張富琴

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710077)

0 引言

目前,移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅猛,但是大多數(shù)移動(dòng)通信都需要有線的基礎(chǔ)設(shè)施(如基站)的支持才能實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)所不需要固定的設(shè)施支持就可以進(jìn)行通信,一種有別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Networks)是指一種不需要基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),也常被稱為多跳無(wú)線網(wǎng)(Multi-hop Wireless Networks)。該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)臨時(shí)構(gòu)建的多跳無(wú)中心網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的成員是一組具有無(wú)線通信功能的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在任何地方任意時(shí)刻快速地構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),并且不需要基礎(chǔ)設(shè)施(如基站)的支撐。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以自由移動(dòng),且相互之間地位平等。移動(dòng)自組網(wǎng)的出現(xiàn)加快了人們實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行自由通信的進(jìn)程,同時(shí)移動(dòng)自組網(wǎng)也為臨時(shí)通信、軍事通信和災(zāi)難救助等應(yīng)用提供了有效可行的解決方案。

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)可能隨時(shí)發(fā)生變化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)體系、同步機(jī)制和實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題都比較復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)和常見(jiàn)的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中使用的協(xié)議和技術(shù)很難直接應(yīng)用到移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中,因此需要為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專門的協(xié)議和技術(shù)。目前,移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)研究中面臨的主要難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題為MAC協(xié)議、同步機(jī)制、路由協(xié)議、功率控制、Qos、網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和安全問(wèn)題等。本文將重點(diǎn)討論幾種常見(jiàn)的MAC協(xié)議。

1 MAC協(xié)議基本概念

MAC協(xié)議是數(shù)據(jù)在無(wú)線信道上發(fā)送和接收的主要控制者,是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要組成部分。MAC協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、吞吐量、數(shù)據(jù)包傳輸成功率等性能指標(biāo)都有著重要的影響。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中多點(diǎn)共享的廣播信道,蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中由基站管理控制的無(wú)線信道以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線信道都是一跳共享信道,而移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的信道則是一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享的多跳信道。當(dāng)一個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),只有在它通信覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能收到,這種共享的多跳信道會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)存在隱藏終端、暴露終端等問(wèn)題[2-3]。

如圖1所示,當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)3發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),節(jié)點(diǎn)2并不在節(jié)點(diǎn)1的通信覆蓋范圍內(nèi),它無(wú)法檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1正在發(fā)送分組,如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)2也向節(jié)點(diǎn)3發(fā)送數(shù)據(jù),就會(huì)引起數(shù)據(jù)碰撞,節(jié)點(diǎn)2便稱作隱藏終端。這種因某些節(jié)點(diǎn)不能偵聽(tīng)到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而引起的數(shù)據(jù)碰撞就是隱藏終端問(wèn)題。另外,還存在一種情況,如圖2所示,當(dāng)節(jié)點(diǎn)3向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),節(jié)點(diǎn)2就會(huì)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)3正在發(fā)送分組,節(jié)點(diǎn)2為了避免引起數(shù)據(jù)碰撞會(huì)推遲向節(jié)點(diǎn)4發(fā)送數(shù)據(jù)。但實(shí)際上這種推遲是不必要的,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)4發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響節(jié)點(diǎn)3向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù),這種情況下節(jié)點(diǎn)2就是節(jié)點(diǎn)3的暴露終端。這種因某些節(jié)點(diǎn)在其他正在通信節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)而進(jìn)行不必要的發(fā)送推遲便是暴露終端問(wèn)題。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性以及正確性,移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議需要解決隱藏終端及暴露終端問(wèn)題。

圖1 隱藏終端問(wèn)題示例

2 移動(dòng)自組網(wǎng)中常見(jiàn)的MAC協(xié)議的分析

目前,在移動(dòng)自組網(wǎng)實(shí)際的應(yīng)用中,MAC層主要采用的協(xié)議有CSMA協(xié)議、TDMA協(xié)議以及二者的結(jié)合。

2.1 CSMA協(xié)議

CSMA是Carrier Sense Multiple Access的縮寫,是一種允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)信道發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),需要偵聽(tīng)信道上是否有其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道此時(shí)有其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù),則發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要等待一個(gè)時(shí)間段后再次偵聽(tīng),只有偵聽(tīng)到信道空閑后才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。信道中的其他節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自信道的數(shù)據(jù),需要判斷該數(shù)據(jù)是不是發(fā)送給自己。如果是,則進(jìn)行下一步處理;如果不是,則將數(shù)據(jù)拋棄。

