無線Ａｄ ｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)異步ＭＡＣ層接入?yún)f(xié)議研究

摘要：針對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中三種典型的異步MAC層接入?yún)f(xié)議：MAcAw、FAMA-NTR和DBTMA，從協(xié)議的基本思想、算法描述、協(xié)議狀態(tài)流程等方面進(jìn)行了探討。其研究成果可以為進(jìn)一步探討無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)異步MAC層接入?yún)f(xié)議提供參考。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc；異步；接入?yún)f(xié)議；MAC層

0 引言

無線Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)是一種自組織的對等式網(wǎng)絡(luò)，又稱作多跳網(wǎng)絡(luò)(Multi-hop Network)或稱自組織網(wǎng)絡(luò)(Self-organized Network)。自組織網(wǎng)絡(luò)具有無中心、臨時自組織、分布式控制、節(jié)點(diǎn)移動和多跳等特點(diǎn)，這使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層的信道接入?yún)f(xié)議面臨很多新問題。

(1)隱終端和暴露終端：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動性和多跳性帶來了隱終端和暴露終端的問題。隱終端是指在發(fā)送者的通信范圍之外，而在接收者通信范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。暴露終端是指在發(fā)送者通信范圍之內(nèi)，而在接收者通信范圍之外的節(jié)點(diǎn)。一般地，隱終端的存在可能造成數(shù)據(jù)的沖突，而暴露終端的出現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)資源無法得到充分的利用。

(2)MAC層的公平接入：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，必須采用分布式機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入MAC層的協(xié)調(diào)。如何保證各節(jié)點(diǎn)和不同業(yè)務(wù)流接入網(wǎng)絡(luò)的公平性，是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層接入?yún)f(xié)議需要解決的重要問題。

(3)QoS保障：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、多變性等特性，使得自組網(wǎng)要保障一定的Qos非常困難，MAC層QoS需解決實(shí)時業(yè)務(wù)快速獲得信道使用權(quán)和避免時延抖動的問題。

(4)功率控制：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備絕大多數(shù)靠電池供電，能量不等且有限，所以如何節(jié)能和控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率也是MAC協(xié)議設(shè)計必須考慮的因素。

1 MACAW協(xié)議

1.1 MACAW基本思想

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)協(xié)議是對MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改進(jìn)，除了保留MACA中的RTS-CTS握手機(jī)制外，還使用了其它控制信號(DS，ACK，RRTS)，以進(jìn)一步解決暴露終端和隱終端問題。作為MACA協(xié)議的改進(jìn)，首先，MACAW增加了鏈路層的確認(rèn)機(jī)制，即由接收點(diǎn)回復(fù)ACK幀；其次，由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出DS幀，通知暴露終端該節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)握手成功，減少數(shù)據(jù)幀沖突；當(dāng)暴露終端收到許多RTS而又不能回復(fù)時，由暴露終端發(fā)起RRTS通知鄰節(jié)點(diǎn)競爭期開始的機(jī)制來提高節(jié)點(diǎn)的競爭效率。協(xié)議接入的過程稱為RTS-CTS-DS-DATA-ACK五次握手或是RRTS-RTS-CTS-DS-DATA-ACK六次握手的交互方式。

MACAW采用了一種乘法增加線性減少退避算法(MILD)代替二進(jìn)制指數(shù)(BEB)退避，同時也實(shí)現(xiàn)了退避復(fù)制機(jī)制，保證了接入的公平性。另外，它還使用了多流模型以達(dá)到業(yè)務(wù)流的平衡傳輸。

1.2 MACAW算法描述及狀態(tài)流程

MACAW可用控制規(guī)程、退避規(guī)程和超時規(guī)程來描述。工作于MACAW協(xié)議下的節(jié)點(diǎn)可處于8種狀態(tài)：IDLE.CONTEND、WFCTS，WFContend，WFDS，WFData.WFACK，QUIET。

圖1所示是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的四個節(jié)點(diǎn)。下文以此網(wǎng)絡(luò)為例，說明MACAW的算法。

控制規(guī)程：

(1)A有數(shù)據(jù)要發(fā)向B，則A從IDLE狀態(tài)進(jìn)入CON-TEND狀態(tài)，隨機(jī)選擇定時器值，定時器超時發(fā)送RTS，進(jìn)入WFCTS狀態(tài)。B收到A發(fā)給自己的RTS信號后發(fā)送CTS信號、設(shè)置定時器，從IDLE狀態(tài)進(jìn)入WFDS狀態(tài)。

(2)A收到B發(fā)送的CTS信號后，清除定時器，發(fā)送DS和DATA給B，進(jìn)入WFACK狀態(tài)，設(shè)置定時器；B收到A發(fā)送的DS信號，進(jìn)入WFData狀態(tài)并設(shè)置定時器，收到A發(fā)送的數(shù)據(jù)分組后清除定時器，發(fā)送ACK進(jìn)入IDLE狀態(tài)。A收到B發(fā)回的ACK信號，清除定時器，重新回到IDLE狀態(tài)。

