無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中ＭＡＣ協(xié)議的研究

摘要：無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)是一種基于多跳路由、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，由于多跳造成的信道重疊，造成信道復(fù)用度低，從而制約了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的可擴(kuò)展性發(fā)展。該文從無(wú)線接入?yún)f(xié)議出發(fā)，指出了現(xiàn)有接入?yún)f(xié)議在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中帶來(lái)的新的問(wèn)題，給出了當(dāng)前在MAC層提出的若干解決方案并指出了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)在MAC層研究的主要方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)；MAC協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2009)05-1060-02

The Study of MAC Protocols in Wireless Mesh Networks

FEI Hong-hui

(School of Electronic Information， Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China)

Abstract: A wireless mesh networks is a peer-to-peer network made up of radio nodes which can self form and self heal relying on multi-hop forwarding. And the MAC protocols can provide functions for radio nodes to access the media. But multi-hop forwarding always brings interference of different nodes which will reduce the performance. So the paper at first introduce the new problems when present MAC protocols are used in Wireless Mesh Networks， then it presents several solutions in recent years and at last makes a conclusion about some open issues for future study.

Key words: wireless mesh networks; MAC protocols

1 引言

隨著下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多種新興無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，其中有一種重要的關(guān)鍵技術(shù)就是無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（wireless mesh networks）。在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都同時(shí)承擔(dān)著主機(jī)和路由器的功能，以多跳的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)不在通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的自組織和自配置特性，帶來(lái)了低成本、易維護(hù)、可靠服務(wù)和健壯性等一系列優(yōu)勢(shì)，為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)提供了廣闊的發(fā)展空間。

在過(guò)去的幾年里，WLAN技術(shù)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展和驚人的市場(chǎng)前景，它被廣泛的應(yīng)用在各種公共領(lǐng)域，如車(chē)站，餐廳和書(shū)店等。WLAN技術(shù)是由IEEE 802.11協(xié)議簇組成。但是，由于WLAN技術(shù)采用熱點(diǎn)(Access Point)接入的方法，每個(gè)熱點(diǎn)都需要和因特網(wǎng)通過(guò)有線連接，用戶實(shí)際的無(wú)線傳輸范圍僅局限在離熱點(diǎn)有限的無(wú)線通信距離內(nèi)，這就限制了WLAN的使用范圍。然而，mesh技術(shù)則恰恰能彌補(bǔ)這種缺陷。

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)由一系列的網(wǎng)狀路由器和網(wǎng)狀終端構(gòu)成。網(wǎng)狀路由器往往呈靜止?fàn)顟B(tài)，構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)的骨干部分，為網(wǎng)狀終端提供有線接入。網(wǎng)狀終端可以是靜止的或運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)終端，網(wǎng)狀終端之間或通過(guò)網(wǎng)狀路由器可以形成簡(jiǎn)單的網(wǎng)狀網(wǎng)。利用網(wǎng)狀路由器的網(wǎng)關(guān)和橋接功能，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)還可將因特網(wǎng)， 蜂窩網(wǎng)， IEEE 802.11， IEEE 802.15， 和IEEE 802.16等不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)。圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)是采用mesh技術(shù)對(duì)WLAN的一個(gè)擴(kuò)展。這是一個(gè)具有三層結(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，由熱點(diǎn)（特殊的無(wú)線路由器，高帶寬并與有線網(wǎng)連接）和無(wú)線路由器構(gòu)成了無(wú)線網(wǎng)的骨干，為終端用戶提供了與有線網(wǎng)接入的接口。通過(guò)多跳的方式，減少了網(wǎng)絡(luò)中熱點(diǎn)的數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的冗余，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但是，由?02.11協(xié)議采用基于載波偵聽(tīng)的信道接入方式，卻降低了網(wǎng)狀網(wǎng)的性能。本文主要從無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的信道接入?yún)f(xié)議出發(fā)，總結(jié)了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)在接入?yún)f(xié)議面臨的主要問(wèn)題以及相關(guān)MAC改進(jìn)算法，最后給出了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中信道接入?yún)f(xié)議的主要研究熱點(diǎn)和方向。

2 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)是一種典型的載波偵聽(tīng)/沖突避免的無(wú)線接入?yún)f(xié)議，最初是用于one-hop WLAN環(huán)境。當(dāng)802.11用于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)這種具有多跳特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對(duì)無(wú)線路由器構(gòu)成的回程網(wǎng)絡(luò)的容量以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體信息的傳輸帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

