無(wú)線自組網(wǎng)多信道MAC協(xié)議研究

1、無(wú)線自組網(wǎng)多信道MAC、議研究作者姓名 劉亮 導(dǎo)師姓名、職稱 曾興雯教授一級(jí)學(xué)科信號(hào)與信息處理二級(jí)學(xué)科通信與信息系統(tǒng)學(xué)科門類 工學(xué)提交畢業(yè)論文日期 2014年11月學(xué)校代碼 107011201120055學(xué) 號(hào)分T繆絲 TN82密級(jí) 公開西安電子科技大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文無(wú)線自組網(wǎng)多信道MACfc議研究A Study of Muti-channel MACProtocol in Wireless Ad Hoc NetworkA thesis submitted toXIDIAN UNIVERSITYin partial fulf川ment of the requirementsof Maste

2、r graduationByLiu liang(Electronic Science and Technology)Supervisor: Prof. Zeng XingwenNovember 2014西安電子科技大學(xué)畢業(yè)論文獨(dú)創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表

3、示了謝意。畢業(yè)論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名：日 期：西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用畢業(yè)論文的規(guī)定，即：研究生在校學(xué)習(xí)期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容， 可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合 畢業(yè)論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。（保密的論文在解密后遵守此規(guī)定）本論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期：日 期：摘要摘要無(wú)線自組網(wǎng)是一種無(wú)中

4、心控制節(jié)點(diǎn)的多跳、對(duì)等、自愈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，被廣 泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。其中，媒體接入控制協(xié)議（ MAC的性能很大程度 上影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)性能。傳統(tǒng)無(wú)線自組網(wǎng)的 MAO議采用單信道MAO議， 分組沖突概率大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量低，而隨著通信和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，開放頻點(diǎn)越來(lái)越多，單信道MAO議性能不良和浪費(fèi)信道的缺點(diǎn)凸顯，多信道MAO議迅速成為研究熱點(diǎn)。本文在深入研究現(xiàn)有MAO議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于信道協(xié)商的 無(wú)線自組網(wǎng)多信道 MAC®、議（CN-MMACmulti-channel MAC protocol based on channel negotiation ）,協(xié)議的主

5、要思想是：使用控制信道與數(shù)據(jù)信道分離的技 術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)信道使用列表， 并計(jì)算空閑信道值編碼，在控制信道上通 過(guò)握手信號(hào)和廣播消息完成信道預(yù)約，并在預(yù)約成功的數(shù)據(jù)信道上完成分組傳輸 和分組傳輸?shù)拇_認(rèn)。本文的主要工作如下：1 .多信道MAO議的設(shè)計(jì)：本文從無(wú)線自組網(wǎng)的基本概念出發(fā)，分析了現(xiàn)有 的MAC*議，并指明了當(dāng)前適用于無(wú)線自組網(wǎng)的 MAO議所存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了 一種基于信道協(xié)商的無(wú)線自組網(wǎng)多信道 MACB議（CN-MMAC、議）,具體解決了 如下問(wèn)題：信道分配問(wèn)題、多信道隱藏終端問(wèn)題、控制開銷問(wèn)題。2 .多信道MAO議的性能研究：本文使用 NS-2仿真工具，修改仿真模型， 添加CN-

6、MMAC議，通過(guò)對(duì)比CN-MMAC議與其他多信道 MAO議的性能，證明 本文設(shè)計(jì)的多信道MAC*議具有較好性能。3 .多信道MAO議的實(shí)現(xiàn)：在硬件平臺(tái)上移植本文設(shè)計(jì)的多信道 MAC*議， 為無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議棧提供 MAC層的透明傳輸接口，證明本文設(shè)計(jì)的多信道MAC協(xié)議具有較好的可移植性和較好實(shí)用價(jià)值。4 .多信道MAO議QoS呆障機(jī)制研究：根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同的退避算法， 調(diào)整信道接入機(jī)制，仿真表明該方案能有效提高實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。5 .總結(jié)全文，并指明了下一步的工作研究方向。關(guān)鍵詞：無(wú)線自組網(wǎng)，多信道， MAO議 論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)研究類ABSTRACTWireless ad hoc ne

7、tworks is a multi-hop peer, self-healing wireless network without central control node,which is widely used in people's production and life. Among them, the performance of the media accesscontrol (MAC) protocol largely affects performance of wireless networks. Traditional wireless ad hoc network

8、s use single-channel MAC protocol, in which packet collision probability is great and network throughput is low. With the rapid development of communications and computer industries, more and more frequency opens up, which highlights the shortcomings of poor performance of single-channel MAC protoco

9、l and channel wasted. So multi-channel MAC protocol quickly becomes a hot topic.On the basis of in-depth study of existing MAC protocol, This paper designs and implements a multi-channel MAC protocol wireless ad hoc network (CN-MMAC, multi-channel MAC protocol based on channel negotiation) based cha

10、nnel negotiation. The main idea of the protocol is: Control channels and data channels are separated and each node maintains a list of channels which are used. The node completes channel reservation on the control channel signal through broadcast message and the handshake signal. Data packet transmi

11、ssion is completed on data channel reservatied successly.The main work of this paper is as follows:1. The design of multi-channel MAC protocol: This paper analyzes the existing MAC protocol from the basic concept of wireless ad hoc networks and indicates the current issues that exist. Design a wirel

12、ess ad hoc network based on channel negotiation of multi-channel MAC protocol (CN-MMAC protocol), specifically address the following issues: the assignment of channels, the hidden terminal problem of multi-channel and control overhead problem.2. Performance research of multi-channel MAC protocol: Mo

13、dify the simulation model using NS-2 simulation tools and add multi-channel MAC protocol. This paper analyzes the performance of other protocols and proves that multi-channel MACABSTRACTprotocol designed in this paper has a higher performance.3. Realization of multi-channel MAC protocol: Transplant

14、multi-channel MAC protocol designed in this paper on the hardware platform, which provides transparent transmission interface on MAC layer protocol stack for wireless ad hoc networks. Prove this design has better portability and good practical value.4. Research on quality of service (QoS) of multi-c

