mac protocol
上一篇 / 下一篇 2007-07-07 13:38:43 / 天气: 晴朗 / 心情: 高兴
Ad Hoc网络中MAC协议的研究与展望
陈宗明，许力，郑宝玉
(南京邮电学院，江苏 南京 210003)
摘 要：MAC协议是无线Ad Hoc网络的一个重要研究领域，特别是暴露终端和隐终端问题的解决尤为重要。文中介绍了当前Ad Hoc网络中MAC协议研究的最新成果，并对这些协议进行了分析比较，最后给出了进一步的研究方向。
关键词：Ad Hoc网络；MAC协议；暴露终端；隐终端；分析与比较
一、 引言
无线Ad Hoc网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等是网络，又被称作多跳网络（Multi-hop Network）或者自组织网络（Self-organized Network）［１］。与传统的蜂窝网络相比，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。
正是由于Ad Hoc网络的这些特点，使得Ad Hoc中协议的设计和实用面临着很大的挑战。首先，由于无线Ad Hoc网络中没有中心控制器，节点可以随时接入和离开，使得网络拓扑结构高度动态。其次，无线信道环境非常的恶劣，例如多径衰落、阴影效应、用户间干扰等，并且传输带宽也非常有限。由于传输功率等原因，还可能存在单向信道。最后，无线网络靠电池供电，能量有限。这些都对媒体访问控制（MAC）协议的设计和实现提出了更高的要求。
二、MAC协议研究所面临的问题和挑战
传统的蜂窝网络中存在中心控制的基站，由基站保持全网同步，调度节点接入信道。而Ad Hoc网络是一种多跳移动网络，很难保持全网同步，这与单跳的蜂窝网络有着本质的不同。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Ad 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。
(1)移动多跳特性
由于节点的移动性和多跳性，在设计MAC协议时必须考虑隐终端和暴露终端的问题。隐终端是指在发送者的通信范围之外，而在接收者通信范围之内的节点。暴露终端是指在发送者通信范围之内，而在接收者通信范围之外的节点。一般地，隐终端的存在可能造成数据的冲突，而暴露终端的出现使得网络资源无法得到充分的利用。
(2)存在单向信道
绝大多数MAC协议通常认为底层的通信信道是双向的。但是在无线Ad Hoc网络中，由于发射功率或者地理位置等因素，可能存在单向信道，这将会对MAC协议的性能带来严重的影响。
(3)能量有限
Ad Hoc网络中的设备绝大多数靠电池供电，能量不等且有限，所以如何节能也是MAC协议设计必须考虑的因素。
(4)无线带宽有限
Ad Hoc网络一般工作在ISM频带，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽比有线信道要低得多。如果考虑到无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪声干扰、用户间干扰等因素，节点的实际可用带宽远远小于理论值。
(5)QoS很难保证
Ad Hoc网络的固有特性，使得要满足一定的QoS保证，是非常困难的事，这也是应该重点考虑的问题。
三、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。本节主要根据这种分类方式对各种MAC协议进行介绍和评述。
1单信道MAC协议
(1)MACA
MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）是一种用于单频网络的媒体接入控制协议［２］，力求解决Ad Hoc网络中的隐终端和暴露终端问题，它使用RTS-CTS握手机制。发送节点在发送数据前，首先向收方发送RTS信号，进行信道预留，接收节点收到RTS信号后，回送一个CTS信号，其它收到RTS或CTS信号的节点采用二进制指数退避算法（BEB）延迟数据发送，以避免冲突。
此外，MACA还考虑了功率控制，对节点的发送功率进行控制，从而提高网络负载能力并节约能量。如果一个节点监听到了CTS信号（发送RTS者除外），就暂时禁止发送数据，降低输出功率，这使得信道可以在空间复用。
由于RTS/CTS帧的长度很小，与CSMA相比，MACA减少了数据包冲突。但是，在MACA中依然存在冲突，特别是在RTS/CTS帧交互期间。另外，MACA没有采用链路层确认机制，冲突后需要超时重发。由于采用BEB退避，信道接入的公平性很差。
（２）MACAW
MACAW（MACA for Wireless）协议［３］，针对MACA的缺陷做了改进。除了使用RTS/CTS握手信号外，还使用了其它控制信号（DS，ACK，RRTS），进一步解决暴露终端和隐终端问题。MACAW采用了一种乘法增加线性减少退避算法（MILD）代替二进制指数（BEB）退避，同时也实现了退避复制机制，使得传输到同一个目的点的节点使用统一的计数器，保证了接入的公平性。另外，它还使用了多流模型以达到平衡传输。
但是，过多的握手信号占用了大量的网络资源，如果考虑无线收发装置的转换时间，其效率并不是很高。MILD退避可以在一定程度上解决公平问题，但是，使用单一的计数器会使拥塞问题过度扩散，需要的内存也更多。所以，尽管MACAW提高了网络的吞吐量，但是网络开销和传输时延比MACA大，另外MACAW也不适合用多播环境。
