Ad Hoc网络媒体接入层协议研究

王灵芝，袁艾莎 ，方隽俐

(1.闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州 363000；2.厦门大学信息科学与技术学院，福建厦门 361102)



Ad Hoc网络媒体接入层协议研究

王灵芝1，袁艾莎2，方隽俐2

(1.闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州 363000；2.厦门大学信息科学与技术学院，福建厦门 361102)

[摘要]在移动Ad Hoc网络中，媒体接入层的性能(Media Access Control，MAC)对整个网络性能的提高具有重要的影响，对该层协议的设计是Ad Hoc面临的关键技术问题。本文在充分调研了国内外Ad Hoc网络MAC协议的研究现状基础上，从信道的分离与接入、拓扑、功率、传输主动方式、业务负载和可扩展性、范围、层次设计等7个方面对现有协议进行分类。并探讨了常见的协议验证分析手段与仿真技术，对衡量MAC层协议的主要性能指标作进一步的分析，最后对MAC层协议研究热点与发展趋势进行综述与展望。

[关键词]Ad Hoc；MAC协议；综述

Ad Hoc网络是一种不依赖于固定网络设施,由一组无线可移动节点组成的动态自组织系统[1]。网络中的各节点通过自组织的方式完成信息的交互和接入。在无线自组织网络的分层体系中，MAC层工作在物理层与网络层之间，其一方面屏蔽底层技术细节，实现节点接入信道，另一方面向网络层提供统一的服务，包括排队、分组、差错控制、确认等功能[2]。MAC层协议性能与无线信道的利用率密切相关，从而影响整个网络的性能，是Ad Hoc网络中的重要研究课题。

1协议性能的分类与比较

MAC层存在着空间复用、冲突处理、暴露/隐藏终端问题、公平性、节能等诸多技术难题[3-4]，为此众多学者提出了大量的MAC层协议。以下分别从信道的分离与接入、拓扑、功率、传输主动方式、业务负载和可扩展性、范围、层次设计等7个特征进行分类[5]。

1.1基于信道的分离与接入技术的分类

对于Ad Hoc网络而言，如何充分利用其通讯介质是一个关键要素，早期的协议多采用公共信道。近年来，多信道技术由于其对介质的高利用率被广泛使用。大多数协议的底层物理信道采用射频(RF)信号。近期，其它的物理层技术如超宽带无线电(UWB)[6]以及声学通信技术[7]也被提出。根据介质的使用情况，可将协议分成单通道和多通道协议。多通道协议根据信道的分离技术又可分成通用型、TDMA[8-9]、CDMA、FDMA、SDMA以及混合型。

单通道协议的代表有早期的载波侦听多址接入协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议[10]、带有冲突检测机制MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)协议[11]、FAMA(Floor Acquisition Multiple Access)协议[12]等。多通道代表协议：通用型有BTMA(Busy Tone Multiple Access)协议[13]、DCAPC(Dynamic Channel Assignment with Power Control)[14]等；TDMA有FPRP(Five Phase Reservation Protocol )协议[15]、Markowski[16]等；CDMA有IEEE 802.11协议[17]等；FDMA有MCSMA(Multi-channel CSMA)协议[18]等；SDMA有In Lal’s 协议[19]等；混合型有PRMA(Packet Reservation Multiple Access)协议[20]等。

1.2基于拓扑的分类

Ad Hoc网络中通常包括不同能量和资源的节点，节点处于活动状态，网络中拓扑结构不断变化。典型的网络拓扑结构多通过层次和跳数进行划分。根据层次可将协议划分为具有中心点的结构、集群结构、平拓扑结构3种[21]。具有中心点的情况，由单节点或基站控制和管理网络中其它节点。集群拓扑结构指定每组节点中的一个节点进行局部化控制。平拓扑结构采用完全分布式策略，所有的节点既是节点又是路由，没有中心节点的概念。我们对其跳数进一步分类：单跳协议和多跳协议。单跳节点只需与其通信的邻居节点通信，而多跳节点可以通过其它中间节点中继达到目标节点。单跳节点的优点在于其简单，缺点在于其不适合应用于大型网络中。多跳协议复杂但有很好的扩展性。单跳平拓扑结构代表协议有CSMA等，多跳平拓扑结构有FPRP等，集群结构有Jin[22]、Bluetooth[23]等，中心拓扑有BTMA、PRMA等。

