无线自组织网络MAC协议研究综述

宋佳　门宇博　雷丹丹　刘庸民

摘要：随着数据链需求的不断扩展和多点协同应用的兴起，使得无线自组织网络技术成为了数据链领域的研究热点。无线自组网利用无线多跳方式完成节点间的相互通信，不依赖于任何固定设施，具有自组织和自管理的特性。本文首先介绍无线自组织网络的概念、特点和相关应用;然后重点介绍自组网技术中MAC层协议的发展和研究情况;最后指出无线自组网技术中MAC层协议面临的问题和未来的挑战。

关键词：无线网络;节点通信;自组织;MAC层协议

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0031-03

0 引言

无线自组织网络作为分布式多跳通信网络，由多个无线收发设备组成。在自组织网络中没有物理意义上的中心节点，使得自组织网络具有临时性，以及能够在任何时间和地点都能迅速构建的特点，自组网在构建过程中不需要地面固定网络设施的支持[1]。在自组织网络中的每个节点终端均可以自由移动，并且每个节点在网络中的地位相等。

无线自组网与固定网络相比具有如下特点：1）自组网中节点具有移动性：任意节点既可以在网络中随意自由移动，也可以多个节点以编队的形式进行有规律的移动，在没有无线连接和安全限制下，节点可自由通信。2）网络拓扑结构具有动态性：由于自组网中的节点是随意自由移动的，必然会导致网络拓扑结构的变化具有动态性，即会发生迅速、随机以及不可预测地变化[2]。3）网络分布式特性：由于无线自组织网络中不存在中心节点，因此网络的控制和管理功能由网络中的普通节点分布式的实现。网络中的普通节点均具有成为路由节点和中继节点的潜力。4）数据速率限制：由于自组织网络使用的是无线信道，受限于无线信道的网络容量，因此自组织网络中的数据传输速率有限。5）移动终端限制：在无线自组织网络中，终端设备的体积和功率较小，并且设备的处理能力较弱，移动终端受限提高了自组网的设计和应用的难度。6）物理安全限制：由于自组网中不存在专门的路由节点，因此容易受到网络攻击。同时节点间以广播形式的通信链路会被多个会话所共享，导致信道误码率的增加。

基于自组网的以上特点，无线自组网具有网络灵活、节点移动性强、节点易展开、体抗毁能力强等优点。它们为无线自组网在民用和军事通信领域的发展提供了有利的保证。无线自组网的应用主要有以下几个方面： 1）军事需求：由于无线自组网的构建过程中不需要固定地面设备，且网络具有较强的抗毁特性，使得无线自组网技术无论在战场语音通信还是武器的視频图像数据传输方面都成为关键技术核心。目前美军走在世界军事通信领域的前列，如美军的数字电台（NTDRP）和无线互联网控制器（RNC）等主要通信装备都使用了无线自组网技术[3]。2）应对紧急和突发事件：已有的固定通信网络设施可能会由于地震、火灾、洪水等突发紧急事件而遭受不同程度的破坏，使固定通信网络无法正常工作。在灾情发生时，自组网的优势能够为灾区通信提供有力支持。灾情发生后，灾区便能够及时恢复与外界的联系，为抢险和救灾工作提供有力保障[4]。3）个人和商业通信应用：无线自组网技术可以用于个人通信设备（手机、笔记本电脑等）的无缝信息传递。由于个人网络通信设备的无线发射功率较小，此时自组网中节点路由的多跳性能够增强网络数据传输的稳定性，并减少网络的复杂程度。未来由于5G的兴起，使得无线自组网技术在商业应用上具有较为宽广的应用前景，包括远程医疗服务、车载网络实时互联等方面。

与传统的固定网络相比，无线自组织网络具有更好的应用前景。但为了使无线自组网技术能够在上述的实际应用得以发展，依然需要解决很多的技术性问题。本文主要对自组网中MAC层协议的发展和研究进行针对性的综述性介绍。