15、hannel MAC protocol: Set different back off algorithm based on business priorities to adjust channel access mechanism. The simulation shows that this scheme can improve the quality of real-time business services effectively.5. Summary of the paper: indicates the direction of work and research in the

16、 future.Keywords: Ad Hoc,multi-channel ,mac protocolType of Dissertation: Applied Basic Research插圖索引圖1.1 論文組織框架 16圖2. 1隱藏終端20圖2. 2暴露終端20圖3. 1 信道使用列表結(jié)構(gòu) 26圖3. 2 CN-MMAC協(xié)議分組轉(zhuǎn)發(fā)流程圖 27圖3. 3 CN-MMAC協(xié)議流程 28圖3. 4 信道預(yù)流程 30圖3. 5網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成架構(gòu)31圖3. 6SI4463 的性能指標(biāo)32圖3. 7 STM32芯片性能指標(biāo) 33圖3. 8 Si4463 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn) 34圖3. 9 Si4463

17、參數(shù)設(shè)置 35圖4. 1 NS-2仿真器結(jié)構(gòu) 37圖4. 2 NS-2 模塊組成結(jié)構(gòu) 38圖4. 3移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型39圖4. 4改進(jìn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型 41圖4. 5鏈狀拓?fù)?2圖4. 6 鏈狀拓?fù)湎峦掏铝侩S跳數(shù)變化 43圖4. 7鏈狀拓?fù)湎露说蕉巳昭与S跳數(shù)變化 43圖4. 8隨機(jī)多跳拓?fù)?4圖4. 9隨機(jī)多跳拓?fù)湎峦掏铝侩S包發(fā)送間隔變化 45圖4. 10隨機(jī)多跳拓?fù)湎露说蕉藭r(shí)延隨包發(fā)送間隔變化 45圖5. 1歸一化吞吐量隨分組到達(dá)率變化 48圖5. 2 平均分組時(shí)延隨包到達(dá)率變化 49表格索引表格索引表格1 FCCS計(jì)算26表格2 RTS幀格式 28表格3 CTS幀格式28表格4 DATA幀格式2

18、9表格5 ACK幀格式 29表格6 RES幀格式29縮略詞對(duì)照表縮略語(yǔ)央乂全稱中乂對(duì)照PRNETPacket Radio Network分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CSMACarrier Sense Multiple Access載波偵聽多路訪問(wèn)SURANSurvivable Radio Network抗毀性無(wú)線網(wǎng)絡(luò)TITactical Internet多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)IETFInternet Engineering Task ForceInternet工程任務(wù)組MACMedia Access Control媒體訪問(wèn)控制層MACAMultiple Access with Collision Avoidance多址

19、訪問(wèn)與碰撞回避協(xié)議DCADynamic channel Assignment動(dòng)態(tài)多信道協(xié)議ARQAutomatic Repeat Request自動(dòng)重傳請(qǐng)求RTSRequest to Send發(fā)送請(qǐng)求分組CTSClear to Send允許發(fā)送分組DSData Sending數(shù)據(jù)發(fā)送控制分組ACKAcknowledgement正確應(yīng)答分組DCFDistributed Coordination Function分布式控制模式CSMA/CACarrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance載波偵聽多址訪問(wèn)與碰撞回避BTMABusy-Tone

20、 Multiple AccessDBTMADouble Busy-Tone Multiple AccessMMACMulti-Channel MACPCLPreferable Channel ListRESResponseCULCurrent used ListFCCSFree Channel CodingSummationQoSQuality of Service忙音多址訪問(wèn)協(xié)議雙首音多址訪問(wèn)協(xié)議 多信道MAC協(xié)議 優(yōu)先信道列表確認(rèn)發(fā)送分組當(dāng)前信道使用列表空閑信道編碼和值服務(wù)質(zhì)量目錄目錄摘要5ABSTRACT 6插圖索引8表格索引9縮略詞對(duì)照表10第一章 緒論131.1 課題背景131.1.

21、1 無(wú)線自組網(wǎng)概述131.1.2 無(wú)線自組網(wǎng)的特點(diǎn) 141.2 無(wú)線自組網(wǎng) MAC 協(xié)議研究現(xiàn)狀 151.3 本文組織框架 161.4 本章小結(jié)16第二章 無(wú)線自組網(wǎng) MACB議的研究分析 172.1 基于信道訪問(wèn)策略的 MAC協(xié)議 172.1.1 競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議172.1.2 分配類MAC協(xié)議172.1.3 混合類 MAC 協(xié)議182.2 基于信道數(shù)目的 MAC協(xié)議 182.2.1 單信道 MAC 協(xié)議 182.2.2 雙信道MAC協(xié)議222.2.3 多信道MAC協(xié)議222.3 本章小結(jié)24第三章 無(wú)線自組網(wǎng) CN-MMAC、議 253.1 CN-MMAC 協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù) 253.1.1

22、多信道隱藏終端問(wèn)題 253.1.2 控制開銷問(wèn)題 263.1.3 信道分配問(wèn)題 263.2 CN-MMAC 協(xié)議設(shè)計(jì)273.2.1 協(xié)議總體設(shè)計(jì)思想273.2.2 協(xié)議總流程 283.2.3 幀格式說(shuō)明 283.2.4 信道預(yù)約 303.3 CN-MMAC協(xié)議在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn) 313.3.1 硬件平臺(tái)介紹313.3.2 CN-MMAC協(xié)議的移植要點(diǎn) 343.4 本章小結(jié)36第四章 基于NS-2的CN-MMAC 協(xié)議性能分析 374.1 NS-2仿真工具介紹374.1.1 NS-2基本原理 374.1.2 NS-2無(wú)線仿真功能 384.2 NS2創(chuàng)建仿真模型 384.2.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型及改進(jìn)