（３）MARCH
为了减少冲突，节点在发送数据前需要采用握手信号监听信道，但是不断监听信道会导致不必要的能量消耗和网络资源浪费。现今的大多数无线装置都采用了全向天线，MARCH（Media Access with Reduced Handshake）协议［４］正是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，就知道邻节点处将有数据要到达，通过监听CTS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，可以看做是“先请后推”的过程，也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。
（４）IEEE 802.11协议
IEEE 802.11协议［６］扩展了FAMA协议［５］，在RTS/CTS控制帧基础上又增加了确认（ACK）机制。并且，802.11摈弃了传统的CSMA技术，采用了CSMA/CA技术。在802.11协议中，DCF（Distributed Coordinated Function）机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式，它把CSMA/CA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。802.11协议同样采用了二进制指数退避，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802.11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。
（５）MACA-BI
MACA-BI（By Invitation）协议［７］是在MACA基础上改进的由收方驱动的MAC协议。它没有使用RTS/CTS握手信号，而只采用了RTR（Ready To Receive）信号。在MACA-BI中，节点只有在收到收方的邀请后才能发送数据。由于收方不知道源节点是否有数据要发送，所以它必须预测哪些节点有数据要发送。另外，收方不断的请求发送也影响了网络的性能。通过估计源节点数据队列的长度和到达的速率，可以规范邀请信号的发送。一种可行的方法就是把源节点的估计信息放入每个发送的数据包中，使得收方可以知道源节点的预约传输。对于CBR业务，MACA-BI工作得很好，但是对于突发业务，其性能不如MACA协议。为了提高MACA-BI协议在非静态业务下的通信性能，可以对其加以改进。如果发方的队列长度或者包时延超过了可以容忍的极限，仍然可以采用RTS信号，这时就又回到了MACA。由于只使用了一种控制信息，所以减少了发送/接收反转时间，发生冲突的可能性也更小，但是需要流量预测，算法实现上比较复杂。
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。从上文可以看出，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，可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。
(1)DBTMA
前文中的MAC协议都是假设所有的相关节点可以收到RTS/CTS帧，但是在高速移动的Ad Hoc网络中假设并不成立。此外，当网络负载很重时，RTS/CTS帧冲突的概率很大。为了解决这些问题，提出了双忙音多址接入协议（DBTMA，即Dual Busy Tone Multiple Access）［９］。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，并且在控制信道上还增开了2个带外忙音信号，一个指示发送忙，一个指示接收忙。2个忙音在频率上是分开的，以免干扰。
理论分析和仿真结果表明DBTMA优于纯RTS/CRS系列的MAC协议。与MACA和MACAW相比，DBTMA的效率有很大提高。由于忙音信号在通信期间一直存在，可以确保不存在用户数据帧之间的冲突。
(2)PAMAS
PAMAS（Power-Aware Multi-Access Protocol with Signaling）协议［１０］是基于MACA的双信道MAC协议。RTS/CTS握手信号在控制信道上交互，数据在数据信道上传输，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。
在PAMAS中，当节点监听到不是发送给它们的数据时，可以关闭收发器，以节省能量。节点独立的决定是否关闭收发器，其关闭策略如下：如果节点无数据要传输，并且其邻节点正在发送数据，就关闭电台；如果节点有数据要传输，但是其邻居节点中至少一个在发一个在收，就关闭发射器。节点关闭期间既不能发也不能收，这可能会严重影响网络时延和吞吐量，所以关闭的时间需要严格控制。可以考虑采用探测帧在适当的时候唤醒关闭的节点，但是需要额外开销。一种有效的措施是有选择地关闭数据信道，保持信令信道处于激活状态。另一种改进措施是节点一旦获得信道可以发送多个数据包，从而提高信道利用率。
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 802.11b标准实现的，而IEEE 802.11b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。如果有多个信道可以使用，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。