1.3基于能耗控制手段的分类

在Ad Hoc网路中，由于电池供电的有限性，无基站、碰撞和信道冲突等因素使得单个节点的功耗以及整个网络的整体功耗成为设计中需要考虑的重要因素。主要技术包括：(1)通过控制节点的发送功率，使其发送功率只足够到达预期的接收节点，从而以最小的干扰共享无线信道，其多用于高负载和高密度网络。代表协议有DPC/ALP[24]、802.11等；(2)基于休眠模式的Bluetooth、PAMAS等；(3)基于电量预警机制的，如JIN、GPC、DPC/ALP等协议，多适用于电能异构的网络，例如一个网络中含有膝上电脑、掌上电脑、电子笔等不同的发送设备，那么膝上电脑可能会因为相对高的电量水平而被选择作为簇头，而电子笔则有可能由于其有限的电量水平而具有优先发送权；(4)通过减少控制开销来减少能耗，例如MARCH[25]协议，对于一个需要N跳的输出路径，MARCH协议使用一个RTS 信号和N个CTS信号。当N很大的时候，通过这种方式节约能耗将是很可观的。

1.4基于传输主动方式的分类

发送方主动还是接收方主动主要取决于其网络应用类型，大多数协议属于发送方主动，适用于更直观、不可预测的业务模型。接收方主动的协议近期也出现了很多。接收方主动的协议对于某一类型特殊的Ad Hoc网络是很有用的，例如传感网。在传感网中，主要是采集数据并存入数据库。所以只要知道数据从属于某区域，而数据源节点并不是非常重要，在这种情况下，节点总是处于发送状态，接收者通过轮询节点来获取所需数据。在上述网络情况下，由于绝大多数的RTR信息都有效，所以此类协议的性能很好。但此类协议的缺点在于仅通过接收者发出RTR准备信息来接收数据，并不能确保每一个邻居节点的发送都成功，因此，该类协议需添加诸如调频预留和方向性RTS信息等手段来缓解该问题。

发送方主动的代表协议有CSMA、FAMA、PRMA、FPRP等，接收方主动的代表协议有MACA-BI[26]、RIMA-SP[27]、RICH-DP[28]等。采用哪种机制主要取决于其应用场景，对于通常的网络，发送方主动更加适合，对于特定的网络，例如传感网，接收方主动是更好的选择。

1.5基于业务负载和可扩展性的分类

高负载网络协议包括RICH-DP、Lal、MMAC[29]等，高密度网络协议包括DCA-PC、GPC[30]、GRID-B[31]等。音频和实时业务的代表协议有PRMA等。TDMA协议大多适用于高负载周期性传输网络，但其可扩展性较差，因为不能很好地应付随机数据的传输，增加网络大小需要更多的节点竞争时隙。

1.6基于范围的分类

协议的规模包括传输范围、带宽以及空间容量。微小的范围协议，其覆盖距离在10米左右或更小。代表协议有Bluetooth、MARCH等。小范围协议其覆盖范围可以包括建筑物或全校网络，代表协议有IEEE 802.11a等。中等覆盖范围在100米的量级，但其具有更高的移动性，代表协议有IEEE 802.11b等。大范围的协议，其可以覆盖1公里甚至10公里，但是由于传输延时的增加和潜在的远近问题导致控制和管理网络变得更难，代表协议有RICH-DP等。

1.7基于层次设计的分类

常见的协议多采用统一的分层协议体系结构，这种方法可以简化协议的实现，每层独立进行设计和操作，完成特定的功能，但是由于各层间接口是静态的，通信只能在相邻层间进行，这种严格的分层设计方法不能很好地解决所出现的各种问题[32]，例如QOS支持、能耗、可扩展性等。近年来，大家把目光转向支持跨层交互与实施，通过层间交互，不同层次可以共享本地信息，减少系统开销来对整个系统进行优化。最常见的手段有MAC层与路由层联合设计方案等[33-34]。

