移動自組網中MAC層協議研究

張富琴

(西安職業技術學院,陜西 西安 710077)

0 引言

目前,移動通信技術發展迅猛,但是大多數移動通信都需要有線的基礎設施(如基站)的支持才能實現。為了實現在某些特殊應用場所不需要固定的設施支持就可以進行通信,一種有別于傳統的網絡技術——移動自組織網絡技術應運而生。移動自組織網絡(Mobile Ad Hoc Networks)是指一種不需要基礎設施的移動網絡,也常被稱為多跳無線網(Multi-hop Wireless Networks)。該網絡是一個臨時構建的多跳無中心網絡,網絡中的成員是一組具有無線通信功能的移動節點。這些移動節點可以在任何地方任意時刻快速地構建起一個移動通信網絡,并且不需要基礎設施(如基站)的支撐。網絡中的每個節點都可以自由移動,且相互之間地位平等。移動自組網的出現加快了人們實現隨時隨地進行自由通信的進程,同時移動自組網也為臨時通信、軍事通信和災難救助等應用提供了有效可行的解決方案。

移動自組織網絡是一種網絡拓撲動態可能隨時發生變化的無線網絡。該網絡體系、同步機制和實際應用等問題都比較復雜[1]。傳統的固定網絡和常見的蜂窩移動通信網中使用的協議和技術很難直接應用到移動自組織網絡中,因此需要為移動自組織網絡設計專門的協議和技術。目前,移動自組織網絡研究中面臨的主要難點和重點問題為MAC協議、同步機制、路由協議、功率控制、Qos、網絡資源管理、網絡互聯和安全問題等。本文將重點討論幾種常見的MAC協議。

1 MAC協議基本概念

MAC協議是數據在無線信道上發送和接收的主要控制者,是移動自組織網絡協議的重要組成部分。MAC協議對網絡的時延、吞吐量、數據包傳輸成功率等性能指標都有著重要的影響。傳統網絡中多點共享的廣播信道,蜂窩移動通信系統中由基站管理控制的無線信道以及點對點無線信道都是一跳共享信道,而移動自組織網絡的信道則是一個由多個節點共享的多跳信道。當一個無線通信節點發送數據時,只有在它通信覆蓋范圍內的節點才能收到,這種共享的多跳信道會導致移動自組織網絡存在隱藏終端、暴露終端等問題[2-3]。

如圖1所示,當通信節點1向節點3發送數據時,節點2并不在節點1的通信覆蓋范圍內,它無法檢測節點1正在發送分組,如果此時節點2也向節點3發送數據,就會引起數據碰撞,節點2便稱作隱藏終端。這種因某些節點不能偵聽到其他節點發送數據而引起的數據碰撞就是隱藏終端問題。另外,還存在一種情況,如圖2所示,當節點3向節點1發送數據時,節點2就會檢測到節點3正在發送分組,節點2為了避免引起數據碰撞會推遲向節點4發送數據。但實際上這種推遲是不必要的,因為節點2向節點4發送數據并不影響節點3向節點1發送數據,這種情況下節點2就是節點3的暴露終端。這種因某些節點在其他正在通信節點的傳輸范圍內而進行不必要的發送推遲便是暴露終端問題。為了保證數據傳輸的及時性以及正確性,移動自組織網絡的MAC協議需要解決隱藏終端及暴露終端問題。

圖1 隱藏終端問題示例

2 移動自組網中常見的MAC協議的分析

目前,在移動自組網實際的應用中,MAC層主要采用的協議有CSMA協議、TDMA協議以及二者的結合。

2.1 CSMA協議

CSMA是Carrier Sense Multiple Access的縮寫,是一種允許多個節點在同一個信道發送數據的協議。當一個節點發送數據時,需要偵聽信道上是否有其他節點在發送數據。如果信道此時有其他節點在發送數據,則發送節點需要等待一個時間段后再次偵聽,只有偵聽到信道空閑后才會發送數據。信道中的其他節點接收到來自信道的數據,需要判斷該數據是不是發送給自己。如果是,則進行下一步處理;如果不是,則將數據拋棄。

