無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究綜述

宋佳　門宇博　雷丹丹　劉庸民

摘要：隨著數(shù)據(jù)鏈需求的不斷擴(kuò)展和多點(diǎn)協(xié)同應(yīng)用的興起，使得無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無(wú)線自組網(wǎng)利用無(wú)線多跳方式完成節(jié)點(diǎn)間的相互通信，不依賴于任何固定設(shè)施，具有自組織和自管理的特性。本文首先介紹無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)和相關(guān)應(yīng)用;然后重點(diǎn)介紹自組網(wǎng)技術(shù)中MAC層協(xié)議的發(fā)展和研究情況;最后指出無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)中MAC層協(xié)議面臨的問(wèn)題和未來(lái)的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)通信;自組織;MAC層協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0031-03

0 引言

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)作為分布式多跳通信網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)無(wú)線收發(fā)設(shè)備組成。在自組織網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有物理意義上的中心節(jié)點(diǎn)，使得自組織網(wǎng)絡(luò)具有臨時(shí)性，以及能夠在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能迅速構(gòu)建的特點(diǎn)，自組網(wǎng)在構(gòu)建過(guò)程中不需要地面固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持[1]。在自組織網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)終端均可以自由移動(dòng)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位相等。

無(wú)線自組網(wǎng)與固定網(wǎng)絡(luò)相比具有如下特點(diǎn)：1）自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性：任意節(jié)點(diǎn)既可以在網(wǎng)絡(luò)中隨意自由移動(dòng)，也可以多個(gè)節(jié)點(diǎn)以編隊(duì)的形式進(jìn)行有規(guī)律的移動(dòng)，在沒(méi)有無(wú)線連接和安全限制下，節(jié)點(diǎn)可自由通信。2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性：由于自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是隨意自由移動(dòng)的，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化具有動(dòng)態(tài)性，即會(huì)發(fā)生迅速、隨機(jī)以及不可預(yù)測(cè)地變化[2]。3）網(wǎng)絡(luò)分布式特性：由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中不存在中心節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)的控制和管理功能由網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)分布式的實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)均具有成為路由節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的潛力。4）數(shù)據(jù)速率限制：由于自組織網(wǎng)絡(luò)使用的是無(wú)線信道，受限于無(wú)線信道的網(wǎng)絡(luò)容量，因此自組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率有限。5）移動(dòng)終端限制：在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備的體積和功率較小，并且設(shè)備的處理能力較弱，移動(dòng)終端受限提高了自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的難度。6）物理安全限制：由于自組網(wǎng)中不存在專門的路由節(jié)點(diǎn)，因此容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。同時(shí)節(jié)點(diǎn)間以廣播形式的通信鏈路會(huì)被多個(gè)會(huì)話所共享，導(dǎo)致信道誤碼率的增加。

基于自組網(wǎng)的以上特點(diǎn)，無(wú)線自組網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)靈活、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)易展開(kāi)、體抗毀能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它們?yōu)闊o(wú)線自組網(wǎng)在民用和軍事通信領(lǐng)域的發(fā)展提供了有利的保證。無(wú)線自組網(wǎng)的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： 1）軍事需求：由于無(wú)線自組網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程中不需要固定地面設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的抗毀特性，使得無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)無(wú)論在戰(zhàn)場(chǎng)語(yǔ)音通信還是武器的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸方面都成為關(guān)鍵技術(shù)核心。目前美軍走在世界軍事通信領(lǐng)域的前列，如美軍的數(shù)字電臺(tái)（NTDRP）和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)控制器（RNC）等主要通信裝備都使用了無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)[3]。2）應(yīng)對(duì)緊急和突發(fā)事件：已有的固定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能會(huì)由于地震、火災(zāi)、洪水等突發(fā)緊急事件而遭受不同程度的破壞，使固定通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作。在災(zāi)情發(fā)生時(shí)，自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)能夠?yàn)闉?zāi)區(qū)通信提供有力支持。災(zāi)情發(fā)生后，災(zāi)區(qū)便能夠及時(shí)恢復(fù)與外界的聯(lián)系，為搶險(xiǎn)和救災(zāi)工作提供有力保障[4]。3）個(gè)人和商業(yè)通信應(yīng)用：無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)可以用于個(gè)人通信設(shè)備（手機(jī)、筆記本電腦等）的無(wú)縫信息傳遞。由于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的無(wú)線發(fā)射功率較小，此時(shí)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)路由的多跳性能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并減少網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。未來(lái)由于5G的興起，使得無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上具有較為寬廣的應(yīng)用前景，包括遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)、車載網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)互聯(lián)等方面。

與傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)具有更好的應(yīng)用前景。但為了使無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)能夠在上述的實(shí)際應(yīng)用得以發(fā)展，依然需要解決很多的技術(shù)性問(wèn)題。本文主要對(duì)自組網(wǎng)中MAC層協(xié)議的發(fā)展和研究進(jìn)行針對(duì)性的綜述性介紹。

1 MAC層協(xié)議介紹

MAC層協(xié)議主要提供節(jié)點(diǎn)的信道接入機(jī)制，從而保證節(jié)點(diǎn)間的通信互不干擾，以一種高效率方式共享有限的無(wú)線帶寬資源。目前應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議大致分為競(jìng)爭(zhēng)類MAC層協(xié)議和分配類MAC層協(xié)議。

1.1 CSMA/CA協(xié)議

CSMA/CA協(xié)議作為傳統(tǒng)CSMA協(xié)議的擴(kuò)展是目前常用的競(jìng)爭(zhēng)類MAC層協(xié)議，屬于異步通信模式下的競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議。在CSMA/CA協(xié)議中包括：（1）RTS/CTS機(jī)制來(lái)減少隱藏終端帶來(lái)的影響;（2）二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB）以減少信息連續(xù)沖突的可能性[5]。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洵h(huán)境如圖1。

在圖1中存在一個(gè)信息接收節(jié)點(diǎn)（STAS）和兩個(gè)信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)（STAF1與STAF2）。當(dāng)STAF1與STAF2同時(shí)向STAS發(fā)送數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致在STAS處發(fā)生通信沖突，從而導(dǎo)致信息傳輸失敗。為了避免沖突發(fā)生，CSMA/CA協(xié)議提供的具體工作機(jī)制如圖2所示。

當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)存在信息需要發(fā)送時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)信道進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，若此時(shí)信道空閑則進(jìn)行回退計(jì)數(shù)。每一次回退時(shí)間均為單位時(shí)隙時(shí)間（Slot Time），當(dāng)回退計(jì)數(shù)為0時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)獲得當(dāng)前信道的訪問(wèn)權(quán)，可以向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。在圖2（a）中，STA2的回退計(jì)數(shù)優(yōu)先置0，此時(shí)向STA0發(fā)送數(shù)據(jù)包（PACKET A）。在STA0接收到PACKET A后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)解析，若通過(guò)則經(jīng)過(guò)短幀間間隔（SIFS）后向STA2節(jié)點(diǎn)反饋確認(rèn)信息幀（ACK）。在STA 2成功接收到確認(rèn)信息幀之后，PACKET A的傳輸完成。由于STA 1在本次競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)到信道，為了保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓叫裕敲雌湓谙乱淮蔚幕赝擞?jì)數(shù)過(guò)程中，直接繼續(xù)上次回退計(jì)數(shù)繼續(xù)回退。在圖2（b）中，雖然STA2的回退計(jì)數(shù)優(yōu)先置0，但STA0未能向STA2反饋確認(rèn)信息幀，此時(shí)STA2需要利用二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB）重新計(jì)算初始回退計(jì)數(shù)的值，再次對(duì)信道進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

