無線自組網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議分析及研究

摘要：無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)多以突發(fā)業(yè)務(wù)為主，因此信道資源分配適用于采用競(jìng)爭(zhēng)方式。本文在對(duì)無線自組網(wǎng)各種典型競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議進(jìn)行分析及探討的基礎(chǔ)上，采用Opnet仿真建模環(huán)境，創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)分析模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各協(xié)議的性能優(yōu)劣進(jìn)行了比較總結(jié)。論文對(duì)無線自組網(wǎng)各協(xié)議仿真建模研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實(shí)際參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無線自組網(wǎng)；MAC；競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議；OPNET

    無線自組網(wǎng)是一種沒有任何中心實(shí)體的，由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成的自治性網(wǎng)絡(luò)。依靠節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作可在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)以及各種移動(dòng)、復(fù)雜多變的無線環(huán)境中自行成網(wǎng)，并借助多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來彌補(bǔ)無線設(shè)備的有限傳輸距離，從而拓寬網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍，為用戶提供各種服務(wù)、傳輸各種業(yè)務(wù)。在現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)上，如數(shù)字化與自動(dòng)化戰(zhàn)場(chǎng)、各種軍事車輛、士兵之間的協(xié)同通信、發(fā)生地震等自然災(zāi)害后、搜救與營(yíng)救以及移動(dòng)辦公、虛擬教室、傳感器網(wǎng)絡(luò)等通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其中MAC協(xié)議是無線自組網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)，控制著節(jié)點(diǎn)對(duì)無線媒體的占用，對(duì)自組織網(wǎng)的整體性能起著決定性的作用。從自組織網(wǎng)出現(xiàn)至今，MAC協(xié)議設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)。目前，移動(dòng)自組織網(wǎng)采用的信道訪問控制協(xié)議大致包括3類：競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議、分配協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議(混合類協(xié)議)。這3種協(xié)議的區(qū)別在于各自的信道接入策略不同。由于MAC協(xié)議的研究主要集中在基于競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制，本文著重針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議中幾種較常用的典型MAC協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，并在OPNET仿真建模軟件中創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)模型，這對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)仿真研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的概念及特點(diǎn)
    競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議是使用直接競(jìng)爭(zhēng)來決定信道訪問權(quán)，并且通過隨機(jī)重傳來解決碰撞問題。ALOHA協(xié)議和載波偵聽多址訪問CSMA協(xié)議就是競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的典型例子。除了時(shí)隙化的ALOHA協(xié)議，大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議都使用異步通信模式。這種協(xié)議在低傳輸負(fù)荷下運(yùn)行良好，如碰撞次數(shù)少，信道利用率高、分組傳輸時(shí)延小。隨著傳輸負(fù)荷的增大，往往使協(xié)議性能下降、碰撞次數(shù)增多。在傳輸負(fù)荷很重的時(shí)候，競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議可能隨著信道利用率下降而變得不穩(wěn)定。這就可能導(dǎo)致分組傳輸時(shí)延呈指數(shù)形式增大，以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的崩潰。這就對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。當(dāng)前無線自組網(wǎng)中MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨如下幾個(gè)問題。
1．1 隱藏終端和暴露終端
    無線自組網(wǎng)的無線信道是一個(gè)共享的廣播信道，但它不是一跳共享的，而是多跳的共享信道。此外，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，因此報(bào)文沖突與節(jié)點(diǎn)所處位置有關(guān)，結(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延不可忽略，帶來隱藏終端和暴露終端的問題。
1．1．1 隱藏終端
    隱終端問題指在接收結(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送結(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)。隱藏終端因聽不到發(fā)送結(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能向同樣的接收結(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，造成報(bào)文在接收結(jié)點(diǎn)處沖突(如圖1(a))沖突后發(fā)送結(jié)點(diǎn)要重傳沖突的報(bào)文，從而降低了信道利用率。圖1(a)中當(dāng)結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送報(bào)文時(shí)，結(jié)點(diǎn)C處在結(jié)點(diǎn)A的覆蓋范圍之外而處在B的覆蓋范圍之內(nèi)，因而成了隱藏終端。