(3)B處于IDLE狀態(tài)后，收到確認(rèn)過的數(shù)據(jù)包再次發(fā)起的RTS，發(fā)送ACK信號給A；如A處于CONTEND狀態(tài)時，收到RTS，發(fā)送CTS給源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入WFDS狀態(tài)，設(shè)置定時器。

(4)c監(jiān)聽到A和B的通信握手后，進(jìn)入QUIET狀態(tài)，此時如接收到RTS分組，進(jìn)入WFContend狀態(tài)。

(5)處于IDLE狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)收到RRTS，發(fā)送RTS給源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入WFCTS狀態(tài)并設(shè)置定時器。

退避規(guī)程：

(1)收到目的節(jié)點(diǎn)非本節(jié)點(diǎn)的RTS或CTS握手信號，節(jié)點(diǎn)從當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入QUIET狀態(tài)。

(2)收到目的節(jié)點(diǎn)非本節(jié)點(diǎn)的DS信號，節(jié)點(diǎn)從當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入QUmT狀態(tài)。

(3)收到目的節(jié)點(diǎn)非本節(jié)點(diǎn)的RRTS信號，節(jié)點(diǎn)從當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入QUIET狀態(tài)。

超時規(guī)程：

(1)節(jié)點(diǎn)處于WFContend定時器超時，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇定時器值進(jìn)入CONTEND狀態(tài)。

(2)如節(jié)點(diǎn)是從WFContend進(jìn)入CONTEND狀態(tài)的，則定時器超時后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送RRTS分組，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。如節(jié)點(diǎn)是從IDLE狀態(tài)進(jìn)入CONTEND狀態(tài)的，定時器超時，節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS，進(jìn)入WFCTS狀態(tài)。

(3)其他狀態(tài)下定時器超時，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

圖2是MACAW協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖。

2 FAMA-NTR協(xié)議

2.1 FAMA-NTR的基本思想

FAMA-NTR(Non-persistent Transmit Request)協(xié)議是基于無隱藏終端的全連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出的。協(xié)議結(jié)合了非堅(jiān)持的載波監(jiān)聽和RTS/CTS握手機(jī)制，認(rèn)為RTS的長度要大于最大傳播時延才能保證控制分組不與數(shù)據(jù)分組沖突。

FAMA-NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，要先進(jìn)行載波監(jiān)聽，信道空閑則發(fā)送握手信號；如果監(jiān)聽到了載波或者解析到了RTS和CTS分組則進(jìn)行退避。發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間采用RTS-CTS-DATA三次握手完成通信過程，要求發(fā)送RTS分組的時長要大于最大傳播時延，以保證監(jiān)聽機(jī)制有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 FAMA-NTR的算法描述及狀態(tài)流程

FAMA-NTR協(xié)議可以分為六種狀態(tài)：START，PASSIVE、REMOTE.XMIT、RTS、BACKOFFO其中START狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)開機(jī)初始化；PASSIVE狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)初始化完畢，進(jìn)入主動偵聽狀態(tài)；REMOTE狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)在偵聽到信道有信號時進(jìn)行退避；XMIT狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；RTS狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送RTS；BACKOFF狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)根據(jù)退避計數(shù)器進(jìn)行退避。

工作于FAMA-NTR協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接入信道的過程如下：

(1)節(jié)點(diǎn)開機(jī)初始化完成后，監(jiān)聽信道，如監(jiān)聽到載波信號，則進(jìn)入REMOTE進(jìn)行退避，否則進(jìn)入PASSIVE狀態(tài)。

(2)PASSIVE狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)如監(jiān)聽到載波信號，進(jìn)入RE-MOTE進(jìn)行退避；如有數(shù)據(jù)待發(fā)，且監(jiān)聽信道無載波則調(diào)用RTS()，發(fā)送RTS分組。

(3)處于RTS狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到載波信號調(diào)用BACKOFF()進(jìn)行退避，如接收到分組且為CTS分組，則調(diào)用XMIT0，發(fā)送數(shù)據(jù)分組，如接收到其他分組，則調(diào)用BACKOFF()進(jìn)行退避。

(4)BACKOFF退避規(guī)則是設(shè)一定時器，定時值在()-20t(t指分組在信道傳送的最大時延)，定時器超時后監(jiān)聽信道，無載波則調(diào)用RTS0，發(fā)送RTS分組，否則調(diào)用REMOTE進(jìn)行退避。