1 MAC层协议介绍

MAC层协议主要提供节点的信道接入机制，从而保证节点间的通信互不干扰，以一种高效率方式共享有限的无线带宽资源。目前应用于无线网络中的MAC层协议大致分为竞争类MAC层协议和分配类MAC层协议。

1.1 CSMA/CA协议

CSMA/CA协议作为传统CSMA协议的扩展是目前常用的竞争类MAC层协议，属于异步通信模式下的竞争类协议。在CSMA/CA协议中包括：（1）RTS/CTS机制来减少隐藏终端带来的影响;（2）二进制指数退避算法（BEB）以减少信息连续冲突的可能性[5]。假设网络的拓扑环境如图1。

在图1中存在一个信息接收节点（STAS）和两个信息发送节点（STAF1与STAF2）。当STAF1与STAF2同时向STAS发送数据，会导致在STAS处发生通信冲突，从而导致信息传输失败。为了避免冲突发生，CSMA/CA协议提供的具体工作机制如图2所示。

当任意节点存在信息需要发送时，则该节点会对信道进行载波监听，若此时信道空闲则进行回退计数。每一次回退时间均为单位时隙时间（Slot Time），当回退计数为0时，则该节点获得当前信道的访问权，可以向其它节点发送信息。在图2（a）中，STA2的回退计数优先置0，此时向STA0发送数据包（PACKET A）。在STA0接收到PACKET A后对数据进行校验解析，若通过则经过短帧间间隔（SIFS）后向STA2节点反馈确认信息帧（ACK）。在STA 2成功接收到确认信息帧之后，PACKET A的传输完成。由于STA 1在本次竞争中没有竞争到信道，为了保证网络传输的公平性，那么其在下一次的回退计数过程中，直接继续上次回退计数继续回退。在图2（b）中，虽然STA2的回退计数优先置0，但STA0未能向STA2反馈确认信息帧，此时STA2需要利用二进制指数退避算法（BEB）重新计算初始回退计数的值，再次对信道进行竞争。

在CSMA/CA协议中，引入了RTS/CTS机制解决网络中可能存在的隐藏终端问题。RTS和CTS帧都是一个广播帧，其中RTS包含后续发送过程所需的时间。CTS包含除去RTS以及一个SIFS时间后的发送过程所需时间。RTS/CTS工作机制对应的时序图如图3所示。

在图3中，STAF2的回退计数优先置0，其首先发送RTS数据帧给STAS。若在STAS处没有冲突，STAS会在等待SIFS时间后广播发送CTS帧。当STAF1解析该CTS信息后，知晓该CTS不是STA1发送的RTS所请求所获得的。从而STAF1会提出CTS中的发送过程总体所需时间，并在本地NAV上设置该时间进行倒数。在未倒数至0之前，其随机回退计数值都讲不再继续回退技术。当STAF2接收到CTS后，已知信道空闲进行发送数据。在数据发送完成后，节点STAS向STAF2反馈ACK信息，最终完成一次数据传输。

1.2 FPRP协议介绍

由于无线自组织网络对网络灵活性、误码率和信道利用率等要求的不断提高，使得动态分配类的MAC层协议也成为主要应用于无线自组网中的主要MAC层协议之一。五次握手协议（Five-Phase Reservation Protocol，FPRP）[6]是具有代表性的动态分配MAC协议之一。利用五步预留过程来建立基于TDMA的动态时隙分配，降低动态TDMA的时隙冲突。与其它基于动态TDMA的协议不同，FPRP协议的预约过程不仅仅局限于每个时帧开始阶段的控制时隙，而是允许在时帧中的任何时隙同时进行预约工作，预约的过程不受控制时隙的制约。FPRP协议的帧结构如图4所示。

五次握手的基本过程如下：

（1）在预留请求阶段（RR），需要预约发送时隙的节点以设定概率发送预约请求分组信息，不需要预约的节点则在这段时间监听信道，获取预约节点的预约分组信息。

（2）在冲突报告阶段（CR），当节点在监听过程中收到多个预约分组信息时，發送一个冲突信息，当只收到一个预约分组信息时则保持沉默。若需要预约发送时隙的节点未收到冲突信息，则预约发送时隙的节点可以预约发送时隙。

（3）在预留证实阶段（RC），预约被建立。预约节点在这一阶段发送预留证实信息，其相邻节点在收到预留证实信息后均知晓该时隙已被预约，从而不再对该时隙进行预约竞争。

（4）在预留确认阶段（RA），预约节点将最新预约信息发送给两跳范围内的相邻节点。

（5）在填充和撤销阶段（P/E），由预约节点在两跳范围内的相邻节点发送预约请求分组信息至预约节点三跳范围内的节点，从而增加节点预约效率，加速收敛;撤销分组信息可用于消除网络中可能存在的非孤立死锁问题。

FPRP协议的优势在于其对网络规模的敏感度较弱，因此该协议普遍用于规模较大和动态变化较为强烈的自组织网络。同时FPRP协议在五次握手中的冲突报告阶段可以有效检测两个隐藏终端的信息碰撞，两个碰撞节点收到相邻节点的冲突信息即可停止信息碰撞，从而避免了基于TDMA的MAC层协议的网络中存在隐藏终端导致信息碰撞的问题。

2 MAC层协议发展的展望

本文对无线自组网中典型的MAC层协议进行了简要介绍，后续面对无线通信需求的不断扩大，在MAC层协议研究中可以对以下四个方面进行更加深入的探讨。首先在实际应用中，无线自组织网络所处环境和系统本身是复杂多变的，目前针对不同的应用场景和环境，需设计不同的MAC层协议进行网络节点的访问接入控制，为了得到满足实际应用需求的MAC层协议的性能结论，需要在网络仿真过程中加入符合实际场景和环境情况的网络模型，例如无线信道模型、节点移动模型等。其次在对基于TDMA的动态时隙分配算法的研究中，对于拓扑透明特性的研究具有一定的优势，但同时动态TDMA在面对复杂网络环境和拓扑结构时网络的吞吐量较小，因此在未来的研究中，如何提高基于动态TDMA的MAC层协议网络吞吐量成为动态分配MAC层协议的关键。再次，随着数据信息类型的不断扩展，单一数据类型的传输已经不能满足于如今的军事或民事需求，因此需要对针对多类型、多优先级数据的MAC层协议进行研究，在保证数据信息能够按需收发的同时，保证高优先级数据的低时延性能。最后，随着对自组网中物理层编码技术和传输体制、MAC层的调度算法、网络层的路由协议、应用层的自适应机制等研究力度的增大，就越容易发现单独各层性能的局限性。在研究各层体制和协议时，不但要确保网络整体设计满足要求，同时还要将各层级的体制和协议相互关联，避免物理层、MAC层、网络层和应用层体制的独立研究。因此为了使MAC层协议在满足网络要求的同时拥有较强的时延和吞吐量等网络性能，在进行MAC层协议设计时也需要对网络层和物理层相关的协议和体系进行设计和配置，利用跨层设计的思路提高网络系统的整体性能。

参考文献

[1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2] 董思妤，张洪，王路.无人机自组网OLSR路由协议的优化[J].军械工程学院学报，2017，29（2）：67-70.

[3] 王官.自组网在军事无线通信中的应用[J].无线互联科技，2017（18）：15-16.

[4] 乔涵，刘哲，康龄泰.无线自组网在应急通信网络技术中的应用[J].自动化与仪器仪表，2018（4）：189-191.

[5] 穆海东，梁雨婷，开彩红.无线多跳网络中多径路由与CSMA协议联合优化[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2018，41（6）：66-72.

[6] 杨双懋，郭伟，苏俭.基于FPRP的无线自组织网的MAC协议[J].计算机应用研究，2008，25（1）：68-70.

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