2022年移动Adhoc网络中MAC协议分析及研究 .pdf

http:/ - 1 - 移动 Ad hoc 网络中 MAC 协议分析及研究1赵 磊，刘皓明，顾燕河海大学电气学院，南京 (210098) E-mail：zhao_摘要：本文介绍了移动Ad hoc 网络的 MAC （媒质访问控制）协议，分析了协议研究所面临的问题， 引出了由于节点感知信道状况的不同而导致的隐藏终端和暴露终端问题，它严重影响了媒质接入协议的性能，影响了网络的吞吐量和信道的利用率和公平性。本文详细地对这一问题进行了分析，并讨论了基于单信道的握手机制、基于双/多信道的握手机制、基于忙音检测法、基于空分多址法以及基于轮询法，最后提出了在采用功率控制机制的基础上，结合多信道技术的解决方法，这样， 不但减少了节点的功率消耗，同时也有效解决了隐藏终端和暴露终端所带来的干扰，有利于提高网络吞吐量。关键词 ：移动 Ad hoc 网络； MAC ；隐藏终端；暴露终端中图分类号 :TN915.041. 引言移动 Ad hoc 网络是由一组静止或移动的节点组成的，一种不依赖于现有的网络基础设施和采用分布式管理的自组织网络，可以提供有效的数据和多媒体通信服务。在移动 Ad hoc网络中，媒质（即无线信道）是一种共享和稀缺的资源，有效而且公平地控制无线节点的信道接入成为一个相当复杂的任务。因此，人们付出了大量的努力，研究针对MAC 协议的改进方案， MAC 协议主要解决如何在相互竞争的用户之间分配无线信道，即无线节点如何接入无线信道来发射数据帧的问题1。由于无线网络是开放式信道，使得发送节点与接收节点感知的信道状况可能不同，从而带来隐藏终端和暴露终端问题，媒质访问控制机制必须设法解决这些问题，从而具有尽可能小的时延，尽可能高的网络吞吐量。2. MAC协议研究所面临的问题与单跳的蜂窝网络不同，移动 Ad hoc 网络中 MAC 协议的设计面临新的问题2： 1） MAC协议相关的无线接收问题；2）无线带宽资源有限；3）能量有限； 4）多跳共享信道对MAC协议的影响； 由于无线信道是多跳共享的广播信道，带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关， 而报文冲突只是局部事件，并非所有节点都能感知，这使得发送节点和接收节点感知到的信道状况不尽相同，会带来隐藏终端和暴露终端等一系列的问题。5）存在单向信道；多数MAC 协议认为底层的通信信道是双向的，但是由于发射功率或地理位置等因素，可能存在单向信道，会对协议的性能带来严重影响。6)QoS 很难保证； MAC 层的 QoS主要是解决实时性要求很高的业务快速获得信道使用权和避免过大的时延抖动的问题，但由于移动 Ad hoc 网络的固有特性，使得很难满足一定的QoS 保证，这也是需要考虑的问题。3. 隐藏终端和暴露终端问题隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围之外的节点，暴露终端是指在发送结点覆盖范围之内而在接收节点覆盖范围之外的节点。如图 (1)，节点 A 和 C 同时位于节点B 的覆盖范围之内，而A 和 C 彼此并不相互覆盖。1本课题受到河海大学自然科学基金（2008429011）资助。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - http:/ - 2 - 这样，当节点A 向 B 发送数据帧的时候，节点C 由于侦听不到A 的载波，它会认为介质空闲而接入信道。这就会造成节点B 接收 A 的数据帧被冲突，使得CSMA 机制失效，信道吞吐量严重下降，这就是隐藏终端问题。图(1) 隐藏终端问题图(2) 暴露终端问题如图 (2)所示，节点A 和 B 使用 RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制进行通信，这时整个区域可分为四部分。由固有的限制可知：区域II、III 中的节点由于在节点B 的覆盖范围内，在 B 接收数据的同时不能发送数据；而区域I、II 中的节点也不能在A 发送数据的同时接收数据。这样，就存在两种类别的暴露终端：1)区域 III 的节点 (如 C)只被限制不能发送，而可以从区域IV 的 D 节点接收数据，但由于侦听到CTS 帧而不会被允许发送任何信息，即使收到一个RTS 帧也无法回应CTS 帧来建立通信。 2)区域 I 中的节点 (如 E)只被限制不能接收，而可以向区域IV 的 F 节点发送数据，但由于CSMA 机制要求侦听到RTS 控制帧的节点停止通信活动，从而导致本来可以进行的并行通信被抑制，这就是暴露终端问题。