在CSMA/CA協(xié)議中，引入了RTS/CTS機(jī)制解決網(wǎng)絡(luò)中可能存在的隱藏終端問(wèn)題。RTS和CTS幀都是一個(gè)廣播幀，其中RTS包含后續(xù)發(fā)送過(guò)程所需的時(shí)間。CTS包含除去RTS以及一個(gè)SIFS時(shí)間后的發(fā)送過(guò)程所需時(shí)間。RTS/CTS工作機(jī)制對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖如圖3所示。

在圖3中，STAF2的回退計(jì)數(shù)優(yōu)先置0，其首先發(fā)送RTS數(shù)據(jù)幀給STAS。若在STAS處沒(méi)有沖突，STAS會(huì)在等待SIFS時(shí)間后廣播發(fā)送CTS幀。當(dāng)STAF1解析該CTS信息后，知曉該CTS不是STA1發(fā)送的RTS所請(qǐng)求所獲得的。從而STAF1會(huì)提出CTS中的發(fā)送過(guò)程總體所需時(shí)間，并在本地NAV上設(shè)置該時(shí)間進(jìn)行倒數(shù)。在未倒數(shù)至0之前，其隨機(jī)回退計(jì)數(shù)值都講不再繼續(xù)回退技術(shù)。當(dāng)STAF2接收到CTS后，已知信道空閑進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，節(jié)點(diǎn)STAS向STAF2反饋ACK信息，最終完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 FPRP協(xié)議介紹

由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)靈活性、誤碼率和信道利用率等要求的不斷提高，使得動(dòng)態(tài)分配類的MAC層協(xié)議也成為主要應(yīng)用于無(wú)線自組網(wǎng)中的主要MAC層協(xié)議之一。五次握手協(xié)議（Five-Phase Reservation Protocol，F(xiàn)PRP）[6]是具有代表性的動(dòng)態(tài)分配MAC協(xié)議之一。利用五步預(yù)留過(guò)程來(lái)建立基于TDMA的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，降低動(dòng)態(tài)TDMA的時(shí)隙沖突。與其它基于動(dòng)態(tài)TDMA的協(xié)議不同，F(xiàn)PRP協(xié)議的預(yù)約過(guò)程不僅僅局限于每個(gè)時(shí)幀開(kāi)始階段的控制時(shí)隙，而是允許在時(shí)幀中的任何時(shí)隙同時(shí)進(jìn)行預(yù)約工作，預(yù)約的過(guò)程不受控制時(shí)隙的制約。FPRP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

五次握手的基本過(guò)程如下：

（1）在預(yù)留請(qǐng)求階段（RR），需要預(yù)約發(fā)送時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)以設(shè)定概率發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求分組信息，不需要預(yù)約的節(jié)點(diǎn)則在這段時(shí)間監(jiān)聽(tīng)信道，獲取預(yù)約節(jié)點(diǎn)的預(yù)約分組信息。

（2）在沖突報(bào)告階段（CR），當(dāng)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中收到多個(gè)預(yù)約分組信息時(shí)，發(fā)送一個(gè)沖突信息，當(dāng)只收到一個(gè)預(yù)約分組信息時(shí)則保持沉默。若需要預(yù)約發(fā)送時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)未收到?jīng)_突信息，則預(yù)約發(fā)送時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)可以預(yù)約發(fā)送時(shí)隙。

（3）在預(yù)留證實(shí)階段（RC），預(yù)約被建立。預(yù)約節(jié)點(diǎn)在這一階段發(fā)送預(yù)留證實(shí)信息，其相鄰節(jié)點(diǎn)在收到預(yù)留證實(shí)信息后均知曉該時(shí)隙已被預(yù)約，從而不再對(duì)該時(shí)隙進(jìn)行預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)。

（4）在預(yù)留確認(rèn)階段（RA），預(yù)約節(jié)點(diǎn)將最新預(yù)約信息發(fā)送給兩跳范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)。