23、 384.2.2 MAC層多信道模型實(shí)現(xiàn) 414.2.3 添加 CN-MMAC 協(xié)議到 NS-2 414.3 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析 424.3.1 鏈狀多跳場(chǎng)景424.3.2 隨機(jī)多跳場(chǎng)景 444.4 本章小結(jié)46第五章基于CN-MMAC 協(xié)議的QoS保障機(jī)制研究475.1 QoS保障分析475.2 CN-MMAC 協(xié)議的QoS保障機(jī)制 475.3 仿真及性能分析 48第六章總結(jié)與展望506.1 工作總結(jié)506.2 展望50參考文獻(xiàn)52第一章緒論1.1 課題背景1.1.1 無(wú)線自組網(wǎng)概述當(dāng)今社會(huì)中，網(wǎng)絡(luò)變得無(wú)處不在，人們?cè)诠ぷ鳌W(xué)習(xí)和生活中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越 強(qiáng)，在這樣的社會(huì)背景下，強(qiáng)烈的需求催

24、生了科研工作者和網(wǎng)絡(luò)愛(ài)好者對(duì)研發(fā)具有更強(qiáng) 大性能的網(wǎng)絡(luò)的追求，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)通信的重要組成部分，正在迅速的改變著人 們的生活方式，寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)、短距離無(wú)線互聯(lián)等技術(shù)使人們以更方 便、更快捷、更安全的方式與世界各地溝通，而現(xiàn)今存在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)制式不能滿足人們 隨時(shí)隨地進(jìn)行布網(wǎng)溝通的需求，在此背景下，具有快速組網(wǎng)、高自愈性的無(wú)線自組織網(wǎng) 絡(luò)(即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))開始贏得學(xué)著眾多的研究和關(guān)注。作為一種新型的組網(wǎng)技術(shù)，無(wú) 線自組網(wǎng)不依賴于任何中心實(shí)體或基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一部分，既可以 作為信息的發(fā)起者和接受者，也可以作為信息的中繼者，節(jié)點(diǎn)通過(guò)精心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 棧相互合

25、作，進(jìn)行自動(dòng)配置和管理，自發(fā)的通過(guò)信息交互組成網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)，信息通過(guò)在節(jié)點(diǎn)間相互中繼的方式，增大無(wú)線設(shè)備的傳輸距離，拓寬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋 范圍，為用戶提供各種服務(wù)10雖然無(wú)線自組網(wǎng)的概念誕生并運(yùn)用于軍用領(lǐng)域，但是由 于其優(yōu)良的性能，在商用領(lǐng)域等方面也表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)的進(jìn)一步研 究已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)。ALOHA網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線自組網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)階段，雖然它的直接研究目的并不是基于無(wú) 線自組網(wǎng)，但是它的思想對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)具有很強(qiáng)的借鑒意義，為后者的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。固定基站和分布式信道訪問(wèn)管理是ALOHA網(wǎng)絡(luò)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中，分布式信道訪 問(wèn)技術(shù)為后續(xù)無(wú)線自組網(wǎng)的研究開發(fā)指明了正

26、確的方向 。二十世紀(jì)七十年代，科研工 作者在ALOHA網(wǎng)絡(luò)研究成功的基礎(chǔ)上，結(jié)合早期固定分組交換網(wǎng)絡(luò)，開始研發(fā)分組無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)(Packet Radio Network, PRNET), PRNET是一種新的網(wǎng)絡(luò)制式，具特點(diǎn)是在無(wú) 線環(huán)境中引入了數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)，提供多跳的分組傳輸機(jī)制，其中包括集中式和分布 式的操作管理機(jī)制。之后，PRNET網(wǎng)絡(luò)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，人們開始認(rèn)識(shí)到，可以 通過(guò)多跳轉(zhuǎn)接的方式提高網(wǎng)絡(luò)容量，增大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的，多跳技術(shù)是提升網(wǎng)絡(luò)性能一種有 效手段。PRNET網(wǎng)絡(luò)由廣播電臺(tái)組成，為了減少中心控制開銷，引入了 ALOHA網(wǎng)絡(luò) 的分布式信道訪問(wèn)技術(shù)，綜合了 ALOHA和載波偵聽

27、多路訪問(wèn)(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)兩種信道訪問(wèn)協(xié)議，使信道可以在電臺(tái)之間實(shí)時(shí)共享，PRNET網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)成功在一定程度上證明了無(wú)線自組網(wǎng)思想的可行性 網(wǎng)?？箽詿o(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Survivable Radio Network, SURAN)是DARPA在20世紀(jì)80年代初期對(duì)PRNET網(wǎng)絡(luò)的拓展，它 進(jìn)一步加強(qiáng)了 PRNET網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制，并在功耗和處理能力方面提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。 到20世紀(jì)80年代后期和90年代初期，隨著Internet基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展，微型計(jì)算機(jī) 和嵌入式設(shè)備的強(qiáng)大處理能力使得無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)思想更加實(shí)用， 更加切實(shí)可行。20世紀(jì) 9

28、0年代后期，美國(guó)陸軍相繼實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今規(guī)模最大的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò) (Tactical Internet, TI) 和增強(qiáng)型沿海戰(zhàn)場(chǎng)先進(jìn)概述示范(Extending the Littoral Battle-space Advanced Concept Technology Demonstration, ELBACTD ),作為現(xiàn)代無(wú)線自組網(wǎng)的雛形， TI 和 ELBACTD 的成功研發(fā)并投入使用為無(wú)線自組網(wǎng)發(fā)展的提供了廣闊的前景。從上可以看出無(wú)線自組網(wǎng)起源于軍事研究，并在軍用領(lǐng)域發(fā)揮作用。20世紀(jì)90年代末，Internet工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force, I

29、ETF)的建立，使民用無(wú) 線自組網(wǎng)進(jìn)入科學(xué)工作者的視線，激發(fā)科學(xué)工作者對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的研究熱情。21世紀(jì)初期，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)作 為無(wú)線自組網(wǎng)的重要分支被廣泛的應(yīng)用到旅游、智能家居和無(wú)線物聯(lián)等領(lǐng)域，極大方便 了人們的生產(chǎn)和生活。1.1.2 無(wú)線自組網(wǎng)的特點(diǎn)無(wú)線自組網(wǎng)是由一組帶有無(wú)線收發(fā)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的，不依賴類似基站等基礎(chǔ) 通信設(shè)備的、能夠迅速自行建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)體系，人為控制的因素較低。作為分布 式的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線自組網(wǎng)具有自組織、自愈性強(qiáng)、無(wú)中心的特性。無(wú)線自組網(wǎng)是對(duì)等 網(wǎng)絡(luò)，這是其與固定基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要區(qū)別。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能隨