(5)XMIT狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)設(shè)置傳送分組數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，如發(fā)送的數(shù)據(jù)超過傳送分組數(shù)則調(diào)用BACKOFF0，再次爭用信道后再發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)發(fā)送完，則回到PASSIVE狀態(tài)。 (6)REMOTE退避規(guī)則：退避2t+tl(t)指節(jié)點(diǎn)處理監(jiān)聽載波的時間)時間后，再次監(jiān)聽信道，如接收到CTS分組則再次調(diào)用REMOTE0退避；如接收到給本節(jié)點(diǎn)RTS分組發(fā)送CTS后調(diào)用REMOTE0退避；如接收到給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組則將數(shù)據(jù)提交上層處理后調(diào)用REMOTE0退避；監(jiān)聽到載波或解析分組出錯，再次調(diào)用REMOTE0退避；如未監(jiān)聽到載波且有數(shù)據(jù)要發(fā)送，調(diào)用BACKOFF()退避后爭用信道，否則回到PASSIVE狀態(tài)。

FAMA-NTR協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖3所示。

3 DBTMA協(xié)議

3.1 DBTMA的基本思想

為解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中無法保證節(jié)點(diǎn)接收RTS／CTS幀，造成MAC層協(xié)議失效的問題，提出了雙忙音多址接入?yún)f(xié)議DBTMA(Dual Busy Tone Multiple Access)。DBTMA把信道分割成控制信道和數(shù)據(jù)信道，分別傳輸控制信息和數(shù)據(jù)信息，并且在控制信道上開設(shè)了兩個窄帶忙音信號：接收忙音BTr(在接收點(diǎn)發(fā)送CTS前發(fā)送)和發(fā)送忙音BTt(在發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前發(fā)送)，用于指示節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)信道上接收和發(fā)送報文。通過對BTr和BTt的載波偵聽，加上RTS／CTS握手機(jī)制，共同解決隱藏終端和暴露終端問題。

兩個忙音信號的使用保證了節(jié)點(diǎn)在成功占用信道后數(shù)據(jù)分組的無沖突發(fā)送，在節(jié)點(diǎn)占用信道之前，仍采用非堅(jiān)持的載波偵聽機(jī)制和遇忙退避策略接入信道。節(jié)點(diǎn)在初始化后進(jìn)入IDLE狀態(tài)，如果高層有分組到達(dá)，首先進(jìn)行載波偵聽，如果沒有偵聽到接收忙音，發(fā)送RTS進(jìn)入WF_CTS狀態(tài)；否則，退避回到IDLE狀態(tài)。

3 .2 DBTMA算法描述及狀態(tài)流程

DBTMA可以用一般規(guī)則、通信規(guī)則和超時，退避規(guī)則來描述。工作于DBTMA協(xié)議下的節(jié)點(diǎn)可處于5種狀態(tài)：IDLE、CONTEND、WF CTS、TRANSMIT、WF DATA。

一般規(guī)則：

(1)所有節(jié)點(diǎn)開機(jī)初始化完成后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

(2)發(fā)送數(shù)據(jù)分組前，采用RTS和CTS信號進(jìn)行握手。

(3)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，打開BTt信號直到發(fā)送結(jié)束；節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收分組時，打開BTr信號直到接收結(jié)束。

通信規(guī)則：

(1)有數(shù)據(jù)待發(fā)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入CONTEND狀態(tài)，并監(jiān)聽信道BTr信號，如沒有監(jiān)聽到BTr信號則發(fā)送RTS，否則退避。

(2)節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的RTS信號后，監(jiān)聽信道BTt信號，如沒有監(jiān)聽到BTt信號則打開BTr信號、發(fā)送CTS并設(shè)置定時器，進(jìn)入WF_DATA狀態(tài)，否則停留在IDLE狀態(tài)。

(3)收到對方應(yīng)答的CTS信號后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)打開BTt信號，發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

(4)收發(fā)雙方在完成數(shù)據(jù)收發(fā)后，分別關(guān)閉各自的BTr和BTt信號，進(jìn)入IDLE。

超時／退避規(guī)則：

(1)節(jié)點(diǎn)處于任何狀態(tài)下，定時器超時，則回到IDLE狀態(tài)。

(2)節(jié)點(diǎn)在WF_CTS狀態(tài)下超時未收到CTS，增大退避值；節(jié)點(diǎn)在WF_CTS狀態(tài)下收到CTS，減小退避值。

DBTMA協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖4所示。

4 協(xié)議比較

上文介紹了MACAW、FAMA-NTR和DBTMA協(xié)議的基本原理和工作流程，表l就三種協(xié)議的特性做了綜合比較。

5 結(jié)束語

MAC層接入?yún)f(xié)議的作用是使多個用戶高效、合理地共享有限的信道資源。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)移動、分布式控制等特點(diǎn)，MAC層接入?yún)f(xié)議的設(shè)計面臨許多新的挑戰(zhàn)。本文針對現(xiàn)有的三種典型異步MAC層接入?yún)f(xié)議：MACAW、FAMA-NTR和DBTMA，從協(xié)議的基本思想、算法描述、協(xié)議狀態(tài)流程等方面進(jìn)行了探討，并就三種協(xié)議應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性作了比較。