移动自组网中MAC层协议研究

张富琴

(西安职业技术学院,陕西 西安 710077)

0 引言

目前,移动通信技术发展迅猛,但是大多数移动通信都需要有线的基础设施(如基站)的支持才能实现。为了实现在某些特殊应用场所不需要固定的设施支持就可以进行通信,一种有别于传统的网络技术——移动自组织网络技术应运而生。移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks)是指一种不需要基础设施的移动网络,也常被称为多跳无线网(Multi-hop Wireless Networks)。该网络是一个临时构建的多跳无中心网络,网络中的成员是一组具有无线通信功能的移动节点。这些移动节点可以在任何地方任意时刻快速地构建起一个移动通信网络,并且不需要基础设施(如基站)的支撑。网络中的每个节点都可以自由移动,且相互之间地位平等。移动自组网的出现加快了人们实现随时随地进行自由通信的进程,同时移动自组网也为临时通信、军事通信和灾难救助等应用提供了有效可行的解决方案。

移动自组织网络是一种网络拓扑动态可能随时发生变化的无线网络。该网络体系、同步机制和实际应用等问题都比较复杂[1]。传统的固定网络和常见的蜂窝移动通信网中使用的协议和技术很难直接应用到移动自组织网络中,因此需要为移动自组织网络设计专门的协议和技术。目前,移动自组织网络研究中面临的主要难点和重点问题为MAC协议、同步机制、路由协议、功率控制、Qos、网络资源管理、网络互联和安全问题等。本文将重点讨论几种常见的MAC协议。

1 MAC协议基本概念

MAC协议是数据在无线信道上发送和接收的主要控制者,是移动自组织网络协议的重要组成部分。MAC协议对网络的时延、吞吐量、数据包传输成功率等性能指标都有着重要的影响。传统网络中多点共享的广播信道,蜂窝移动通信系统中由基站管理控制的无线信道以及点对点无线信道都是一跳共享信道,而移动自组织网络的信道则是一个由多个节点共享的多跳信道。当一个无线通信节点发送数据时,只有在它通信覆盖范围内的节点才能收到,这种共享的多跳信道会导致移动自组织网络存在隐藏终端、暴露终端等问题[2-3]。

如图1所示,当通信节点1向节点3发送数据时,节点2并不在节点1的通信覆盖范围内,它无法检测节点1正在发送分组,如果此时节点2也向节点3发送数据,就会引起数据碰撞,节点2便称作隐藏终端。这种因某些节点不能侦听到其他节点发送数据而引起的数据碰撞就是隐藏终端问题。另外,还存在一种情况,如图2所示,当节点3向节点1发送数据时,节点2就会检测到节点3正在发送分组,节点2为了避免引起数据碰撞会推迟向节点4发送数据。但实际上这种推迟是不必要的,因为节点2向节点4发送数据并不影响节点3向节点1发送数据,这种情况下节点2就是节点3的暴露终端。这种因某些节点在其他正在通信节点的传输范围内而进行不必要的发送推迟便是暴露终端问题。为了保证数据传输的及时性以及正确性,移动自组织网络的MAC协议需要解决隐藏终端及暴露终端问题。

图1 隐藏终端问题示例

2 移动自组网中常见的MAC协议的分析

目前,在移动自组网实际的应用中,MAC层主要采用的协议有CSMA协议、TDMA协议以及二者的结合。

2.1 CSMA协议

CSMA是Carrier Sense Multiple Access的缩写,是一种允许多个节点在同一个信道发送数据的协议。当一个节点发送数据时,需要侦听信道上是否有其他节点在发送数据。如果信道此时有其他节点在发送数据,则发送节点需要等待一个时间段后再次侦听,只有侦听到信道空闲后才会发送数据。信道中的其他节点接收到来自信道的数据,需要判断该数据是不是发送给自己。如果是,则进行下一步处理;如果不是,则将数据抛弃。

如果在某一信道空闲时刻,两个在彼此通信覆盖范围内的节点同时要给对方发送数据时,且它们都侦听到信道处于空闲状态,这时它们会将自己的数据发送出去,从而引起了数据的碰撞。这是因为节点可以侦听信道上是否有数据传输,但是节点无法预判下一时刻信道上是否有数据要传输。为了避免出现这种问题,在实际应用中,往往会让节点在发送数据前,先侦听信道上是否有数据正在传输。如果此时信道上有数据正在传输,则等待一段时间后继续侦听;如果侦听到信道是空闲的,则需要让节点随机退避一段时间P后再继续侦听;如果信道仍然空闲,则发送数据;如果这时信道上有数据在传输,则退回到最初的侦听信道状态,具体流程如图3所示。在上述的过程中,加入随机退避因子是为了避免两个在彼此通信范围内的节点同时发送数据时引起数据碰撞。

图3 CSMA处理流程

CAMA协议的主要优点:

(1)算法简单、易于实现。

(2)信道空闲情况下会快速发送数据,数据时延小。

CAMA协议的主要缺点:

(1)在通信中易于引入隐藏终端和暴露终端的问题。

(2)当系统中节点数量较多时,数据碰撞不可控,且数据时延不可控。

2.2 TDMA协议

TDMA即Time division multiple access,其协议的核心思想是将时间分为若干个时间片段,称之为时隙,每个发送数据的节点占据一个或多个时隙进行数据发送。如图4所示,节点A、B、C、D分别占用时隙1、2、3、4发送数据,这时由于每个节点在不同的时间段发送数据,所以不会引起数据的碰撞。时隙的分配目前有静态预制与动态分配两种。

图4 时隙分配时隙示例

TDMA协议的主要优点:

(1)发送数据的节点在不同时隙进行数据发送,不会发生数据碰撞。

(2)数据传送的时延可控。

TDMA协议的主要缺点:

(1)对同步要求高,需要精准的时间同步。

(2)固定分配时隙的TDMA会引起不必要的数据传输时延,动态分配时隙的TDMA算法较为复杂,且会引入预约时隙等开销,降低系统的吞吐量。

2.3 TDMA+CSMA协议

TDMA+CSMA协议就是将整个时间片分为若干个时隙,一部分时隙固定分配给节点发送公共广播、同步及路由公告等消息,一部分时隙用来进行CSMA载波侦听使用,剩余部分时隙留作节点作为固定分配时隙。基于这一MAC接入思想的时隙分配示例如图5所示。其中,SS时隙是各个节点轮流发送同步和拓扑消息,用于网内节点同步与路由的更新与迟入节点的引导;BS时隙是广播时隙,用于各节点发送广播话音;RS是动态时隙,用于各节点利用CSMA机制临时占用发送数据,该时隙用于发送用户短报文等小型业务;DS时隙是TDMA时隙,可根据开机前用户根据实际用户数进行配置,也可由节点根据业务需求动态预约占用。此时隙适合传输文件、视频等大业务量数据。

图5 时隙分配示例

如果配置用户数为网内最大节点数64个,则设定71个时隙为一个时帧、每64个时帧为1个超帧。当然,以上时隙配置只是在某一种应用场合的一种配置示例,在实际应用中可根据实际需要进行配置。

3 结语

研究表明,在众多移动自组网的关键技术中, MAC协议运行在网络层之下、物理层之上,对数据的发送和接收起着直接控制和管理的作用,其性能的好坏会直接影响整个网络的性能和效率。因此,对于每一种具体的应用场景来说,选取合适的MAC协议至关重要。