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MAC协议分类和比较


本栏目责任编辑:冯蕾

网络通讯及安全

移动自组织网络中的MAC协议分析比较
何俊1,2
(1.华东师范大学计算机科学技术系,上海20024l;2.新疆乌鲁木齐铁路运输学校,新疆乌鲁木齐830011)

摘要:MAc协议是无线自组织网络中一个重要研究领域,特别是隐终端和暴露终端问题的解决尤为重要。目前已经提出了一些 MAc协议的设计方案,但这些方案都是孤立存在的。为了能从整体上了解MAC协议发展现状。对现有的MAc协议进行了归类并 且对它们进行了简单分析比较,作为结论。给出了MAC协议的发展方向。 关键词:Ad Hoc网络;MAC协议;隐终端;暴露终端;公平性;功率控制
中图分类号:11P393

文献标识码:A

文章编号:10帕-3044(2∞8)2l一3咐15.03 Mac Protocob

Analysis and Compari鲫n of Ad HE Junl2

H∞N咖ork’S

(1.computer
TnnsPortadon Abstract:In

Science&Technology

D印amllent,East Chim Nomlal UIliVersity,sh肌ghai 200241,c11i】na;2.xi巧iar培Ummqi Railway

School,Ummqi 830011,C11iI埘
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Key words:Ad Hoc

neMork;MAC

protocol;Hidden

cenni础;E冲osed tenniflal;筋m麟;Power-Contr01

l引言
无线Ad Hoc网络是一种具有无中心、白组织、快速展开和移动等特点的对等式网络,又被称作多跳网络(Multi-h叩Network)或 者自组织网络(Self-o喂anizedNetwork掣。Ad Hoc网络没有中心控制器,所有节点分布式运行,共同承担网络构造和管理功能。它可以

随时建立和拆除.具有很强的容错性和鲁棒性.广泛地用于军事行动、灾难救援和移动会议、传感器网络等场合。 MAC协议的设计是Ad hoc网络中的关键技术之一,它直接影响到网络的吞吐量和时延,由于Ad hoc网络具有拓扑高度动态 变化、分布式调度、随机业务性等特点,使得MAC协议的设计极富挑战性。本文对现有的MAC协议进行分类,然后介绍每一类型中 的典型协议,最后在结论中指出这一领域将来的发展方向。


MAC协议研究所面临的问题和挑战
Ad H0c网络是一种多跳移动网络.很难保持全网同步。因此.传统的基于同步的、单跳的、静态的MAC协议并不能直接搬到 Hoc网络中来.这些都使得Ad Hoc网络中MAC协议的设计面临新的问题和挑战:移动多跳特性、存在单向信道、能量有限、无

Ad

线带宽有限、QoS很难保证等。


MAC协议的分类与描述
MAC协议可以分为同步协议和异步协议。同步MAC协议中,所有节点在时间上是同步的。异步MAC协议采用分布式的控制

机制,其信道接入多是基于竞争模式的。 MAC协议也可以分为发方驱动协议和收方驱动协议。收方驱动协议是由收方通知发方自己已经准备好接收数据,如MACA— BI。发方驱动协议是发方通知收方自己有数据需要发送,如MACA。现有的大多数协议都是发方驱动的,也有少数协议是混合式的。 MAC协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议。单信道协议中,所有的信号都在同一个信道上传输。为了减少冲突,可以把 信道分成控制信道和数据信道。分别传输控制信号和数据信号,避免数据信号和控制信号的冲突。而ISM频带是一个典型的多信道 环境。采用多信道MAC协议更能适应Ad Hoc网络环境的要求。本文主要根据这种分类方式对各种MAC协议进行分析和比较。 3.1单信道MAC协议
11MACA

MACAfMulliple Access wjth Coujsion Avoidance)是一种用于单频网络的媒体接人控制协议闭,它的提出是为了解决CSMA类 MAC协议存在的隐藏终端和暴露终端问题,协议存在两个缺点:一个是仍然存在隐藏终端和暴露终端问题,另一个是没有确认包

ACK.这导致了必须利用传输层来完成数据重传功能。
21MACAW MACAW(MACA for

Wireless)协议p】,针对MACA的缺陷做了改进。协议使用R1s—C髑DS—DA7rA—ACK握手机制。通过ACK确认

包使数据链路层具有错误重传功能,大大减轻了传输层重传负担。另外此协议还考虑了退避、公平性等问题,与MACA协议相比,

收稿日期:2I)()8一03—27

作者简介:何俊(1971一),女,新疆人,乌鲁木齐铁路运输学校,讲师,现就读于华东师范大学计算机科学技术系,研究生,主要研究方 向:移动AD hoc网络MAC层协议。
415

万方数据

网络通讯及安全
MACAW协议在吞吐量方面有很大提高.但这种协议仍然没有彻底解决隐藏终端和暴露终端问题。
31MARCH

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MARCH(Media Access w油Re(1uced Handshake)协议14J利用了全向天线的广播特性来减少握手信号。与一般的收方驱动协议相