如果在某一信道空閑時刻,兩個在彼此通信覆蓋范圍內的節點同時要給對方發送數據時,且它們都偵聽到信道處于空閑狀態,這時它們會將自己的數據發送出去,從而引起了數據的碰撞。這是因為節點可以偵聽信道上是否有數據傳輸,但是節點無法預判下一時刻信道上是否有數據要傳輸。為了避免出現這種問題,在實際應用中,往往會讓節點在發送數據前,先偵聽信道上是否有數據正在傳輸。如果此時信道上有數據正在傳輸,則等待一段時間后繼續偵聽;如果偵聽到信道是空閑的,則需要讓節點隨機退避一段時間P后再繼續偵聽;如果信道仍然空閑,則發送數據;如果這時信道上有數據在傳輸,則退回到最初的偵聽信道狀態,具體流程如圖3所示。在上述的過程中,加入隨機退避因子是為了避免兩個在彼此通信范圍內的節點同時發送數據時引起數據碰撞。

圖3 CSMA處理流程

CAMA協議的主要優點:

(1)算法簡單、易于實現。

(2)信道空閑情況下會快速發送數據,數據時延小。

CAMA協議的主要缺點:

(1)在通信中易于引入隱藏終端和暴露終端的問題。

(2)當系統中節點數量較多時,數據碰撞不可控,且數據時延不可控。

2.2 TDMA協議

TDMA即Time division multiple access,其協議的核心思想是將時間分為若干個時間片段,稱之為時隙,每個發送數據的節點占據一個或多個時隙進行數據發送。如圖4所示,節點A、B、C、D分別占用時隙1、2、3、4發送數據,這時由于每個節點在不同的時間段發送數據,所以不會引起數據的碰撞。時隙的分配目前有靜態預制與動態分配兩種。

圖4 時隙分配時隙示例

TDMA協議的主要優點:

(1)發送數據的節點在不同時隙進行數據發送,不會發生數據碰撞。

(2)數據傳送的時延可控。

TDMA協議的主要缺點:

(1)對同步要求高,需要精準的時間同步。

(2)固定分配時隙的TDMA會引起不必要的數據傳輸時延,動態分配時隙的TDMA算法較為復雜,且會引入預約時隙等開銷,降低系統的吞吐量。

2.3 TDMA+CSMA協議

TDMA+CSMA協議就是將整個時間片分為若干個時隙,一部分時隙固定分配給節點發送公共廣播、同步及路由公告等消息,一部分時隙用來進行CSMA載波偵聽使用,剩余部分時隙留作節點作為固定分配時隙?；谶@一MAC接入思想的時隙分配示例如圖5所示。其中,SS時隙是各個節點輪流發送同步和拓撲消息,用于網內節點同步與路由的更新與遲入節點的引導;BS時隙是廣播時隙,用于各節點發送廣播話音;RS是動態時隙,用于各節點利用CSMA機制臨時占用發送數據,該時隙用于發送用戶短報文等小型業務;DS時隙是TDMA時隙,可根據開機前用戶根據實際用戶數進行配置,也可由節點根據業務需求動態預約占用。此時隙適合傳輸文件、視頻等大業務量數據。

圖5 時隙分配示例

如果配置用戶數為網內最大節點數64個,則設定71個時隙為一個時幀、每64個時幀為1個超幀。當然,以上時隙配置只是在某一種應用場合的一種配置示例,在實際應用中可根據實際需要進行配置。

3 結語

研究表明,在眾多移動自組網的關鍵技術中, MAC協議運行在網絡層之下、物理層之上,對數據的發送和接收起著直接控制和管理的作用,其性能的好壞會直接影響整個網絡的性能和效率。因此,對于每一種具體的應用場景來說,選取合適的MAC協議至關重要。