1．1．2 暴露終端
    暴露終端是指在發(fā)送結(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之內(nèi)而在接收結(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)，暴露終端因聽到發(fā)送結(jié)點(diǎn)的發(fā)送而延遲發(fā)送(如圖1(b)所示)，但因?yàn)樗诮邮战Y(jié)點(diǎn)的通信范圍之外，它的發(fā)送實(shí)際上并不會(huì)造成沖突。
    因此必須想辦法避免這兩種終端帶來的沖突，盡可能提高吞吐率，減小時(shí)延。
1．2 信道使用的公平性
    在無線自組網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題是設(shè)計(jì)公平高效的MAC訪問協(xié)議。所謂公平，是指競(jìng)爭(zhēng)無線信道的節(jié)點(diǎn)能公平共享無線信道的帶寬；所謂高效，是要盡量選用合適的退避算法，保證競(jìng)爭(zhēng)用戶使用信道的公平性。由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)共享信道，不可避免要采取退避手段解決競(jìng)爭(zhēng)問題。所采用的退避算法既要盡量降低各節(jié)點(diǎn)間的沖突概率，又要避免因退避時(shí)間過長(zhǎng)而降低信道利用率，同時(shí)還要保證各節(jié)點(diǎn)能公平地訪問信道。
1．3 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響
    由于無線自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能夠自由移動(dòng)，這就造成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷變化，這也會(huì)對(duì)Adhoc網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制協(xié)議帶來一定的影響。當(dāng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)正在通信時(shí)，因?yàn)橐苿?dòng)而進(jìn)入接收節(jié)點(diǎn)通信范圍的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)送(或正在發(fā)送)數(shù)據(jù)而引起分組沖突，這被稱為入侵終端問題。實(shí)際上結(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)信道接入?yún)f(xié)議的影響是較小的。

2 幾種典型的競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議
    為了避免隱藏終端和暴露終端問題以及信道使用公平性等問題，在無線自組網(wǎng)領(lǐng)域已提出了很多較為高效的MAC協(xié)議，典型的如：MACA，MACAW，802．11MAC，F(xiàn)AMA協(xié)議。本文將對(duì)以上幾種協(xié)議進(jìn)行協(xié)議分析及比較。
2．1 多址訪問與碰撞回避(MACA)協(xié)議
    MACA協(xié)議使用控制分組握手診斷來減輕隱藏終端干擾和使暴露終端個(gè)數(shù)最少。MACA協(xié)議采用兩種固定長(zhǎng)度的短分組，即請(qǐng)求發(fā)送(RTS)和允許發(fā)送(CTS)。節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)B時(shí)，首先向B發(fā)送一個(gè)RTS分組，RTS分組包括發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。節(jié)點(diǎn)B收到RTS分組，并且當(dāng)前不在退避中，則立即應(yīng)答CTS分組，CTS分組也包含發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。節(jié)點(diǎn)A收到CTS分組后，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。旁聽到RTS分組的任何節(jié)點(diǎn)則推遲其發(fā)送，直到有關(guān)CTS分組發(fā)送完為止。旁聽到CTS分組的任何節(jié)點(diǎn)推遲其發(fā)送，推遲時(shí)間長(zhǎng)度等于預(yù)定數(shù)據(jù)發(fā)送所需時(shí)間。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到相應(yīng)的CTS幀，它將認(rèn)為由于沖突RTS幀已經(jīng)遭到破壞，隨后執(zhí)行一個(gè)二進(jìn)制指數(shù)退避算法BEB，延遲重發(fā)RTS幀。MACA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是提高了信道的利用率，降低了數(shù)據(jù)幀發(fā)生沖突的概率，通過采用RTS／CTS機(jī)制，協(xié)議解決了隱藏終端問題，但暴露終端問題并沒有解決。而且MACA協(xié)議不能避免控制幀之間的沖突，同時(shí)使用BEB退避算法將會(huì)引發(fā)公平性問題。
2．2 MACAW
    MACAW是對(duì)MACA的改進(jìn)，它采取以下措施：1)用載波偵聽來避免RTS控制分組之間的碰撞，使用正確應(yīng)答ACK分組來輔助丟失分組的迅速恢復(fù)。報(bào)文的交互順序?yàn)镽TS—CTS—DS—DATA—ACK。2)為防止正確應(yīng)答ACK分組的碰撞，原節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送(DS)分組來提醒暴露終端正確應(yīng)答ACK分組即將發(fā)送。ACK和DS控制幀的使用，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃??？刂茙珹CK作為鏈路層確認(rèn)幀，它的使用能夠增加傳輸層的吞吐率。3)采用MILD(倍數(shù)遞增線性遞減)退避算法取代BEB退避算法。雖然MILD算法不能完全消除不公平現(xiàn)象，但它要比BEB算法公平的多。但是它仍然不能避免控制幀的沖突。MACAW的改進(jìn)實(shí)際上是以增加協(xié)議開銷為代價(jià)的，同時(shí)只是部分解決了隱藏終端和暴露終端問題。
2．3 IEEE 802．11MAC協(xié)議
    IEEE802．11MAC是以CSMA／CA為基礎(chǔ)，具有分布式協(xié)調(diào)功能的MAC協(xié)議。該協(xié)議包括載波檢測(cè)(CS)機(jī)制、幀間間隔(IFS)和隨機(jī)退避(ra-ndom back-off)規(guī)程。站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照CSMA／CA的訪問方式接入信道，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先監(jiān)聽信道的忙閑，如果空閑則可以進(jìn)行發(fā)送處理，但不是馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而是由CSMA／CA分布算法，控制各種數(shù)據(jù)幀相應(yīng)的時(shí)間間隔(IFS)，只有當(dāng)信道空閑的時(shí)間長(zhǎng)度大于規(guī)定的幀間間隔IFS時(shí)，結(jié)點(diǎn)才會(huì)認(rèn)為信道空閑，開始發(fā)送。如檢測(cè)到媒體正在傳送數(shù)據(jù)，則該節(jié)點(diǎn)將推遲競(jìng)爭(zhēng)信道，一直延遲到現(xiàn)行的傳輸結(jié)束為止。在延遲之后，該終端要經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間重新競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)。IEEE802．11MAC仍使用的是RTS／CTS握手機(jī)制，碰撞仍然會(huì)發(fā)生并且未解決隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)問題，同時(shí)采用的二進(jìn)制指數(shù)退避算法容易帶來信道的公平性問題。
2．4 FAMA
    FAMA是一個(gè)描述一類無線信道接入?yún)f(xié)議的框架，這類協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要先使用控制報(bào)文預(yù)約信道，該協(xié)議允許一次RTS—CTS成功握手連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，以此來提高信道的利用率。其中FAMA—NCS可被用于無線自組網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)AMA—NCS采用了載波監(jiān)聽機(jī)制，并通過CTS控制報(bào)文的長(zhǎng)度，避免了隱發(fā)送終端的影響。