比.MARCH协议不需要进行任何流量预测。节点一旦监听到不是发送给自己的CTs信号,就知道邻常点处将有数据受到达,通过监 听C1S信号,触发一系列邀请发送过程,进行数据包的中继传输。该协议除了第一跳传输是发方驱动的,后续的中继传输都是收方 驱动的,可以看作是发方驱动和收方驱动的混合形式。在MARCH协议中,需要的握手信号数是路由长度的函数.路由越长,节省的 握手信号数越多。
41IEEE 802.1 l协议
lEEE

802.11协议【q扩展了FAMA协议嘲,在RTS,CTS控制帧基础上又增加了确认(ACK)机制。并且802.1l摈弃了传统的CSMA
Coordination

技术,采用了CSMA/CA技术。在802.1l协议中,DCF(Distributed

Functionl机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本

接人方式,它把CSM舭A技术和确认(ACK)技术结合起来。除了使用基于RTS/CTS的虚拟载波侦听机制,还可以使用帧分割技术,使
得在信道差错率较高的情况下提高网络性能。802.1l协议同样采用了二进制指数退避算法。所以无法保证信道接入的公平性。现有的
Ad

Hoc网络的实现大多数都是基于802.1l协议的,该技术主要是针对无线局域网的,推广到多跳Ad Hoc网络还有许多工作要做。
51MACA—BI

MACA—BI(By Invitation)协议【7l是在MACA基础七改进的由收方驱动的MAC协议。当网络中业务模式町预测时,这种协议非常

有效,但是当网络中存在突发业务时,这种协议等同于MACA协}义。 3.2双信道MAC协议 实践表明,单信道接入协议在网络负载比较重时效率是很低的,这是由于冲突和退避造成了信道带宽的巨大浪费。从卜文可以 看出,冲突主要包括控制信号之间的冲突,以及由此导致的数据信息和控制信息的冲突。对此町以考虑采用信道分割技术,把信道 分成数据信道和控制信道分别传输数据信息和控制信息,避免数据信息和控制信息之间的冲突。由于控制帧的长度很小.所以冲突 发生的概率大大减少,并且可以更好地解决暴露终端问题。
11DBTMA

双忙爵多址接人协议(DBTMA,即DualBusy Tone Multiple Access)【91。DBTMA把信道分割成控制信道和数据信道,分别传输数据 信息和控制信息,并且在控制信道卜还增开了2个带外忙音信号,一个指示发送忙,一个指示接收忙。2个忙音在频率卜是分开的,

以免十扰。理论分析和仿真结果表明DBTMA优于纯R倦/cRS系列的MAC协议,在某些场景下。DBTMA性能是MACA的140%。
此协议的缺点是没有使用ACK确认。硬件比较复杂。
2、PAMAS

PAMAS(Powe卜Aware Multi—Access Pmtocol with

Signaling)协议㈣是基于MACA的双信道MAC协议。RTS/C佟握手信号在控制

信道上交互,数据在数据信道}传输,在数据传输过程中,控制信道上发送忙音。此外PAMAS协议还考虑到了能量控制问题,它有 选择的关闭某些不需要接收和发送的节点以节省能量。 3.3多信道MAC协议
目前Ad Hoc网络绝大多数MAC协议都是基于IEEE 802.1lb标准实现的,而IEEE 802.1lb是工作在ISM频带的单信道MAC

协议。ISM频带是一个典型的多信道环境,各种扩频技术(DSSS、HFsS)把可用带宽分割成多个信道,每个信道一个信道辨识码。如果 有多个信道口n奠使用,而且网络规模也很大的话,可以给不同节点分配不同的信道以提高网络吞吐量。多信道的使用减少了冲突的 发生,使得更多的节点可以同时传输。因而提供了更高的带宽利用率。
11HRMA

HRMA(Hop—Reservation Multiple Access)协议…是基于半双工慢调频扩频的,它利用了频率跳变时的时间同步特性。HRMA使用

统一的跳频图案.允许收发双方预留一个跳变频率进行数据的无干扰传输。跳变频率的预留采用基于RTS/C佟握手信号的竞争模
式。握手信号成功交换后。收方发送一个预留数据包给发方,使得其它nr能会引起冲突的节点禁止使用该频率进行数据传输。在预 留跳变频率的驻留时间里,数据町在该频率上无干扰传输。HRMA使用r一个公共的跳变频率保持相连节点之间的同步。它把可用 的L个频率分成一个用于同步的公共频率Fo和M=f(L—1)/2】个(Fi,Fi’)频率对。每次数据交换时,Fi用于发送和接收HR(Hop—

Resenration)、R偈、C鸭和Data帧。Fi’用于发送和接收确认帧(ACK),从而避免了隐终端节点之|.H】确认信息与数据信息的冲突。由于
在每个HRMA时隙中都存在同步信息,所以节点很容易创建或者加入一个基于HRMA的系统.也易于两个独立HRMA系统的融 合。分析表明HRMA协议的吞吐量比具有完全ROCA控制的时隙Aloha协议要好,特别是在数据包的长度比跳频时隙大的时候。但 是HRMA协议只能用在慢跳变系统中,并且与使用不同跳频图案设备的兼容性不好。此外由于数据传输需要的驻留时间比较长.所
以数据冲突的概率会增加。

