無線自組網(wǎng)競爭類MAC協(xié)議分析及研究

摘要：無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)，并且每個節(jié)點的業(yè)務(wù)多以突發(fā)業(yè)務(wù)為主，因此信道資源分配適用于采用競爭方式。本文在對無線自組網(wǎng)各種典型競爭類MAC協(xié)議進行分析及探討的基礎(chǔ)上，采用Opnet仿真建模環(huán)境，創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)分析模型，并在此基礎(chǔ)上對各協(xié)議的性能優(yōu)劣進行了比較總結(jié)。論文對無線自組網(wǎng)各協(xié)議仿真建模研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實際參考價值。
關(guān)鍵詞：無線自組網(wǎng)；MAC；競爭協(xié)議；OPNET

無線自組網(wǎng)是一種沒有任何中心實體的，由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成的自治性網(wǎng)絡(luò)。依靠節(jié)點間的相互協(xié)作可在任何時刻、任何地點以及各種移動、復(fù)雜多變的無線環(huán)境中自行成網(wǎng)，并借助多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來彌補無線設(shè)備的有限傳輸距離，從而拓寬網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍，為用戶提供各種服務(wù)、傳輸各種業(yè)務(wù)。在現(xiàn)代化戰(zhàn)場上，如數(shù)字化與自動化戰(zhàn)場、各種軍事車輛、士兵之間的協(xié)同通信、發(fā)生地震等自然災(zāi)害后、搜救與營救以及移動辦公、虛擬教室、傳感器網(wǎng)絡(luò)等通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其中MAC協(xié)議是無線自組網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)，控制著節(jié)點對無線媒體的占用，對自組織網(wǎng)的整體性能起著決定性的作用。從自組織網(wǎng)出現(xiàn)至今，MAC協(xié)議設(shè)計一直是研究的重點。目前，移動自組織網(wǎng)采用的信道訪問控制協(xié)議大致包括3類：競爭協(xié)議、分配協(xié)議、競爭協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議(混合類協(xié)議)。這3種協(xié)議的區(qū)別在于各自的信道接入策略不同。由于MAC協(xié)議的研究主要集中在基于競爭的機制，本文著重針對競爭類協(xié)議中幾種較常用的典型MAC協(xié)議進行對比分析，并在OPNET仿真建模軟件中創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)模型，這對無線自組織網(wǎng)絡(luò)仿真研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實際參考價值。

1 競爭協(xié)議的概念及特點
競爭協(xié)議是使用直接競爭來決定信道訪問權(quán)，并且通過隨機重傳來解決碰撞問題。ALOHA協(xié)議和載波偵聽多址訪問CSMA協(xié)議就是競爭協(xié)議的典型例子。除了時隙化的ALOHA協(xié)議，大多數(shù)競爭協(xié)議都使用異步通信模式。這種協(xié)議在低傳輸負(fù)荷下運行良好，如碰撞次數(shù)少，信道利用率高、分組傳輸時延小。隨著傳輸負(fù)荷的增大，往往使協(xié)議性能下降、碰撞次數(shù)增多。在傳輸負(fù)荷很重的時候，競爭協(xié)議可能隨著信道利用率下降而變得不穩(wěn)定。這就可能導(dǎo)致分組傳輸時延呈指數(shù)形式增大，以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的崩潰。這就對MAC協(xié)議的設(shè)計提出了較高的要求。當(dāng)前無線自組網(wǎng)中MAC協(xié)議的設(shè)計面臨如下幾個問題。
1．1 隱藏終端和暴露終端
無線自組網(wǎng)的無線信道是一個共享的廣播信道，但它不是一跳共享的，而是多跳的共享信道。此外，每個結(jié)點的通信范圍有限，因此報文沖突與節(jié)點所處位置有關(guān)，結(jié)點之間的傳播時延不可忽略，帶來隱藏終端和暴露終端的問題。
1．1．1 隱藏終端
隱終端問題指在接收結(jié)點的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送結(jié)點的覆蓋范圍之外的結(jié)點。隱藏終端因聽不到發(fā)送結(jié)點的發(fā)送而可能向同樣的接收結(jié)點發(fā)送報文，造成報文在接收結(jié)點處沖突(如圖1(a))沖突后發(fā)送結(jié)點要重傳沖突的報文，從而降低了信道利用率。圖1(a)中當(dāng)結(jié)點A向結(jié)點B發(fā)送報文時，結(jié)點C處在結(jié)點A的覆蓋范圍之外而處在B的覆蓋范圍之內(nèi)，因而成了隱藏終端。

1．1．2 暴露終端
暴露終端是指在發(fā)送結(jié)點覆蓋范圍之內(nèi)而在接收結(jié)點覆蓋范圍之外的結(jié)點，暴露終端因聽到發(fā)送結(jié)點的發(fā)送而延遲發(fā)送(如圖1(b)所示)，但因為它在接收結(jié)點的通信范圍之外，它的發(fā)送實際上并不會造成沖突。
因此必須想辦法避免這兩種終端帶來的沖突，盡可能提高吞吐率，減小時延。
1．2 信道使用的公平性
在無線自組網(wǎng)絡(luò)中，一個需要解決的關(guān)鍵問題是設(shè)計公平高效的MAC訪問協(xié)議。所謂公平，是指競爭無線信道的節(jié)點能公平共享無線信道的帶寬；所謂高效，是要盡量選用合適的退避算法，保證競爭用戶使用信道的公平性。由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點共享信道，不可避免要采取退避手段解決競爭問題。所采用的退避算法既要盡量降低各節(jié)點間的沖突概率，又要避免因退避時間過長而降低信道利用率，同時還要保證各節(jié)點能公平地訪問信道。
1．3 節(jié)點移動的影響
由于無線自組網(wǎng)中節(jié)點能夠自由移動，這就造成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷變化，這也會對Adhoc網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制協(xié)議帶來一定的影響。當(dāng)一對節(jié)點正在通信時，因為移動而進入接收節(jié)點通信范圍的節(jié)點可能會發(fā)送(或正在發(fā)送)數(shù)據(jù)而引起分組沖突，這被稱為入侵終端問題。實際上結(jié)點移動對信道接入?yún)f(xié)議的影響是較小的。