一種保證廣播可靠性的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議

1、一種保證廣播可靠性的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議 摘 要 分析IEEE802.11 DCF在實(shí)現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)傳輸中存在的問題，提出了一種新的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議。采用循環(huán)訪問的方式，分別向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的情況下，該協(xié)議具有較好性能，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的廣播。關(guān)鍵字 無線自組網(wǎng)； MAC； 廣播0 引 言無線自組網(wǎng)是一種無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，由一組帶有無線收發(fā)設(shè)備的移動(dòng)自主節(jié)點(diǎn)組成的自治系統(tǒng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間作為對等實(shí)體通過無線鏈路連接，而不借助于任何已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或集中管理。由于信道的動(dòng)態(tài)變化以及分布式控制等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用于移動(dòng)自組網(wǎng)的分布式MAC層協(xié)議，已成為移動(dòng)自組網(wǎng)的研究熱點(diǎn)之一。移

2、動(dòng)自組網(wǎng)的MAC層協(xié)議主要描述和實(shí)施無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對無線信道的多址接入。 目前，所有無線自組網(wǎng)廣播/多播路由協(xié)議都是利用無線信道的廣播特性來實(shí)現(xiàn)的。例如，ODMRP1就是利用MAC層的廣播特性來實(shí)現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)包的傳輸。因此，MAC層對于廣播/多播路由的實(shí)現(xiàn)來說是十分重要的。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了無線網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。但是，它只能為單播數(shù)據(jù)傳輸提供可靠性。它使用的是CSMA/CA載波監(jiān)測機(jī)制，通過交換RTS/CTS/ACK控制幀來預(yù)約信道和保證數(shù)據(jù)幀的正確接收，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。然而，對于廣播數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)要被發(fā)送到所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果鄰居節(jié)點(diǎn)都試圖交換CTS/ACK控制

3、幀，必然會(huì)導(dǎo)致CTS/ACK幀在發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的沖突。 在本文中，我們提出了一種新的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議，以一種循環(huán)訪問的方式向各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的廣播。1 預(yù)備知識(shí)該協(xié)議借鑒了IEEE802.11 DCF的部分相關(guān)技術(shù)。所以，先對其進(jìn)行簡要的介紹是必要的。 IEEE802.11 DCF23是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的無線局域網(wǎng)信道接入?yún)f(xié)議，用于ad hoc結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11源于CSMA /CA，對CSMA /CA進(jìn)行了擴(kuò)展，加入了ACK控制幀來實(shí)現(xiàn)鏈路層的確認(rèn)。它使用CSMA/CA的載波監(jiān)聽機(jī)制來監(jiān)聽信道，使用RTS/CTS來實(shí)現(xiàn)信道的預(yù)約。在實(shí)現(xiàn)CSM

4、A/CA過程中，采用了兩種獨(dú)特的技術(shù)。 虛擬載波監(jiān)聽技術(shù)：RTS/CTS/DATA/ACK。網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B時(shí)，先發(fā)送一個(gè)RTS控制信號(hào)給節(jié)點(diǎn)B；節(jié)點(diǎn)B收到RTS后 ，回送一個(gè)CTS信號(hào)。RTS/CTS中有一個(gè)Duration/ID字段，用于指示無線資源被占用的時(shí)間。這樣，在A和B的通信范圍內(nèi)，所有收到RTS或CTS信號(hào)的節(jié)點(diǎn)都將停止發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且將它們的網(wǎng)絡(luò)配置矢量（NAV）計(jì)數(shù)器設(shè)置為Duration/ID字段所對應(yīng)的時(shí)間值；只有當(dāng)NAV0時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)才可以再次偵聽無線鏈路。同樣，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA/ACK中也設(shè)定了信道被占用的時(shí)間。 隨機(jī)接入技術(shù)：一旦發(fā)生沖突，該

5、節(jié)點(diǎn)要根據(jù)二進(jìn)制指數(shù)退避算法計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間。2 新的MAC層協(xié)議21 節(jié)點(diǎn)信息列表 在我們提出的MAC層協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要保存三個(gè)列表：鄰居列表（NEIGHBOR LIST），發(fā)送數(shù)據(jù)緩存列表（SEND BUFFER），接收數(shù)據(jù)序列號(hào)緩存列表（RECEIVER BUFFER）。節(jié)點(diǎn)通過（RTS/CTS/DATA/ACK/HELLO）來確定和更新它們的鄰居節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)點(diǎn)收到其中任何一個(gè)幀時(shí)，將更新它的NEIGHBOR LIST。當(dāng)然，如果在一定的時(shí)間間隔之內(nèi)沒有收到來自NEIGHBOR LIST中某一節(jié)點(diǎn)的以上任何一種幀，將把該節(jié)點(diǎn)從NEIGHBOR LIST中刪除。 在SEND BUFF