3 OPNET平臺(tái)下各協(xié)議進(jìn)程模型的構(gòu)建
    對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究中，協(xié)議狀態(tài)模型的建立是仿真分析的基礎(chǔ)和前提，本文利用Opnet仿真建模軟件，創(chuàng)建出了上述各協(xié)議的狀態(tài)分析模型。
3．1 Opnet建模環(huán)境
    實(shí)驗(yàn)選用opnet網(wǎng)絡(luò)仿真建模軟件來構(gòu)建上述各無線MAC協(xié)議的狀態(tài)模型。OPNET軟件是美國(guó)MIL3公司推出的專門用于對(duì)通信網(wǎng)進(jìn)行仿真的軟件包，它可以提供大型通信網(wǎng)絡(luò)和分布系統(tǒng)的仿真建模環(huán)境，可以利用離散事件仿真技術(shù)來分析已建模系統(tǒng)的性能和行為。OPNET建模分為網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型、進(jìn)程模型三個(gè)層次。網(wǎng)絡(luò)模型是最高層次的模型，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路組成，由該層模型可直接建立起仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)點(diǎn)模型由各種協(xié)議模塊和連接協(xié)議模塊的各種連接方式組成，如物理接口模塊、MAC模塊、IP模塊、路由模塊等。在結(jié)構(gòu)上每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程模型，而進(jìn)程模型由有限狀態(tài)機(jī)來描述，并采用C語言編程實(shí)現(xiàn)。
3．2 各協(xié)議進(jìn)程模型的構(gòu)建
    在Opnet中，是由具體的進(jìn)程模型來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)模型的功能。每個(gè)進(jìn)程模型是一個(gè)由c代碼實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)。本文對(duì)以上4種協(xié)議進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)構(gòu)建出各自的有限狀態(tài)機(jī)模型如下：
    1)MACA協(xié)議進(jìn)程模型狀態(tài)分析如圖2所示。

    2)MACAW協(xié)議進(jìn)程模型狀態(tài)分析如圖3所示。
    3)IEEE 802．11 DCF協(xié)議進(jìn)程模型狀態(tài)分析如圖4所示。

    4)FAMA—NCS協(xié)議進(jìn)程模型狀態(tài)分析如圖5所示。

4 幾種協(xié)議的性能比較
    根據(jù)3．2中狀態(tài)圖描述，幾種協(xié)議的性能比較如表1所示。

5 結(jié)束語
    無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其中存在大量的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)多以突發(fā)業(yè)務(wù)為主，使得信道資源分配不適合采用固定的方式。對(duì)此，MAC協(xié)議的研究主要集中在基于競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制。如何在解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)公平接入共享信道的基礎(chǔ)上盡量提高信道利用率，已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。文中所介紹的幾種信道接入?yún)f(xié)議，在某種程度上解決了信道接入問題，但都存在一定的局限性。因此，當(dāng)前的MAC協(xié)議還存在著許多亟待解決的問題，需要進(jìn)一步地深入研究。