4. 解决方法分析与归纳隐藏终端和暴露终端问题并不是任何时候都会产生的，它们是相对的问题3。解决这一问题的方法有多种，初步归纳如下：1) 基于单信道的握手机制在单信道条件下， 收发双方通过发送短小的控制帧进行握手来建立连接，其它听到回应握手信号的节点必须延迟发送，然后保证数据帧无冲突的被成功接收。基于这类握手机制的协议如 MACA ，MACAW和 MACA/BI ，它们是基于在CSMA 的基础上加入了一些控制报文来实现的，其中MACAW通过增加载波监听避免RTS 冲突和通过ACK 加快丢失数据帧重发， MACA/BI通过减少握手次数来提高协议的性能，但由于 RTS/CTS 握手机制存在的不足都没有从根本上解决问题。而一种可能的降低损失、缓解这个问题的办法如采用“ 分段传输” 技术，它是 IEEE 802.11 标准的一个可配置的选项，当 MAC 服务数据单元较长时，MAC层实体可以将其分段，形成多个MAC 协议数据单元发送，并采用“ 帧突发 ” 技术，将多个数据单元夹在一个帧交换序列中发送，即站点仅在发送第一个分段时才竞争信道。其通常的帧序列如图 (3)所示：图(3) 分段传输帧交换序列名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - http:/ - 3 - 其中， DIFS 是正常情况下节点在进行信道竞争前保持静默的时间，SIFS 是一个连续的帧交换序列中相邻两个帧的间隔时间。利用分段传输技术的初衷是为了适应易受干扰的无线信道，使得在信道条件较差、误码率较高的场合可以配置指定较短的数据帧长，它缓解了由于握手机制的不足对网络性能造成的影响。 因此， 利用分段传输技术可以缓解隐藏终端问题对协议性能的影响，但也不能完全的解决问题， 这是由于单信道中数据信号和握手信号存在相互干扰造成的，由此人们倾向于采用双信道 /多信道协议来解决上述问题。2) 基于双信道 /多信道的握手机制在双信道 /多信道条件下，信道被分为控制信道和数据信道，控制报文和数据报文分别在各自的信道上传输，则消除了控制报文和数据报文的冲突。基于这类握手机制的协议有MMAC 、PAMAS 协议。当数据信道和控制信道分开时，如图 (1)中的节点D 要向隐藏终端C发送报文时，它在控制信道上向C 发送 RTS，节点 C 也在控制信道上向D 回应 CTS，再使用数据信道向C 发送数据报文而不会影响A 向 B 的发送， 实现 A 和 B、D 和 C 可以同时进行通信，则解决了隐藏终端问题。同样，如果图(2)中的暴露终端E 想要向F 发送报文，同样使用控制信道与F 进行 RTS/CTS 握手，握手成功后E 再使用数据信道向F 发送数据而不会影响 A 向 B 的发送，解决了暴露发送端问题，当B 使用数据信道向A 发送数据时，因为暴露终端C 也处在 B 的覆盖范围内，C 不可能在数据信道上正确接收发送给它的任何数据报文，但C 可以使用控制信道通知D 它是暴露终端，这样D 就可以转而处理其它任务，因此也很好的解决了暴露接收端问题。3) 基于忙音检测法忙音检测法需要在传输信道中另加一条忙音信道，告诉相邻的节点自己正在接收数据, 从而避免隐藏终端的问题，这种方法也是将信道分为数据信道和控制信道。典型的协议有双忙音多址接入协议(DBTMA)4，实现了数据报文的无冲突，它除了控制信道和数据信道外，还有两个频带彼此分开的窄带忙音BTr(接收忙音 )和BTt(发送忙音 )信号。 DBTMA加上RTS/CTS 的信道预约功能就可以完全解决隐藏终端和暴露终端的问题，但是付出代价是增加了两个带外忙音，忙音的发送和检测都需要硬件的支持。4) 基于空分多址法空分多址法对于节点位置需要准确的定位。通过采用相控阵天线可以实现空分多址，其实现过程依赖于发送节点存贮的接收节点的方位信息，将相控阵天线的波束角对准接收节点的方位，并在该波束角范围内做n 次扫描，同时扫描一次发送一次RTS 信号，而接收节点的相控阵天线处于全向接收状态，作圆周扫描， 一旦二者的波束角对准，即接收节点接收到RTS 信号，则立即向发送节点发送应答信号，并将自己与其它节点的通信状态置为阻塞状态。发送节点收到CTS 信号后，也将与其它节点的通信置为阻塞状态，以防冲突，此时发送节点和接收节点链接成功，双方天线波束角对准并保持，开始传输数据确认传输完毕后，天线再开始扫描以接收其它节点信息。这里由于传输数据时天线的定向性，因而不会存在隐藏终端和暴露终端的问题。