2.1 無(wú)線回程網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線回程網(wǎng)絡(luò)是指由一系列無(wú)線路由器動(dòng)態(tài)構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這些路由器主要負(fù)責(zé)將終端用戶的數(shù)據(jù)傳送到主干網(wǎng)上。評(píng)價(jià)回程網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)包括了網(wǎng)絡(luò)容量，吞吐量，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)以及數(shù)據(jù)的到達(dá)率。但是，通過(guò)先前的研究表明[1，2]， 載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免（CSMA/CA）接入方式并不能提供回程網(wǎng)絡(luò)所需要的性能要求。文獻(xiàn)[1]指出，TCP吞吐量性能在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中急劇下降，并引發(fā)了嚴(yán)重的TCP不公平和不穩(wěn)定現(xiàn)象。最糟糕的情況會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)流中的一個(gè)在吞吐量性能上出現(xiàn)“餓死”。文獻(xiàn)[1]指出這種性能的下降主要是因?yàn)?02.11接入?yún)f(xié)議形成的隱終端問(wèn)題，顯終端問(wèn)題以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法造成的。文獻(xiàn)[2]作者指出，減少競(jìng)爭(zhēng)和實(shí)現(xiàn)per-flow公平性模型是實(shí)現(xiàn)接入有效性和公平性的主要方向。文獻(xiàn)[3]給出了一個(gè)針對(duì)于無(wú)線回程網(wǎng)絡(luò)的TAP公平性參考模型，并深入分析了MAC協(xié)議，端到端擁塞控制協(xié)議，天線技術(shù)和流量類(lèi)型對(duì)TCP的影響，在不改變TCP協(xié)議的前提下，提出了一個(gè)基于MAC層的分布式算法，實(shí)現(xiàn)了TAP公平性。但算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜，且TAP網(wǎng)絡(luò)模型僅適應(yīng)于[3]提出的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CSMA/CA接入?yún)f(xié)議仍有待進(jìn)一步的改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能要求。

2.2 多媒體傳輸業(yè)務(wù)

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀終端與有線主干網(wǎng)間的大量多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。雖然IEEE 802.11e實(shí)現(xiàn)了為WLAN提供的MAC層QoS保證機(jī)制，但同樣，IEEE 802.11e的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)也是為one-hop網(wǎng)絡(luò)提供的QoS支持。IEEE 802.11e雖然支持兩種機(jī)制：增強(qiáng)型分布式協(xié)調(diào)功能(EDCF)和混合協(xié)調(diào)功能(HCF)。然而，研究表明，即使是適用于分布式系統(tǒng)的EDCF協(xié)議也并不適合多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)樵诙嗵W(wǎng)絡(luò)中沖突的概率變的非常大，EDCF協(xié)議中的參數(shù)已不再適合多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[4，5]，造成傳輸延時(shí)增大，大大降低了實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)流的性能。文獻(xiàn)[4]提出了EDCF-DM協(xié)議，根據(jù)當(dāng)前沖突率和業(yè)務(wù)等級(jí)通過(guò)動(dòng)態(tài)更新節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口，可有效的提高信道的利用率。類(lèi)似的，文獻(xiàn)[5]提出了Adaptive EDCF協(xié)議，根據(jù)業(yè)務(wù)要求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為不同的業(yè)務(wù)流設(shè)置相應(yīng)大小的競(jìng)爭(zhēng)窗口。然而，鑒于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的服務(wù)特點(diǎn)，針對(duì)諸如端到端延時(shí)，公平性，延時(shí)抖動(dòng)，總吞吐量和單流吞吐量等一系列指標(biāo)為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)提供QoS服務(wù)仍是研究的一個(gè)重點(diǎn)。

3 MAC層現(xiàn)有的解決方案

由于現(xiàn)有的IEEE 802.11 MAC不適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此，本節(jié)總結(jié)了一些現(xiàn)有的MAC改進(jìn)方案。主要從單信道解決方案，多信道解決方案依次闡述。

3.1 單信道解決方案

現(xiàn)有的單信道解決方案又分為三種類(lèi)型。第一種是對(duì)現(xiàn)有的MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[6，7]就是通過(guò)改進(jìn)CSMA/CA協(xié)議使得新的MAC協(xié)議能適應(yīng)于多跳環(huán)境。CSMA/CA協(xié)議的改進(jìn)通常是通過(guò)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小以及退避機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。雖然這種方案在單跳環(huán)境中能較大的提高吞吐量性能，但是，在以無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)為代表的多跳網(wǎng)絡(luò)，由于這種方案不能從根本上降低頻繁的信道競(jìng)爭(zhēng)，而且經(jīng)過(guò)多跳的累積效應(yīng)，使得多跳網(wǎng)絡(luò)中的端到端吞吐量依然很低。

第二種是結(jié)合物理層的跨層解決方案。文獻(xiàn)[8，9]采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率的方案，采用較小的可以覆蓋接收節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過(guò)降低信號(hào)的覆蓋范圍減少了顯終端出現(xiàn)的概率，特別是在節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這種方案能有效的增大頻率空間復(fù)用度，提高網(wǎng)絡(luò)總的吞吐量性能。然而這種方案依然無(wú)法解決隱終端問(wèn)題。

