MHz，是一款高性能、低功耗的无线收发器。Si4463是EZRadioPRO系列的一部分，这一系列包含了完整的无线模块产品线，包括覆盖了不同频段范围的无线发送器、无线接收器及无线收发器。Si4463无线模块的接收灵敏度能够达到-126dBm，具有出色的抗干扰性，同时能够支持较低的工作电流消耗和极低的待机电流消耗。同时，对于窄带频段和被授权的频段，Si4463具有良好的相位噪声、阻塞和灵敏度性能，在苛刻的射频环境中，提供60dB的邻间信道选择比和12.5Hz的信道间隔，以确保稳定的接收工作，这一特性是窄带通信中极为重要的性能指标。Si4463提供具有行业领先水平的高达20dB的发送功率，极大的提高了发