2协议的验证分析与仿真技术

2.1仿真验证手段

随着对MAC层协议研究的深入，新的协议和算法不断地被提出，对于这些算法的验证与分析主要通过3种方式。

第一，通过数学手段对协议的建模和性能分析，G.Bianchi[35]提出用一种基于二维Markov链模型的IEEE 802.11DCF协议建模方法，推导出系统的吞吐量模型，众多学者在此基础上提出了改进的二维Markov链模型以及三维的Markov链模型[36]，很好地验证和分析了协议的正确性。

第二，通过建立协议所需的合理的硬件测试与软件测试环境，利用建立实验室测试网络、网络测试平台以及小规模商用实验网络的方式。在真实的网络状态下实现对协议的行为和性能的测量。该方法能较真实地反映实际的网络状况，但成本较高，实现复杂。

第三，通过仿真软件，实现所研究网络协议的仿真代码，模拟运行实际的网络拓扑、节点行为及业务模型，在实际网络传输和交换过程模拟网络流量[37]，在计算机上运行并分析输出结果。该种方法在很大程度上弥补了实验手段的不足，能够很好地开发和评价新的网络协议和设备。

2.2主流的网络仿真平台

目前众多的专用网络仿真软件中有两种类型：一是软件公司开发的商用软件，二是研究所或大学自行开发的科研软件。目前主流的仿真平台有OPNET、MATLAB、NS2、NS3等[38]。

OPNET是MIL3公司开发的一款商用网络仿真软件。其组件丰富、界面友好，但其开放性差、价格昂贵。因此普通科研机构和研究者使用较少，而常应用于国防军事科学领域。

MATLAB是一款由美国The MathWorks公司出品的一款商业数学软件。除了常见的数值处理、图形绘制、创建交互界面的基本功能外，MATLAB还可以调用其它语言编写的程序代码，因此被广泛应用于网络仿真。但由于其不能很好地模拟无线传输环境和网络状态，其适用范围有限，多用于分析和验证协议中的算法。

由加州大学伯克利分校创建的NS2(Network Simulator，version2)是一款面向对象的网络模拟器，相较于常见商用仿真软件OPNET而言，其免费且源码开放，配置灵活、使得它是目前网络模拟领域最广泛的软件之一。NS2实质上是一个离散事件模拟器，采用了分裂对象模型的机制进行开发，需采用C++与OTcl两种语言进行开发工作。它们两者通过TclCL进行连接映射。NS2包括模拟事件调度器、网络组件对象库等结构。事件调度器用来控制模拟的过程，网络组件用来模拟网络设备或者节点之间的通讯，可以通过搭建不同的模拟环境进行仿真[39]。

与NS2一样，NS3本质上也是一个离散事件模拟器，但NS3的仿真过程并不采用OTcl，而是用纯C++代码实现，部分机制还可以使用Python语言[40]，所以NS3不是NS2的扩展，不支持NS2的APIs。从使用角度上说，它仅仅继承了一个名称而已，是一个新的模拟器。

NS3的功能仍在开发中，只提供了一些基本的模块，它没有NS2完善，也并不包含目前所有NS2的功能，但它具有某些新的特性，可扩展性好。对网络与协议的模拟与仿真，相较NS2的使用更加方便，研究者可以根据自己的需要进行任意的扩展[41]。

各个仿真软件都有其适用范围和优缺点，不同的研究人员、研究机构根据自己的需求选取合适的仿真软件。

3主要的仿真性能指标

在协议仿真过程中衡量MAC层协议性能的主要指标有吞吐量、传输时延、接入公平性、能量有效性等。

3.1吞吐量

吞吐量是衡量网络性能的重要指标，在信道上，会有各种原因导致数据包的丢失，浪费了信道资源，而信道资源的浪费程度可以体现MAC层协议的好坏[42]。具体指的是单位时间内所有目的节点的平均接收数据速率，公式如下：

(1)

在实验中，计算数据接收时间不是从模拟的起始时间开始算，而是让模拟进行一段时间，等模拟进入稳定状态，再开始统计。系统的性能也可以由饱和吞吐量来衡量。饱和吞吐量(Saturation Throughput)即网络工作在饱和状态时，网络中的每个节点在任何时刻发送队列都不为空时，网络所能得到的吞吐量，代表了系统在稳定状态下吞吐量能够达到的上界。

另外，归一化饱和吞吐量为饱和吞吐量与信道容量的比值，代表无线网络能够获得的最大信道利用率。

3.2传输时延

分组时延指的是从分组进入MAC层队列时刻起到分组传输完毕时刻之间，由于各种不同的因素引起的时延，包括路由发现时延、分组在接口队列中的等待时延、传输时延等，公式如下：

D(i)=RECEIVETIME(i)-SENDTIME(i).