30、機(jī)、頻繁的接 入和離開網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)配備有無(wú)線收發(fā)裝置、天線(根據(jù)不同需求，天 線的規(guī)格和制式可能不同)、主控制處理器及其他輔助設(shè)備(包括按鍵、人機(jī)交互界面 等)。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自己的需求調(diào)整位置、發(fā)射功率和接收靈敏度，其無(wú)線信 號(hào)的覆蓋范圍會(huì)隨機(jī)變化，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)定的組網(wǎng)形式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線連接， 形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)??？紤]到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不可測(cè)性，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾?huì)隨時(shí)間推移而變化，基 于上述分析，無(wú)線自組網(wǎng)具有下列特點(diǎn)(1)分布式操作由于無(wú)線自組網(wǎng)無(wú)中心控制節(jié)點(diǎn)的特性，使得控制節(jié)點(diǎn)的方式必然是分布式的，但 當(dāng)前大多通信系統(tǒng)控制都是帶有中心控制方式的，集中式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能滿足無(wú)

31、線自組網(wǎng)的需要，必須使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)問(wèn)自我協(xié)調(diào)的方式替代中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的作用，各層網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議必須重新設(shè)計(jì)才能適應(yīng)無(wú)線自組網(wǎng)的分布式特點(diǎn)。(2)無(wú)線信道特有的缺陷：帶寬昂貴，鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定與有線鏈路相比，無(wú)線鏈路帶寬較低，考慮到噪聲等環(huán)境干擾因素的影響，無(wú)線通 信的有效傳輸速率相比最大傳輸速率又有一定程度的損耗。同時(shí)由于無(wú)線信道固有的衰落、多址訪問(wèn)等固有特點(diǎn)，無(wú)線鏈路質(zhì)量具有不穩(wěn)定性，這也是設(shè)計(jì)無(wú)線自組網(wǎng)需要考 慮的因素之一。(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性無(wú)線自組網(wǎng)中，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)具有隨機(jī)性，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)線設(shè)備的發(fā)送 接收參數(shù)具有不確定性，無(wú)線環(huán)境具有易變性，這些因素都使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不可人為的預(yù)測(cè)，

32、必須重新開發(fā)合適的路由協(xié)議增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖晕一謴?fù)能力。(4)設(shè)備限制雖然現(xiàn)今微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是，組成無(wú)線節(jié)點(diǎn)的設(shè)備的處理能 力和功耗方面的性能仍然是限制網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，必須開發(fā)具有高速處理能力的微控制器和較低功耗的無(wú)線收發(fā)設(shè)備提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力。(5)安全有限由于無(wú)中心控制節(jié)點(diǎn)的固有特性，無(wú)線自組網(wǎng)相比于有線網(wǎng)絡(luò)和其它傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 更容易被攻擊，它的無(wú)中心控制方式?jīng)Q定了在安全方面要提供更多的保障，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的 安全隱患需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的共同協(xié)作來(lái)解決。1.2 無(wú)線自組網(wǎng)MAO議研究現(xiàn)狀在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，媒體訪問(wèn)控制協(xié)議 (MAC)位于物理層之上，網(wǎng)絡(luò)層之 下，對(duì)整個(gè)

33、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧起著承上啟下的作用。 而在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，信道資源十分昂貴， MAC協(xié)議控制著信道資源的分配，其性能將直接影響信道的使用效率。而在無(wú)線自組 網(wǎng)中，MAC協(xié)議性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的影響則更為明顯，性能不良的MAC協(xié)議甚至可能造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。無(wú)線信道是無(wú)線自組網(wǎng)中非常珍貴的資源，由于無(wú)線自組 網(wǎng)本身的多跳、分布式操作、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)需要使信道資源的分配更加高效、合理，在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)公平接入信道的基礎(chǔ)上，最大程度的提高 吞吐量，這些都是不同于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。現(xiàn)今無(wú)線自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研究主要集中在提高信道接入的公平性問(wèn)題、提高吞 吐量、提高信道利用率等方面

34、。單信道 MAC協(xié)議ALOHA協(xié)議發(fā)展而來(lái)，包括載波偵 聽多址訪問(wèn)協(xié)議(CSMA)、多址訪問(wèn)與碰撞回避協(xié)議(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA)、IEEE802.11MAC DCF協(xié)議。但單信道 MAC協(xié)議存在先天不足： 由于只采用一個(gè)信道，有限的信道容量成為制約MAC協(xié)議性能的瓶頸。研究表明，無(wú)論協(xié)議設(shè)計(jì)的如何巧妙都無(wú)法彌補(bǔ)其先天的缺陷。隨著微電子產(chǎn)業(yè)和無(wú)線終端產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以同時(shí)工作在不同的 信道上，或者可以在不同的信道上切換來(lái)完成信息的交互，單信道協(xié)議中信道容量的瓶 頸不再是難以解決的問(wèn)題。而且，隨著國(guó)際無(wú)線電組織

35、對(duì)無(wú)線信道的使用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化， 開發(fā)使用的頻點(diǎn)越來(lái)越多，如果繼續(xù)沿用單信道MAC協(xié)議則存在嚴(yán)重的頻點(diǎn)浪費(fèi)問(wèn)題。 因此，無(wú)論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用上，研究開發(fā)多信道MAC協(xié)議成為迫切需求。多信道MAC協(xié)議對(duì)解決單信道吞吐量瓶頸問(wèn)題有顯著效果45 o已經(jīng)存在的多信道 MAC協(xié)議包括多信道 CSMA協(xié)議、DCA協(xié)議等，分別從不同方面改進(jìn)單信道協(xié)議 同8910,各有特點(diǎn)，并都在一定程度上改善了 MAC協(xié)議的性能。但以下問(wèn)題依然存 在：1.協(xié)議控制復(fù)雜，控制開銷大，在一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。2.對(duì)終端的配置和性能都提出了較高的要求，實(shí)際用于無(wú)線自組網(wǎng)的難度較大，可移植性較差。此外，多信道MAC協(xié)議的獨(dú)