如果在某一信道空閑時(shí)刻,兩個(gè)在彼此通信覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)要給對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),且它們都偵聽(tīng)到信道處于空閑狀態(tài),這時(shí)它們會(huì)將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,從而引起了數(shù)據(jù)的碰撞。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可以偵聽(tīng)信道上是否有數(shù)據(jù)傳輸,但是節(jié)點(diǎn)無(wú)法預(yù)判下一時(shí)刻信道上是否有數(shù)據(jù)要傳輸。為了避免出現(xiàn)這種問(wèn)題,在實(shí)際應(yīng)用中,往往會(huì)讓節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前,先偵聽(tīng)信道上是否有數(shù)據(jù)正在傳輸。如果此時(shí)信道上有數(shù)據(jù)正在傳輸,則等待一段時(shí)間后繼續(xù)偵聽(tīng);如果偵聽(tīng)到信道是空閑的,則需要讓節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間P后再繼續(xù)偵聽(tīng);如果信道仍然空閑,則發(fā)送數(shù)據(jù);如果這時(shí)信道上有數(shù)據(jù)在傳輸,則退回到最初的偵聽(tīng)信道狀態(tài),具體流程如圖3所示。在上述的過(guò)程中,加入隨機(jī)退避因子是為了避免兩個(gè)在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)引起數(shù)據(jù)碰撞。

圖3 CSMA處理流程

CAMA協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn):

(1)算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

(2)信道空閑情況下會(huì)快速發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)時(shí)延小。

CAMA協(xié)議的主要缺點(diǎn):

(1)在通信中易于引入隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題。

(2)當(dāng)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí),數(shù)據(jù)碰撞不可控,且數(shù)據(jù)時(shí)延不可控。

2.2 TDMA協(xié)議

TDMA即Time division multiple access,其協(xié)議的核心思想是將時(shí)間分為若干個(gè)時(shí)間片段,稱之為時(shí)隙,每個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)占據(jù)一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。如圖4所示,節(jié)點(diǎn)A、B、C、D分別占用時(shí)隙1、2、3、4發(fā)送數(shù)據(jù),這時(shí)由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)間段發(fā)送數(shù)據(jù),所以不會(huì)引起數(shù)據(jù)的碰撞。時(shí)隙的分配目前有靜態(tài)預(yù)制與動(dòng)態(tài)分配兩種。

圖4 時(shí)隙分配時(shí)隙示例

TDMA協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn):

(1)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。

(2)數(shù)據(jù)傳送的時(shí)延可控。

TDMA協(xié)議的主要缺點(diǎn):

(1)對(duì)同步要求高,需要精準(zhǔn)的時(shí)間同步。

(2)固定分配時(shí)隙的TDMA會(huì)引起不必要的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙的TDMA算法較為復(fù)雜,且會(huì)引入預(yù)約時(shí)隙等開銷,降低系統(tǒng)的吞吐量。

2.3 TDMA+CSMA協(xié)議

TDMA+CSMA協(xié)議就是將整個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙,一部分時(shí)隙固定分配給節(jié)點(diǎn)發(fā)送公共廣播、同步及路由公告等消息,一部分時(shí)隙用來(lái)進(jìn)行CSMA載波偵聽(tīng)使用,剩余部分時(shí)隙留作節(jié)點(diǎn)作為固定分配時(shí)隙。基于這一MAC接入思想的時(shí)隙分配示例如圖5所示。其中,SS時(shí)隙是各個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送同步和拓?fù)湎?用于網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同步與路由的更新與遲入節(jié)點(diǎn)的引導(dǎo);BS時(shí)隙是廣播時(shí)隙,用于各節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播話音;RS是動(dòng)態(tài)時(shí)隙,用于各節(jié)點(diǎn)利用CSMA機(jī)制臨時(shí)占用發(fā)送數(shù)據(jù),該時(shí)隙用于發(fā)送用戶短報(bào)文等小型業(yè)務(wù);DS時(shí)隙是TDMA時(shí)隙,可根據(jù)開機(jī)前用戶根據(jù)實(shí)際用戶數(shù)進(jìn)行配置,也可由節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)預(yù)約占用。此時(shí)隙適合傳輸文件、視頻等大業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)。

圖5 時(shí)隙分配示例

如果配置用戶數(shù)為網(wǎng)內(nèi)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)64個(gè),則設(shè)定71個(gè)時(shí)隙為一個(gè)時(shí)幀、每64個(gè)時(shí)幀為1個(gè)超幀。當(dāng)然,以上時(shí)隙配置只是在某一種應(yīng)用場(chǎng)合的一種配置示例,在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明,在眾多移動(dòng)自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)中, MAC協(xié)議運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)層之下、物理層之上,對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收起著直接控制和管理的作用,其性能的好壞會(huì)直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。因此,對(duì)于每一種具體的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō),選取合適的MAC協(xié)議至關(guān)重要。