5) 基于轮询法轮询法的实现： 首先，先选出一个主节点， 然后依次询问网络中的从节点是否发送数据，如果是则主节点就给出许可完成数据传输。利用轮询虽解决了上述问题，但其缺点在于必须有一个主节点覆盖到所有从节点，而且对于主节点负载及轮询算法的设计都有很高的要求。6) 采用功率控制机制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - http:/ - 4 - 移动 Ad hoc 网络中链路层的功率控制主要是通过MAC 协议来完成的，根据每个报文下一跳节点的距离、信道状态等条件动态地调整发射功率5，其优点：一是降低节点的能量消耗，延长节点和网络的寿命；二是调整节点的发射功率，减少对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量；三是解决了网络中存在的隐藏终端和暴露终端的问题。其过程如图(1)：由于采用功率控制机制，当节点A 有数据包要向节点B 发送时，它首先侦听信道，如果信道空闲，就向B 发出 RTS 包，当 B 收到 RTS 包后准备接收数据，会立刻返回一个CTS 包，回应的 CTS 包中包含了数据传输所能接收的冗余噪声功率，这样隐藏终端C 所造成的影响会大大减小，而节点A 成功接收到CTS 包后，将采用实际所需要的功率值传输DATA 包，不但会减少节点的功率消耗，同时也会降低暴露终端所带来的干扰。如一种基于IEEE 802.11的功率控制MAC 协议6，在控制包中包含发送功率和容许接收功率，通过两个通信节点之间的控制信息的交换来决定数据包的发送功率和限制其它相邻节点的发送功率。这样，有效降低了隐藏终端和暴露终端之间的干扰，有利于提高网络的吞吐量。在功率控制技术中一般采用以最大功率发送RTS/CTS ，以适当功率发送数据分组，这样能够最大限制地消除隐藏终端并降低能量消耗，但当有节点移动导致其它正在进行数据传输的节点进入其最大功率的传输范围内时，由于无法监听到正在进行的低功率数据传输，这时发送RTS/CTS 会将正在进行的数据传输碰撞掉。因此在单信道条件下的功率控制虽然能够降低能耗， 但碰撞会增加， 难以达到在降低能耗的同时提高网络容量的效果。由此考虑合理的引入多信道技术，它可以有效的降低功率控制所引发的碰撞增加问题，采用功率控制机制结合多信道技术的方法，虽然能够解决隐藏/暴露终端问题，降低系统的功率消耗，提高网络吞吐量， 但也会带来额外的问题，其中最主要的就是信道分配问题7。在多信道环境中，相对于节点规模来讲，信道数量总是有限的，如何控制节点在多个可选信道中选择一个与相邻节点无冲突的信道进行数据传输，是后续研究的热点问题，需要进一步的研究工作来确定合理有效的多信道分配策略，以达到在有效增加信道利用率的同时，提高网络的复用性，并结合网络层的能量路由技术，实现解决移动Ad Hoc 网络中能量效率和网络容量的问题。5. 结束语本文介绍了移动Ad hoc 网络 MAC 协议存在的隐藏/暴露终端问题，详细讨论了解决这一问题的方法，文中列举的方法，虽解决了网络中存在的部分问题，但是仍有包括：竞争节点之间的公平性、能量保存、干扰限制模型、如何保证QoS 等问题有待解决，在设计MAC协议时要重点考虑这些问题，由于不同的应用场合对MAC 协议有不同的要求，必须结合实际需求、综合考虑所有制约因素来设计MAC 协议。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - http:/ - 5 - 参考文献 1 赵志峰，郑少仁 . Ad Hoc 网络信道接入协议J.电信科学 ,2003,(1):1-30. 2 S. Xu and T. Saadwi. “Does the IEEE 802.11 MAC protocol work well in multi-hop wireless ad hoc networks? ”. IEEE Commun, Jun 2001,39(6):130-137. 3 N. Santhapuri, S. Nelakuditi, R. R. Choudhury. On Spatial Reuse and Capture in Ad Hoc Networks. in the WCNC. Proc. of IEEE ICC, 2008:533-538. 