6、ER中存儲(chǔ)著已發(fā)送但未被其所有鄰居節(jié)點(diǎn)成功接收的幀的副本，這些幀還會(huì)被重新發(fā)送。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都已成功接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，該數(shù)據(jù)幀的副本將從SEND BUFFER中刪除。SEND BUFFER中所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)幀數(shù)目不應(yīng)小于所有節(jié)點(diǎn)中鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)的最大值。除SEND BUFFER以外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還保存一個(gè)數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列用于緩存未發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。 最后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還保存著一個(gè)RECEVIER BUFFER列表，其中存儲(chǔ)著已被成功接收數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)。在發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS中包括要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的序 列號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)接收到RTS后，將RECEIVER BUFFER中的序列號(hào)和RTS中的進(jìn)行比較，判斷是否存在未成

7、功接收的幀的序列號(hào)。如果有，則在CTS中指出這些數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)。22 協(xié) 議 當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先通過CSMA/CA的載波監(jiān)聽機(jī)制來監(jiān)聽信道，像IEEE802.11 DCF一樣。如果信道是空閑的，發(fā)送節(jié)點(diǎn)向它的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀，在其中列出在SEND BUFFER中已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和當(dāng)前要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)。在收到RTS幀之后，這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)檢查它的RECEIVER BUFFER列表，確定要接收的數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)。當(dāng)列表中缺少以前已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)，則在CTS幀中指出未成功接收數(shù)據(jù)幀中序列號(hào)最小的一個(gè)。如果只缺少目前正準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)，則在CTS響應(yīng)幀中指出該數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)

8、。 所有接收到RTS的其它鄰居節(jié)點(diǎn)，將退避足夠長的時(shí)間以便CTS/DATA/ACK的發(fā)送。發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS之后，發(fā)送在CTS中指出的序列號(hào)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。所有收到CTS幀的節(jié)點(diǎn)（除發(fā)送節(jié)點(diǎn)）將退避足夠長的時(shí)間使得DATA/ACK發(fā)送。接收到DATA后，目的節(jié)點(diǎn)更新自己的RECEIVER BUFFER列表，將所接收數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)添加到RECEVIER BUFFER列表中，并發(fā)送ACK確認(rèn)幀。其它接收到DATA幀的節(jié)點(diǎn)同樣更新它們的RECEIVER BUFFER列表。發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收ACK之后，判斷剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是不是節(jié)點(diǎn)當(dāng)前正準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。如果不是，則繼續(xù)向該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀，直到當(dāng)前要

9、發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被接收為止。在這個(gè)過程中，監(jiān)聽信道的過程被省略，因?yàn)樾诺酪恢北淮舜瓮ㄐ潘加谩Ｒ坏┠壳耙l(fā)送的數(shù)據(jù)幀被發(fā)送且得到確認(rèn)，原節(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)幀的副本保存在SEND BUFFER中，然后選擇在NEIGHBOR LIST的下一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)重復(fù)執(zhí)行以上步驟。 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)一直有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，這種循環(huán)發(fā)送的過程可以正常進(jìn)行。但是，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，循環(huán)的過程將暫停，從而發(fā)送節(jié)點(diǎn)不知道下一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)成功接收了全部已發(fā)送數(shù)據(jù)幀。直到有新的數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)才能確定這一點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)送計(jì)時(shí)器，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在計(jì)時(shí)器設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒有發(fā)送RTS幀，則發(fā)送

10、節(jié)點(diǎn)將選擇NEIGHBOR LIST中的下一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀，這樣循環(huán)過程可以繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都被訪問，而發(fā)送隊(duì)列仍為空時(shí)，循環(huán)過程終止，發(fā)送計(jì)時(shí)器關(guān)閉。直到有新的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，發(fā)送計(jì)時(shí)器重新啟動(dòng)，循環(huán)發(fā)送重新開始。當(dāng)信道爭用過于激烈時(shí)，協(xié)議將退化成802.11這種不可靠的廣播模式。因過高的信道爭用率將導(dǎo)致控制幀和數(shù)據(jù)幀的重傳。當(dāng)重傳次數(shù)超過協(xié)議的設(shè)定的重傳次數(shù)最大值時(shí)，節(jié)點(diǎn)將刪除NEIGHBOR LIST中的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行IEEE802.11協(xié)議，直到有新的鄰居節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)。3 性能分析 該協(xié)議充分利用了無線信道的廣播特性。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，其他鄰居節(jié)點(diǎn)通過

11、偵聽信道，也可以接收目前尚未成功接收的數(shù)據(jù)幀，從而極大的減少了循環(huán)發(fā)送過程中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送量，節(jié)省了寶貴的無線信道資源。使用RTS/CTS進(jìn)行信道預(yù)約，減少了信道爭用沖突，提高信道的利用率，并較好的解決了隱發(fā)送終端的問題。4 結(jié)束語 該協(xié)議彌補(bǔ)了IEEE802.11 DCF只能對單播數(shù)據(jù)提供可靠傳輸?shù)牟蛔?，充分利用了MAC層的廣播特性，為廣播數(shù)據(jù)提供可靠性。該協(xié)議在廣播信道的爭用率較低的情況下，運(yùn)行效果較好。下一步的工作重點(diǎn)就是在現(xiàn)有的高效多播路由協(xié)議中加入流量控制和擁塞控制機(jī)制，以保證這種新的MAC層協(xié)議能夠高效的運(yùn)行。參考文獻(xiàn):1 Sung-Ju Lee, Mario Gerla, Chin

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