36、有的多信道隱藏終端的問(wèn)題并未得到很好的解決。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于信道協(xié)商的多信道 MAC協(xié)議(CN-MMAC ) , CN-MMAC 協(xié)議通 過(guò)精心的設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)降低了控制開銷；通過(guò)完善分組轉(zhuǎn)發(fā)流程，進(jìn)一步解決了多信道隱 藏終端的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，CN-MMAC協(xié)議對(duì)硬件設(shè)備的處理能力沒(méi)有太高要求，增 強(qiáng)了可移植性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。1.3 本文組織框架本文組織框架如下圖所示。圖1. 1 論文組織框架在第一章對(duì)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了整體描述，并通過(guò)查閱文獻(xiàn)，分析了無(wú)線自組網(wǎng) 多信道MAC協(xié)議的研究現(xiàn)狀。第二章重點(diǎn)分析了無(wú)線自組網(wǎng)中典型的單信道MAC協(xié)議和現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議，指明了

37、單信道MAC協(xié)議存在的固有缺陷和多信道 MAC 協(xié)議存在的不足。在以上基礎(chǔ)上，第三章詳細(xì)論述了基于信道協(xié)商的多信道MAC協(xié)議(CN-MMAC ),包括CN-MMAC協(xié)議的分組轉(zhuǎn)發(fā)流程、幀格式、信道預(yù)約流程，并介 紹了 CN-MMAC協(xié)議在STM32平臺(tái)上的移植過(guò)程，為 CN-MMAC協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用打 些基礎(chǔ)。第四章使用NS-2仿真工具對(duì)比了 CN-MMAC協(xié)議與典型的多信道 MAC協(xié)議(DAC),證明CN-MMAC協(xié)議在吞吐量和端到端時(shí)延方面具有較好的性能。第五章實(shí) 現(xiàn)了一種適用于CN-MMAC協(xié)議的QOS保障機(jī)制，仿真結(jié)果表明，通過(guò)根據(jù)優(yōu)先級(jí)劃 分調(diào)整接入信道的機(jī)制能夠使實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)得到較好服務(wù)

38、。第六章在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，指 明了本文存在不足和下一步的研究方向。1.4 本章小結(jié)本章在對(duì)課題背景進(jìn)行整體描述的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)今無(wú)線自組網(wǎng)MAO議的研究現(xiàn)狀，指明了研究多信道 MAO議的必要性。最后給出了本文的整體框架。第二章 無(wú)線自組網(wǎng)MAO議的研究分析無(wú)線自組網(wǎng)中的MAC協(xié)議可以從不同的角度進(jìn)行劃分，目前業(yè)界比較認(rèn)可 的劃分方式包括基于信道數(shù)目分類和基于信道訪問(wèn)策略分類。本章從這兩種分類 方式研究分析了現(xiàn)今存在的適用于無(wú)線自組網(wǎng)的MAC協(xié)議。2.1 基于信道訪問(wèn)策略的 MAO議根據(jù)接入信道方式的不同，MAC協(xié)議可劃分為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自行爭(zhēng)用信道使用 權(quán)限的MAC協(xié)議(Contention P

39、rotocol)基于協(xié)議設(shè)計(jì)者固定分配信道使用權(quán) 限的MAC的協(xié)議(Allocation Protocol)和節(jié)點(diǎn)自行爭(zhēng)用信道和固定分配信道相 結(jié)合的MAC協(xié)議(即混合類MAC協(xié)議，Hybrid Protocol) 0 2.1.1競(jìng)爭(zhēng)類MAO議競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自行爭(zhēng)用信道獲取接入信道的機(jī)會(huì)，由于競(jìng) 爭(zhēng)性，需要在協(xié)議中添加一定的機(jī)制來(lái)避免一些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)始終無(wú)法接入信道，即餓死的現(xiàn)象。同時(shí)，還要保證在其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)獲取信道使用權(quán)限時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)能夠獲知這一情況，避免同時(shí)發(fā)送信息造成數(shù)據(jù)碰撞，因此，需要通過(guò)在協(xié)議中加 入控制命令來(lái)避免碰撞問(wèn)題，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)通過(guò)分組重傳盡量保證分組的成功傳 輸。

40、有些競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議并沒(méi)有碰撞避免機(jī)制，如ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA 協(xié)議，分組碰撞的概率高，性能比較低下，而包括 CSMA協(xié)議、MACA協(xié)議、 IEEE802.11MAC協(xié)議、BTMA協(xié)議在內(nèi)的其他 MAC協(xié)議支持碰撞避免機(jī)制， 降低了分組碰撞概率，在性能上都有一定的改善。競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是工作原理簡(jiǎn)單，采用異步通信模式，實(shí)現(xiàn)難度較 小，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下，分組沖突概率較小，信道利用率較高，分組傳輸 時(shí)延較小。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重，分組的端到端時(shí)延明顯提高， 可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一直競(jìng)爭(zhēng)信道而一直退避的餓死現(xiàn)象，甚至有可能全網(wǎng)癱瘓。 因此競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議適用于小規(guī)模而

41、不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。2.1.2 分配類MAO議分配類MAC協(xié)議按照一定的規(guī)律分配信道使用權(quán)限，目前，大都使用時(shí)間 片輪詢的方式給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)分配信道。時(shí)隙安排算法將時(shí)隙分配給網(wǎng)絡(luò)中 的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)先知道接入信道的時(shí)間和占用信道的時(shí)間，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模合理的設(shè)置分組發(fā)送時(shí)間，降低分組碰撞概率，提高信道利用率。分配類MAC 協(xié)議根據(jù)分組發(fā)送時(shí)間是否定長(zhǎng)分為靜態(tài)分配協(xié)議和動(dòng)態(tài)分配協(xié)議。典型的分配類MAC協(xié)議包括時(shí)分多址訪問(wèn)協(xié)議(Time Division Multiple Access , TDMA)、 五步預(yù)留協(xié)議(Five-Phase Reservation Protocol, FPRR