2)多信道CSMA协议 多信道CSMA协议f121是在单信道IEEE 802.1l的CSMA,CA基础上改进的多信道MAC协议。它把可用带宽分割成互不重叠的 N个子信道,N远小于网络中的节点数。子信道的产生可以在频域(FDMA)也可以在码域(CDMA),但不提倡在时域(TDMA),因为Ad Hoc网络中缺乏网络范围内的时钟同步。只要有空闲信道,节点就可以在N个信道中的任何一个上工作。它采用了“软”预留机制。 也就是说一个节点尽量选择上次成功发送数据的信道进行本次数据传输,如果该“预留”信道忙,或者最近使用的信道发送数据失 败,则选择另外的空闲信道进行数据传输。在网络负载较重的情况下,信道个数不足以提供无冲突传输,但是由于每个节点为自己 持续的“预留”了信道,冲突可以大为减少。这种基于预留的多信道机制比纯粹的随机选择空闲信道机制性能要好,即使在每个子信 道的带宽很小时。采用预留机制的优势依然存在,然而传输时延会增大。
31DPC

DPC(Dynamic

Private

Channel)协议旧信道包括一个广播控制信道(CCH)和多个单播数据信道(DCH)。其中CCH可以被所有的节

点共享,接入该信道是基于竞争模式的。每个节点都可以使用任何一个DCH信道进行数据传输.只要它是空闲的。DPC是面向连接

的,如果节点A有数据要发给B,A将在CCH上发送RTS信号给B,同时A会预留一个数据端口以备和B通信。在发送R偈信号

416遗眵电奠知识与拄术 万方数据

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前,节点A选择一个李闲的DCH信道并把信道码字包含在R偈头中,当B收到R偈信号后,它将会检测A选择的信道是否可用, 如果可用,就发送RRTs(RepIy t0 Krs)信号给A,RR髑头中包含相同的信道码字,如果不可用,B会选择一个新的信道码字,并把该 码字放人RR佟头中,征求A的同意。A、B双方相瓦协商,直到找到可用的信道,或者一方放弃协商。如果信道选择好了,B发送C髑
信号给A.然后两者开始交换数据,直到通信结束或者预留时间满释放信道。DPC协议采用了信道动态分配机制,很好地解决了多 跳Ad Hoc网络中多个子信道间的连接性和负载平衡问题。


MAC协议分析比较与发展方向
表1主要的MAC协议特性比较
协议丹寺性 MACA MACAw MACA.BI MARCH
802 11

信道数 笪 茧 萤 萤 笪

CSMA

RTS,CTS 有 有 无 有 有 有 有 有 有

ACK

忙音 无


驱动方


功率控制
有 有 有

公平?|生 一般 较好 一般 一般 一般 一般 一般 一般 较好

无 无 无 无





发 收


有 有 有

无 无 无
有 有

发做
发 发

无 无 无


DBTMA PAMAS ⅫtMA
多倍碰 CsM^瞒瞧 DPC




有 有 无



有 有

多 多 多

无 无


发 发 发


无 无 无







较好

表1列出了所介绍的MAC协议的主要特点。在Ad Hoc网络中采用纯粹的CSMA技术并不能很好解决隐藏终端问题,并且基 于CSMA的网络吞吐量会随着网络规模的增大而降低。现有的绝大多数MAC协议在CSMA基础上又增加了R佟佗Ts握手信号以 减少冲突。链路层加入确认机制,也减少了差错数据包的重发。由于Ad Hoc网络中的设备一般是电池供电的,所以能量消耗必须加

以考虑。仿真结果表明嘲对于UDP协议下的CBR业务,CSM~R鸭/C‘咧ACK组合的性能最好,CSMA—CA/IiTS/C7例ACK次之;对于

TCP协议下的F1甲业务。CSM肌A/R‘I踟Ts,ACK组合的性能最好,所以IEEE

802.1l协议16噪用了此种组合不足为奇。单信道协议

不可能完全解决冲突.采用双信道或者多信道协议把控制信号和数据信号分开,可以提供更高的信道利用率。 目前.MAC协议仍然是Ad Hoc网络研究的热点,针对Ad Hoc网络的特点以及未来新业务的要求,在现有的MAC协议基础上 还可以在以下几个方面做进一步的研究:提供动态的QoS支持、节约能量、握手信号的优化、基于信号处理的多包接收、基于跨层设 计的全局优化等。、

5小结
本文所讨论的MAC协议已经部分解决了Ad hoc网络中所存在的一些问题,但是仍有一些问题有待解决。这些问题包括:隐/暴 露终端问题、干扰限制模型、功率控制、选择单信道或者多信道、竞争节点之间的公平性、是否采用定向天线、如何保证QoS。将来设 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。

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Bi咖ial

symposiuInon

417

万方数据



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