(2)

(3)

由于每一个分组传输时延可能不同，取所有分组的平均来衡量延时的长短，即平均传输时延，如公式(3)所示[43]。

3.3接入公平性

接入公平性是指网络中的节点占用信道资源的公平性能力，若每个节点占用信道资源的机会均等，说明MAC协议具有很好的公平性[44]。通常可使用公平指数FI(Fairness Index)来评定接入公平性，接入公平性定义如下：

(4)

在公式(4)中，N是表示指全网络中节点的个数，Ti是表示指节点i的吞吐量，Φi表示是指节点i的数据流的权重，假定每个节点都具有一样的权重。如果网络中的整个信道都被一个节点所独自占有，那么此时该网络的接入公平性最差，即FI=1/N；如果网络中所有的节点都能公平地共享信道，那么此时该网络的接入公平性最好，即FI=1，由此可得FI∈[1/N,1]。

3.4能量有效性

能效比(或能耗比)表示为成功传输单位数据量所消耗的能量[45-47]。与单纯考虑能量消耗量指标不同，能量有效性更能体现协议的能耗效能。脱离系统吞吐量而单纯考虑能量消耗是没有意义的，因为协议可能在节能的同时也大大降低了系统的吞吐量。

4总结与展望

随着对MAC层协议的深入研究，协议呈现以下新的研究热点和发展趋势：第一，对于信道分离与接入，多采用双信道和多信道；第二，从拓扑上看，以采用多跳分布式拓扑结构为主；第三，通过功率控制、休眠、减少开销等来实现节能；第四，由发送者发起信道预约转变为由接收者发起；第五，通过优先级和预约机制保证业务的实时性和可扩展性；第六，采用跨层设计的方法，提高系统QOS性能。

随着无线通信技术的发展，Ad Hoc以其不需要固定设施支持、组网快速、灵活等特性受到广泛关注。本文从信道的分离与接入、拓扑、功率、传输主动方式、业务负载和可扩展性、范围、层次设计等7个方面对国内外现有协议进行分类。并对目前常见的协议验证分析手段与仿真技术的优缺点进行了对比，对MAC层协议的主要性能指标作进一步的阐述与分析。

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Surveys on MAC Protoclo in Ad Hoc Network

WANG Ling-zhi1，YUAN Ai-Sha2，FANG Jun-li2

(1.Department of Physics and Electronic Information Engineering,Minnan Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China;2.School of Information Science and Engineering，Xiamen University,Xiamen Fujian 361102,China)

Abstract:In mobile Ad Hoc network，the performance of the MAC(Media Access Control) layer protocol has a significant impact on improving overall network performance. Thus,the design of protocol is the key technical issues facing the Ad Hoc. In this article，we survey and analyze the broadband wireless Ad Hoc network MAC layer protocol. We classify seven key features: channel separation and access, topology, power,transmission initiation,traffic load and scalability ，hierarchical design and range.We explore common verification,analysis tools and simulation technology. Then, we make a further analysis of the main performance indicators of MAC layer protocol.Finally, we discusse and reviewe the research hotspot and development trend of MAC layer protocol.

Key words:Ad Hoc; MAC protocol; review

[作者简介]王灵芝(1981- )，女，讲师，从事无线自组网研究。

[基金项目]海西通信工程技术中心开放课题“无线动态TDMA网络的时隙分配技术”(HXCXJJ2014-012)；闽南师范大学教改项目“基于物联网的嵌入式系统课程群建设”(JG201519)；2015年福建省中青年教师教育科研项目“基于对数微分法的多电容同步测量系统研究”(JA15319)。

[收稿日期]2015-09-13

[中图分类号]TP321.2

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)02-0030-06