42、)和調(diào)頻預(yù)留多址訪問(wèn)協(xié) 議(Hop Reservation Multiple Access, HRMA )等。分配類MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是提供較高的信道利用率，時(shí)隙安排算法是預(yù)先設(shè)定的，與競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議相比，分組接入信道的碰撞概率降低，因此在 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下仍有較高性能。但正是由于時(shí)隙安排算法是預(yù)先設(shè)定的，在小規(guī)模 網(wǎng)絡(luò)情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，分組碰撞的概率本身要小很多，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍然按 照固定的時(shí)間片輪詢機(jī)制，缺乏一定的靈活性，使分組延遲增大，性能較低。因 此，分配類MAC協(xié)議適用于大規(guī)模組網(wǎng)。提供較高性能的代價(jià)是實(shí)現(xiàn)難度復(fù)雜， 需要采用全網(wǎng)同步的方式分配時(shí)間片，用于實(shí)際組網(wǎng)的難度較大。2.

43、1.3 混合類MAO議混合類MAC協(xié)議結(jié)合節(jié)點(diǎn)自行爭(zhēng)用信道和固定分配信道的技術(shù)，既有在小規(guī)模組網(wǎng)下競(jìng)爭(zhēng)類MAC的靈活性，又有在大規(guī)模組網(wǎng)中固定時(shí)間片輪詢的優(yōu)點(diǎn)， 能夠自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。典型的混合類MAC協(xié)議是混合時(shí)分多址訪問(wèn)協(xié)議(Hybrid Time Division Multiple Access , HTDMA )。2.2 基于信道數(shù)目的MAO議大量的針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的 MAC協(xié)議已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，由于應(yīng)用場(chǎng)景和控 制技術(shù)的復(fù)雜性，嚴(yán)格地將一種 MAC協(xié)議歸類為分配類、競(jìng)爭(zhēng)類或混合類是非 常困難的。為便于對(duì)現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行研究分析，本文按照不同的信道使用數(shù)目對(duì)無(wú) 線自組網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單分類：

44、單信道，雙信道和多信道。2.2.2 單信道MAO議在無(wú)線自組網(wǎng)發(fā)展的早期，由于硬件條件的限制，所有分組都只能在同一個(gè) 信道上獲得接入信道的機(jī)會(huì)。事實(shí)已經(jīng)證明，單信道 MAC協(xié)議已經(jīng)不能滿足無(wú) 線自組網(wǎng)的高性能需求，但單信道MAC協(xié)議的一些優(yōu)良技術(shù)仍然能夠運(yùn)用到多 信道MAC協(xié)議研究中。(1) ALOHA 協(xié)議ALOHA協(xié)議以不計(jì)后果的方式爭(zhēng)奪信道接入權(quán)。ALOHA協(xié)議的主要特性是當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有發(fā)送分組的請(qǐng)求的需要的時(shí)候，不管信道處于什么狀態(tài)都強(qiáng)制性 的發(fā)送分組，缺乏必要的信道訪問(wèn)控制機(jī)制導(dǎo)致 分組碰撞的概率非常大，而且需 要附加某種形式的反饋機(jī)制來(lái)保證分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的可靠性，比如自動(dòng)重傳請(qǐng)求(

45、Automatic Repeat Request ARQ)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)其分組未 到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)(即未收到分組到達(dá)的確認(rèn)信息)，該節(jié)點(diǎn)只是粗暴的重新發(fā)送 未成功交付分組，網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能降低。有上述分析可知，缺乏信道訪問(wèn)控制機(jī)制的ALOHA協(xié)議的信道利用路非常 低。之后出現(xiàn)的時(shí)隙化ALOHA協(xié)議在對(duì)原協(xié)議作了一定改進(jìn)， 但并未從根本上 解決問(wèn)題。時(shí)隙化ALOHA協(xié)議將時(shí)間軸以時(shí)隙為單位劃分，并通過(guò)規(guī)定每個(gè)節(jié) 點(diǎn)只能在下一個(gè)時(shí)隙的開始時(shí)刻才能分組發(fā)送的機(jī)制降低了分組產(chǎn)生的隨機(jī)性， 比如，節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻要發(fā)送分組，并不是將分組立即發(fā)送，而是等到該時(shí)刻所 在時(shí)隙的下一個(gè)時(shí)隙才發(fā)送分組。

46、與原協(xié)議相比，時(shí)隙ALOHA協(xié)議的這種離散 時(shí)間片機(jī)制大大減少了分組沖突的可能性， 減小了沖突危險(xiǎn)區(qū)，提高了信道利用 率，而且在吞吐量性能方面有較大提高。(2)載波偵聽多址訪問(wèn)協(xié)議(Carrier Sense Multiple Access CSMA) 11CSMA是無(wú)線自組網(wǎng)常見的異步訪問(wèn)協(xié)議，通過(guò)載波偵聽機(jī)制檢測(cè)當(dāng)前信道 強(qiáng)度，以此判斷信道的忙閑狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在分組發(fā)送之前，首先檢測(cè)信道強(qiáng)度 并與信道強(qiáng)度閾值進(jìn)行對(duì)比，如果當(dāng)前信道強(qiáng)度大于信道強(qiáng)度閾值， 表明當(dāng)前信 道處于忙碌狀態(tài)，則根據(jù)不同的策略退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道，即所謂“先聽后發(fā)”；如果當(dāng)前信道強(qiáng)度小于信道強(qiáng)度閾值，則表明當(dāng)前信

47、道空閑，將獲得 信道使用權(quán)限并發(fā)送分組，即所謂“沖突不發(fā)”；在分組發(fā)送過(guò)程中也將持續(xù)檢 測(cè)信道，當(dāng)信道狀態(tài)為忙時(shí)立即停止分組發(fā)送，即所謂的“邊聽邊發(fā)”。由上可以看出，所謂“沖突不發(fā)”的模式仍然可能造成分組碰撞，比如，當(dāng) 信道被釋放時(shí)，此時(shí)可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽信道，這些節(jié)點(diǎn)都會(huì)檢測(cè)到信道空閑， 并發(fā)送分組，這事就會(huì)發(fā)生分組碰撞。針對(duì)這一情況，非持續(xù) CAMA協(xié)議通過(guò) 減少檢測(cè)信道的次數(shù)來(lái)提高性能，當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到信道忙碌時(shí)，不再持續(xù)的檢測(cè)， 而是等待一段時(shí)間后再次檢測(cè)，并隨著信道忙碌次數(shù)的增加，等待時(shí)間隨指數(shù)增 加，直到信道空閑為止。非持續(xù) CAMA能夠在一定程度上提高信道利用率，但 是會(huì)造成端到