（5）在填充和撤銷階段（P/E），由預(yù)約節(jié)點(diǎn)在兩跳范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求分組信息至預(yù)約節(jié)點(diǎn)三跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，從而增加節(jié)點(diǎn)預(yù)約效率，加速收斂;撤銷分組信息可用于消除網(wǎng)絡(luò)中可能存在的非孤立死鎖問(wèn)題。

FPRP協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的敏感度較弱，因此該協(xié)議普遍用于規(guī)模較大和動(dòng)態(tài)變化較為強(qiáng)烈的自組織網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)FPRP協(xié)議在五次握手中的沖突報(bào)告階段可以有效檢測(cè)兩個(gè)隱藏終端的信息碰撞，兩個(gè)碰撞節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)的沖突信息即可停止信息碰撞，從而避免了基于TDMA的MAC層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中存在隱藏終端導(dǎo)致信息碰撞的問(wèn)題。

2 MAC層協(xié)議發(fā)展的展望

本文對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)中典型的MAC層協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，后續(xù)面對(duì)無(wú)線通信需求的不斷擴(kuò)大，在MAC層協(xié)議研究中可以對(duì)以下四個(gè)方面進(jìn)行更加深入的探討。首先在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境和系統(tǒng)本身是復(fù)雜多變的，目前針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境，需設(shè)計(jì)不同的MAC層協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)接入控制，為了得到滿足實(shí)際應(yīng)用需求的MAC層協(xié)議的性能結(jié)論，需要在網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中加入符合實(shí)際場(chǎng)景和環(huán)境情況的網(wǎng)絡(luò)模型，例如無(wú)線信道模型、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型等。其次在對(duì)基于TDMA的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法的研究中，對(duì)于拓?fù)渫该魈匦缘难芯烤哂幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)，但同時(shí)動(dòng)態(tài)TDMA在面對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量較小，因此在未來(lái)的研究中，如何提高基于動(dòng)態(tài)TDMA的MAC層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量成為動(dòng)態(tài)分配MAC層協(xié)議的關(guān)鍵。再次，隨著數(shù)據(jù)信息類型的不斷擴(kuò)展，單一數(shù)據(jù)類型的傳輸已經(jīng)不能滿足于如今的軍事或民事需求，因此需要對(duì)針對(duì)多類型、多優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的MAC層協(xié)議進(jìn)行研究，在保證數(shù)據(jù)信息能夠按需收發(fā)的同時(shí)，保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的低時(shí)延性能。最后，隨著對(duì)自組網(wǎng)中物理層編碼技術(shù)和傳輸體制、MAC層的調(diào)度算法、網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議、應(yīng)用層的自適應(yīng)機(jī)制等研究力度的增大，就越容易發(fā)現(xiàn)單獨(dú)各層性能的局限性。在研究各層體制和協(xié)議時(shí)，不但要確保網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)滿足要求，同時(shí)還要將各層級(jí)的體制和協(xié)議相互關(guān)聯(lián)，避免物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層體制的獨(dú)立研究。因此為了使MAC層協(xié)議在滿足網(wǎng)絡(luò)要求的同時(shí)擁有較強(qiáng)的時(shí)延和吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能，在進(jìn)行MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)也需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和物理層相關(guān)的協(xié)議和體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，利用跨層設(shè)計(jì)的思路提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能。

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Review of MAC Protocols in Wireless Ad Hoc Network

SONG Jia，MEN Yu-bo，LEI Dan-dan，LIU Yong-min

（Space Star Technology Co.，Ltd（503），Beijing? 100086）

Abstract：The self-organized network technology has became the research hotspot in the field of Link， with the continuous expansion of the requirements of Link and the rise of multi-point collaborative applications. The self-organized network which uses multi-hop mode to complete the nodes communication without any fixed facilities has self-organization and self-management. This paper introduces the concept， feature and relevant applications firstly. Then the development and research of MAC protocol are introduced in detail. Finally， it points out the problems and future challenges on MAC protocol.

Key words：Wireless Network;Node Communication;Self-organized;MAC Protocol