（１）HRMA
HRMA（Hop-Reservation Multiple Access）协议［11］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/CTS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，使得其它可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，数据可在该频率上无干扰传输。HRMA使用了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=［(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-Reservation）、RTS、CTS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间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［12］是在单信道IEEE 802.11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。
（３）DPC
DPC（Dynamic Private Channel）协议［13］的通信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RTS信号前，节点A选择一个空闲的DCH信道并把信道码字包含在RTS头中，当B收到RTS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（Reply to RTS）信号给A，RRTS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，并把该码字放入RRTS头中，征求A的同意。A 、B双方相互协商，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CTS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。
四、协议分析比较与展望
上文在描述各种协议的同时，也作了部分的比较，在此我们对所有的协议加以综合的比较分析与展望。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RTS/CTS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［８］，对于UDP协议下的CBR业务，CSMA/RTS/CTS/ACK组合的性能最好，CSMA-CA/RTS/CTS/ACK次之；对于TCP协议下的FTP业务，CSMA/CA/RTS/CTS/ACK组合的性能最好，所以IEEE 802.11协议［５］采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：
（1）提供动态的QoS支持。现有的无线网络MAC协议较少考虑QoS问题，即使考虑了也多是局限于提高吞吐量和降低时延。为了支持未来多样化的多媒体业务，需要提供良好的动态QoS支持，可编程MAC协议能够实时创建、动态管理和控制不同的QoS需求；
（2）节约能量。Ad Hoc靠能量有限的电池供电，为了节约能量，可以采用节能机制（如PAMAS）和功率控制机制（如MACA）。现有的协议大多是采用关闭部分未通信的节点或者对握手信号和数据信号使用不同的功率，这些方法在一定程度上节约了能量，减少了冲突的发生，但降低了吞吐量，增加了时延。所以，既能节约能量又不明显影响网络性能的MAC协议也是进一步努力的方向；
（3）握手信号的优化。握手信号（如RTS/CTS）在Ad Hoc网络应用的非常广泛。然而，一方面握手信号不仅要耗费一定的网络资源，而且本身也会发生冲突；另一方面，RTS/CTS机制会阻塞能够正常通信的节点（如暴露终端），造成信道资源的严重浪费，甚至导致“死锁”。因此，减少和优化握手信号，比如采用RTS验证、NCTS机制等，可以更好地提高网络性能；
（4）基于信号处理的多包接收。由于阵列天线、扩频码、空时码等信号处理技术的发展，使得物理信道可以同时接收多个数据包。这一多包接收模型改变了传统的冲突信道模型，设计和实现基于多包接收的MAC协议可以减少冲突，并提高网络性能；
（5）基于跨层设计的全局优化。现有MAC协议的设计都受限于传统的分层协议模型，如何结合底层（物理层）和上层（路由、传输、应用层）的信息，设计和实现全局优化的MAC协议，例如传输层和MAC层的联合差错控制，也是极具挑战性的研究课题。
五、结论
信道接入协议的目标就是，共享信道的多个节点在尽可能公平和无冲突的条件下协调地接入信道以提高网络性能。在无线Ad Hoc网络中，无中心、多跳、快速移动以及无线信道的特点，使MAC协议的设计面临巨大的挑战。本文简要回顾了现有的MAC协议，并对其进行了分析和比较，在此基础上提供了未来MAC协议研究的若干方向。
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03年的文章，搜到了 放上去了解下。
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