48、端時(shí)延的增大。持續(xù)參數(shù) p的CSMA協(xié)議是CSMA協(xié)議和非持續(xù) CSMA協(xié)議的折中，它將信道進(jìn)行時(shí)隙劃分，當(dāng)信道空閑時(shí)，在當(dāng)前時(shí)隙節(jié)點(diǎn)以 概率p (0<p<1)發(fā)送分組，(1-p)的概率不發(fā)送，若分組在當(dāng)前時(shí)隙未被成功 交付，則在下一時(shí)隙持續(xù)過(guò)程，直到分組發(fā)送成功或信道變?yōu)槊顟B(tài)為止，如果信道忙時(shí)，則強(qiáng)迫節(jié)點(diǎn)等待一段隨機(jī)的時(shí)間后重新開始這個(gè)過(guò)程。圖2. 1隱藏終端CSMA協(xié)議無(wú)法解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題， 如圖，節(jié)點(diǎn)B能夠直接收到 A、C的發(fā)送，但是節(jié)點(diǎn)A、C不能直接接收到對(duì)方的發(fā)送。假設(shè) A向B正在發(fā) 送消息，同時(shí)節(jié)點(diǎn)C也向B發(fā)送消息，通過(guò)信道檢測(cè)后，由于節(jié)點(diǎn) C無(wú)法得知 A是

49、否占用信道，所以C也向B發(fā)送消息，結(jié)果導(dǎo)致A、C發(fā)送的消息在B處 發(fā)生碰撞，稱節(jié)點(diǎn)A為節(jié)點(diǎn)C的隱藏終端，同理，節(jié)點(diǎn)C也是節(jié)點(diǎn)A的隱藏終 端。隱藏終端問(wèn)題增大了碰撞次數(shù)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)容量。節(jié)點(diǎn)A、C在節(jié)點(diǎn)B的無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)B、D在節(jié)點(diǎn)C的無(wú)線覆蓋范 圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)B、D均不在對(duì)方的無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)。假設(shè) B向A正在發(fā)送分組， 而C正準(zhǔn)備向D發(fā)送分組，通過(guò)信道檢測(cè)，節(jié)點(diǎn) C發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B正在占用信道， 于是將消息推遲發(fā)送。而實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)C分組的發(fā)送不影響A接受B發(fā)送的分組，推遲發(fā)送分組時(shí)不必要的，此時(shí)稱節(jié)點(diǎn) B為C的暴露終端，同理C也是B 的暴露終端。暴露終端問(wèn)題將會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)容量。(3)多址訪問(wèn)與碰

50、撞回避協(xié)議(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA )MACA協(xié)議使用兩種定長(zhǎng)的控制分組進(jìn)行兩次握手從而減輕隱藏終端的干擾并減少暴露終端的個(gè)數(shù)。在發(fā)送分組前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先發(fā)送一個(gè)短的發(fā)送請(qǐng)求分組(Request to Send, RTS),通知接收節(jié)點(diǎn)做好接受分組的準(zhǔn)備，接收節(jié)點(diǎn)收到 RTS后回復(fù)一個(gè)允許發(fā)送分組(Clear to Send, CTS),讓其鄰居節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)到 該控制分組，從而保證在接下來(lái)的分組傳輸過(guò)程中鄰居節(jié)點(diǎn)不在發(fā)送分組，在一定程度上降低了隱藏終端和暴露終端的影響。MACAW 協(xié)議是對(duì)MACA協(xié)議的改進(jìn)，增加了兩個(gè)新的控制

51、分組 ACK和 DS,通過(guò)以下措施強(qiáng)化了 MACA協(xié)議：在RTS控制分組發(fā)送之前，使用載波監(jiān) 聽機(jī)制來(lái)降低RTS控制分組之間的碰撞概率，使用正確應(yīng)答控制分組( ACK) 來(lái)防止數(shù)據(jù)分組的丟失，若源節(jié)點(diǎn)未收到 ACK控制分組，則進(jìn)行重發(fā)。同時(shí)， 源節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送控制分組(Data Sending DS)來(lái)避免暴露終端節(jié)點(diǎn)才 ACK分組即將發(fā)送的時(shí)候占用信道，降低了 ACK分組碰撞的概率。MACAW協(xié) 議進(jìn)一步解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，相對(duì)于 MACA協(xié)議性能上有了明顯的 改善。(4) IEEE802.11MAC 協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式和集中式兩種工作模式，適用于無(wú)線

52、自組 網(wǎng)的是分布式控制模式(Distributed Coordination Function,DCF) ,IEEE802.11DCF 協(xié)議在融合載波偵聽多址訪問(wèn)與碰撞回避(Carrier-Sense Multiple Access withCollision Avoidance, CSMA/CA )協(xié)議的基礎(chǔ)上，提供了一種適用于無(wú)線局域網(wǎng) 的解決方案。CAMA/CA協(xié)議是CSMA協(xié)議的改進(jìn)。通過(guò)在CSMA協(xié)議中增加握手機(jī)制， 進(jìn)一步提升了 CSMA協(xié)議的性能。該協(xié)議支持兩種操作，第一種操作類似于前 面介紹過(guò)的CSMA,發(fā)送站在發(fā)送前監(jiān)聽信道，信道忙則推遲發(fā)送直至發(fā)現(xiàn)信道 空閑，一旦信道空閑立