4 Haas Z J，Deng Jing . Dual busy tone multiple access（DBT-MA ）-a multiple access control scheme for ad hoc networks J.Communications ，IEEE Transactions 2002,50(6):975-985 . 5 Muqat tash A, Krunz M. POWMAC: A Single-Channel Power-Control Protocol for Throughput Enhancement in Wireless Ad Hoc NetworksJ.In : IEEE. Journal on Selected Areas in Communications,2005,23 (5):1067-1084. 6 顾燕，沈连丰 .一种 802.11 功率控制 MAC 协议及仿真研究 .应用科学学报 ,2006(4):32-37. 7 Yeh. C.-H., The Heterogeneous Hidden/Exposed Terminal Problem for Power controlled Ad Hoc MAC Protocols and Its Solutions. Proc. IEEE Vehicular Technology Conf, Oct. 2004,2(4):2548-2554. Analysis and Research of MAC Protocol in Mobile Ad Hoc Network ZHAO Lei ，LIU Hao-ming ，GU Yan School of Electrical Engineering, HoHai University, Nanjing (210098) Abstract This paper introduces the MAC (Medium Access Control)protocol of ad hoc network, analyzes some problems of the research of MAC protocol and analyzes the situation of channel-aware which educes the hidden and exposed problems in ad hoc network. The problem affects the throughput of the network, the utilization and the fairness of the channel, which greatly debase the performance of the MAC protocols. This paper analyses the problems in detail, and discusses based on single channel handshake mechanism, based on dual/multi-channel handshake mechanism, based on busy tone detection method, based on SDMA method and based on the polling method, finally, it gives the method of the combination of power control mechanisms and multi-channel technology, so that not only reduces the power consumption of nodes, but also solves the problems of the interference which brought about by the Hidden terminal and Exposed terminal , and improves the network throughput. Keywords ：Mobile ad hoc network;MAC;Hidden terminal;Exposed terminal 作者简介：赵磊(1983-)，男，江苏连云港人，河海大学电气院硕士研究生，研究方向为Ad hoc网络，刘皓明，男，博士，副教授。研究方向：配电系统自动化及电力系统稳定与控制等；顾燕，女，博士，讲师。研究方向：无线网络技术及能量效率问题等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -