自组网数据链路层协议综述

孙志国 魏萌 张春晖

【摘要】移动自组织网络属于无中心网络，在军用通信领域以及民用应急通信领域均得到了广泛的应用。集中式TDMA数据链路层协议具有较好的网络管理能力以及较好的业务资源分配能力，但是目前这种数据链路层协议的开销较大，本文首先对当前热门的自组网数据链路层协议进行总结，然后就集中式TDMA数据链路层协议提出一种低开销的协议改进方案以供大家参考。

【关键词】自组织网络;数据链路层;TDMA

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06.001

按照是否具有通信基础设施，网络可以分为基于基础设施的网络与无基础设施的网络。这里所指的基础设施包括交换机、路由器、基站等。但某些应用场合不具备这些条件。比如，战场上部队快速展开和推进时，不可能架设专门的通信设施，但指战员、车辆及各种军事设备之间需要交换信息和保持联系。在自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障或无法使用时，如何进行应急通信也是需要解决的难题。因此在这些情况下，一种不依赖于任何通信基础设施的无线网络显得尤为重要，这种网络只依靠无线终端之间的相互协作来完成网络的建立和维护，这便是移动自组织网络。

1. 自组网数据链路层协议：

移动自组网数据链路层协议属于自组网的中层协议，位于物理层与网络层中间，起到承上启下的关键作用，主要为自组织网络提供可靠的同步功能、公平的资源分配功能以及高速的接口功能。目前，自组网数据链路层协议可分为：基于竞争的数据链路层协议以及基于非竞争的数据链路层协议。基于竞争的数据链路层协议又分为随机访问协议、预约/冲突解决协议。基于非竞争的数据链路层协议一般涉及TDMA协议，主要分为集中式TDMA数据链路层协议与分布式TDMA数据链路层协议。下面就几种典型数据链路层协议进行分别介绍。

1.1 第一种是MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）协议，属于预约/冲突解决协议。

这种协议采用两个很短的信令消息RTS和CTS预约信道，例如节点A希望向节点B发送数据时，节点A先向节点B发送一个RTS消息，给出随后将要发送的数据长度;节点B收到RTS帧后向节点A发送一个CTS帧，给出将要发送的数据的长度;节点A收到CTS帧后，立即发送数据帧。RTS帧和CTS帧就是为了通知附近节点，数据发送有可能发生，以减小冲突。假如有节点监听到RTS帧的节点都应该退避推迟发送，直到CTS帧已经被通信申请节点接收。假如有节点监听到CTS帧也应该退避推迟发送自己的数据，直到通信过程完成。假如节点A没有收到任何节点的CTS帧，那么它将超时重发RTS帧，MACA一般采用二进制指数退避算法选择重传的时间。MACA解决了一部分的隐藏终端和暴露终端问题，但是并没有完全解决。例如，ABCD4个节点按照下图1所示方式进行排列，

节点A希望向节点B发送数据帧，首先向节点B发送一个RTS帧，节点B向节点A回复了一个CTS帧，假如此时该CTS帧正好与节点D向节点C发送的RTS帧发生冲突。节点A没有感知到冲突的发生，因此当节点A向节点B发送数据时，节点D由于没有收到节点C的CTS回复帧，向节点C重发了一个RTS帧，然后节点C向节点D发送一个CTS帧，该CTS帧在节点B处与A发送的数据帧冲突。还有一种MACAW协议，采用RTS-CTS-DS-DATA-ACK五步通信机制，与MACA相比增加了DS和ACK步骤，DS帧可以通知邻居节点通信的预约情况，减少冲突，ACK帧反馈数据帧的接收情况，便于重发。除此之外，该协议还增加了RRTS机制，可以大大缩短退避节点恢复通信的时间。

1.2 802.1 1 PCF协议，属于异步随机访问协议。

基于CSMA机制，每当有节点要发送数据的时候，都要事先监听信道，当信道空闲时，或者使用RTS-CTS帧预约发送机制，或者不使用预约机制。当使用预约机制时，发送端发送RTS帧，里面携带通信需要的总时间;随后接收端发送CTS帧，同样携带通信需要的总时间;发送端收到CTS帧后发送数据帧，并等待确认帧;接收端收到数据帧后，发送一个ACK帧进行确认;若发送端定时器超时，重复以上过程，重发该帧;监听到RTS帧和CTS帧的节点均退避一定的时间。该协议具有复杂的一套帧间距规则来保障它的功能。802.11PCF协议具有较好的动态性能，且不要求整个网络的同步前提。但是当邻居中有多个节点要占用信道时，碰撞冲突大大增加，效率较低。

1.3 基于固定分配的TDMA协议，属于分布式TDMA数据链路层协议。

既然属于TDMA范畴，整个网络的同步一定是充分条件。整个时隙结构如图2所示，

由图2可以看出，整个时隙结构分为四个阶段：第一轮时隙请求阶段、第二轮时隙请求阶段、同步建立＼维护阶段以及数据时隙阶段。第一轮时隙请求阶段将时隙请求扩散到一跳邻居范围内，而第二轮时隙请求阶段将时隙请求扩散到两跳邻居范围内。经过两轮时隙请求阶段，每个通信节点也就掌握了所有两跳范围内邻居的时隙请求，然后根据事先预置的“优先级表”分布式地计算时隙分配结果，该结果在数据时隙阶段执行。该协议几乎完美地解决了隐藏终端和暴露终端问题，数据帧的发送没有任何冲突，具有较好的动态性能和协议开销，但是获得公平的“优先级表”非常难。

1.4 集中式TDMA数据链路层协议整个时隙结构如图3所示

由图3可以看出，集中式TDMA协议的时隙结构分为五个阶段：拓扑建立＼维护阶段、时隙请求阶段、同步建立＼维护阶段、时隙下发阶段以及数据时隙阶段。在拓扑建立＼维护阶段，建立和维护整个网络的拓扑，用于路由与排列时隙请求阶段和时隙下发阶段的时隙顺序。在时隙请求阶段，每个节点向时隙管理节点汇聚自己的时隙请求，在该阶段和时隙下发阶段，时隙顺序将根据现场情况动态变化。在同步建立＼维护阶段，建立与维护整个网络的同步狀态。在时隙下发阶段，时隙管理节点根据每个节点的业务请求，计算下发时隙分配结果。时隙分配结果在数据时隙阶段执行。该类协议具有较好的多重业务管理能力，但是动态性能较差，且协议开销较大。为了减小协议开销，本文提出一种改进的集中式TDMA数据链路层协议，将同步帧融合进拓扑帧、时隙请求帧和时隙下发帧。由于时隙请求帧和时隙下发帧的发送顺序是动态变化的。本文提出一种策略来减小不同节点的时隙请求帧与时隙下发帧的冲突，即时隙管理节点实时监测当前在网的节点集合，时隙请求帧与时隙下发帧顺序排列只涉及在网节点对应的时隙位置，例如在网节点只有节点1和节点3时，那么时隙请求阶段的时隙排布如图4所示，

图4中灰色时隙为不可用时隙，这样的话就可以减小协议开销并极大降低时隙请求阶段和时隙下发阶段的时隙冲突。

本文将现有的自组网数据链路层协议进行了总结归纳，并就集中典型协议进行评价与分析，最后就集中式TDMA数据链路层协议提出了改进方案。

参考文献：

[1]盛敏，移动AdHoc网络关键技术研究，西安电子科技大学，2003.

[2]王宇，基于NS2的水下自组网MAC层协议设计，哈尔滨工程大学，2012.

[3]彭革新，谢胜利，陈彩云，一种基于固定TDMA的无冲突动态时隙分配算法，信息安全与通信保密，2005.