53、即發(fā)送幀，但在發(fā)送的過(guò)程中并不檢測(cè)沖突 (因?yàn)榭赡軣o(wú) 法檢測(cè))，如果發(fā)生沖突，發(fā)送站使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法等待一段時(shí)間，然后 再試。第二種操作基于 MACAW,發(fā)送站向接收站發(fā)送一個(gè) RTS幀請(qǐng)求發(fā)送， 接收站發(fā)送一個(gè)CTS幀表示同意發(fā)送，然后發(fā)送站可以發(fā)送一個(gè)幀，并啟動(dòng)一 個(gè)ACK計(jì)時(shí)器，接收站正確接收后必須返回一個(gè) ACK幀進(jìn)行確認(rèn)，若發(fā)送站 的ACK計(jì)時(shí)器超時(shí)，則發(fā)送站重發(fā)。收到 RTS或CTS的站都用NAV信號(hào)通知 自己的相關(guān)實(shí)體保持沉默，直至整個(gè)交換過(guò)程結(jié)束，保持沉默的時(shí)間可以根據(jù) RTS或CTS中給出的待發(fā)送幀或待接收幀的長(zhǎng)度以及確認(rèn)所需要的時(shí)間估算出 來(lái)。由于繼承了載波監(jiān)聽機(jī)制、

54、信道預(yù)約機(jī)制和確認(rèn)重傳機(jī)制，IEEE802.11MAC 協(xié)議相比其他單信道MAC協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)整體性能方面有了很大提高。但并沒(méi)有 徹底解決隱藏終端問(wèn)題，同時(shí)由于導(dǎo)致更多節(jié)點(diǎn)不夠發(fā)送，在一定程度上加重了 暴露終端問(wèn)題。2.2.3 雙信道MAO議單信道MAC協(xié)議存在先天不足：由于只采用一個(gè)信道，有限的信道容量成 為制約MAC協(xié)議性能的瓶頸。研究表明，由于單信道 MAC協(xié)議信道數(shù)目的限 制，存在先天的缺陷，無(wú)論設(shè)計(jì)的多巧妙都無(wú)法徹底解決隱藏終端和暴露終端的 問(wèn)題。(1)忙音多址訪問(wèn)協(xié)議(BTMA)忙音多址訪問(wèn)協(xié)議(Busy-Tone Multiple Access, BTMA)的主要思想是：在 信道上

55、有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用忙音信號(hào)來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)信道信道繁忙， 忙音信號(hào)使用單 獨(dú)從整個(gè)帶寬劃分出的控制信道，并使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 控制信 道和數(shù)據(jù)信道之間相互獨(dú)立，忙信信號(hào)相比于數(shù)據(jù)對(duì)帶寬的要求要小很多， 因此 數(shù)據(jù)信道將占用絕大部分帶寬，而控制信道僅占用很少的帶寬。 BTMA協(xié)議的 分組發(fā)送流程如下。1 .源節(jié)點(diǎn)有分組要發(fā)送的時(shí)候，首先檢測(cè)控制信道上是否有忙音信號(hào)。2 .若未檢測(cè)到忙音信號(hào)，則表明當(dāng)前數(shù)據(jù)信道上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)信道空 閑，就可以在數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行分組發(fā)送3 .否則，分組暫時(shí)不會(huì)被發(fā)送，并在未來(lái)指定時(shí)刻重新檢測(cè)忙音信號(hào)，直到 數(shù)據(jù)信道上的發(fā)送動(dòng)作停止為止。任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到數(shù)據(jù)

56、信道上的發(fā)送動(dòng)作就立即 開始往控制信道上發(fā)送忙音信號(hào)。BTMA協(xié)議防止源節(jié)點(diǎn)兩跳遠(yuǎn)以外的所有節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)數(shù)據(jù)信道，這樣較大程度 的減輕了隱藏節(jié)點(diǎn)干擾，降低了碰撞概率。但是，暴露節(jié)點(diǎn)的增加確實(shí)很明顯， 其結(jié)果是數(shù)據(jù)信道的利用率嚴(yán)重不足。(2)雙盲音多址訪問(wèn)協(xié)議(DBTMA)雙盲音多址訪問(wèn)協(xié)議(DBTMA )是對(duì)BAMA協(xié)議的改進(jìn)，在BAMA協(xié)議 采用一個(gè)忙音信號(hào)保護(hù)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)忙音信號(hào)用于保護(hù)初始化 信道請(qǐng)求的RTS分組。在DBTMA協(xié)議中，前者稱為接受忙音，由接收方設(shè)置， 后者稱為發(fā)送忙音，由發(fā)送方設(shè)置。由于使用了 RTS分組和由接收節(jié)點(diǎn)設(shè)置的接收盲音，DBTMA協(xié)議降低了隱 藏終

57、端的影響，減少了暴露終端的個(gè)數(shù)，但由于采用兩個(gè)忙音信號(hào)，導(dǎo)致控制復(fù) 雜，控制開銷大，而且數(shù)據(jù)信道和控制信道的引入分割了信道帶寬， 會(huì)引起較大 的控制時(shí)延時(shí)延，因此網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性較差，吞吐量提升十分有限。2.2.4 多信道MAO議(1)多信道CSMA協(xié)議多信道CSMA協(xié)議通過(guò)準(zhǔn)信道預(yù)留技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在載波監(jiān)聽機(jī)制的基礎(chǔ)上， 通過(guò)全網(wǎng)同步方式對(duì)信道進(jìn)行預(yù)先分配，即節(jié)點(diǎn)記錄上次使用的信道信息，在下 一次數(shù)據(jù)傳輸中優(yōu)先選擇上次使用的信道。 但在實(shí)際應(yīng)用中，但由于硬件條件有 限和無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)可變，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步非常困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多信道CSMA協(xié)議對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)性能有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著信道 數(shù)目的增加，系統(tǒng)吞吐量明顯提高12o但是由于該信道選擇機(jī)制僅 僅根據(jù)發(fā)送 節(jié)點(diǎn)的信道占用情況選擇數(shù)據(jù)信道，而沒(méi)有考慮接收節(jié)點(diǎn)的信道占用情況，容易 引起接收端的碰撞，因此不能保證分組在接收端成功接收。(2)動(dòng)態(tài)分配協(xié)議多信道MAC