第三種是屏棄傳統(tǒng)的CSMA/CA接入機(jī)制，提出新的MAC解決方案。為了從根本上解決現(xiàn)有MAC協(xié)議造成多跳網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降的問(wèn)題，[10，11]從新的接入方式角度探詢無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的MAC解決方案。由于多跳造成節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)域相互交疊，以CSMA為代表的采用隨機(jī)接入方式的協(xié)議已不太適合，因此文獻(xiàn)[10，11]提議將TDMA或CDMA取代原來(lái)的CSMA接入方式。但由于TDMA或CDMA協(xié)議的復(fù)雜性和高成本，這方面的文獻(xiàn)并不多。而現(xiàn)有的IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)是一種集中式的TDMA協(xié)議，因此，設(shè)計(jì)一種新的分布式TDMA協(xié)議與原有的CSMA融合起來(lái)成為一個(gè)新穎的而富有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)之一[11]。

3.2 多信道解決方案

多信道解決方案也可以分為三種類(lèi)型。第一種是Multi-channel single-transceiver MAC方案。采用單收發(fā)器方案在硬件上容易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)也低。然而，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)接收電臺(tái)，意味著在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能使用一個(gè)信道。seed-slotted-channel hopping (SSCH) 算法[12]是一個(gè)虛MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了不同節(jié)點(diǎn)間信道的協(xié)調(diào)使用。它直接工作在802.11協(xié)議之上，不需要改動(dòng)現(xiàn)有協(xié)議。

第二種是Multi-channel multi-transceiver MAC方案。采用這種方案需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)具備多模塊化設(shè)計(jì)和多射頻芯片以支持多信道的同時(shí)傳輸。而設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議必須能統(tǒng)一的管理，有效的協(xié)調(diào)多信道的使用。雖然Engim多信道WLAN交換器[13]滿足多信道多收發(fā)器方案在物理層的需要，但如何設(shè)計(jì)一個(gè)有效的MAC協(xié)議仍是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。

第三種是Multi-radio MAC方案。在這種方案中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)無(wú)線電臺(tái)，每一個(gè)電臺(tái)有屬于自己的物理層和MAC協(xié)議，各個(gè)電臺(tái)之間是相互獨(dú)立的，因此，信道的合理分配是提高網(wǎng)絡(luò)容量的主要方法。[14]將信道分配和路由協(xié)議結(jié)合起來(lái)，基于鄰域的流量信息實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式的信道分配協(xié)議。 [15]提出的BFS-CA算法通過(guò)沖突預(yù)測(cè)，為每個(gè)電臺(tái)動(dòng)態(tài)的分配信道，降低了信道沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)容量。Multi-radio MAC方案已逐漸成為近年的研究熱點(diǎn)。

4 開(kāi)放性問(wèn)題

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中MAC接入?yún)f(xié)議的改進(jìn)從根本上是為了增強(qiáng)多跳網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，避免因多跳造成的網(wǎng)絡(luò)容量的降低。從當(dāng)前的研究成果可以看到，現(xiàn)有的基于CSMA/CA接入機(jī)制的改進(jìn)MAC協(xié)議雖然能解決部分問(wèn)題，但往往又容易導(dǎo)致其它問(wèn)題的擴(kuò)大化。因此，如何從根本上解決CSMA/CA接入機(jī)制的擴(kuò)展性是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

首先，由于TDMA或CDMA協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，使得在原有CSMA/CA基礎(chǔ)上采用分布式TDMA技術(shù)成為一個(gè)可行的解決方案[11]。其次，隨著物理層技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線設(shè)備費(fèi)用的降低，多信道解決方案將逐步成為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。再次，由于寬帶多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，MAC層設(shè)計(jì)必須支持相應(yīng)的延時(shí)，丟包率和延時(shí)抖動(dòng)等QoS需求，MAC層的QoS設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾芯糠较颉Ｗ詈?，由于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的路由器和終端用戶在移動(dòng)性，能量受限和發(fā)送數(shù)據(jù)量方面的不同，這也造成了它們?cè)谛诺澜尤肷系牟町?。因此，充分考慮路由器和終端用戶端間的區(qū)別，設(shè)計(jì)新的MAC協(xié)議也成為提高網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)主要研究方向。

5 小結(jié)

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)是一種新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)具有快速建立，易安裝，結(jié)構(gòu)靈活和健壯性等特點(diǎn)。本文從網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議出發(fā)，指出了現(xiàn)有的無(wú)線接入?yún)f(xié)議在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的不足和缺陷，并總結(jié)了當(dāng)前MAC協(xié)議的研究進(jìn)展和解決方案，最后概括了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中MAC協(xié)議的主要研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，對(duì)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的研究具有重要的指導(dǎo)意義。

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