無線自組網MAC研究論文

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摘要分析IEEE802.11DCF在實現廣播數據傳輸中存在的問題，提出了一種新的無線自組網mac層協議。采用循環訪問的方式，分別向鄰居節點發送數據。在網絡負載較輕的情況下，該協議具有較好性能，能夠實現可靠的廣播。關鍵字無線自組網；MAC；廣播

引言無線自組網是一種無線移動通信網絡，由一組帶有無線收發設備的移動自主節點組成的自治系統，移動節點之間作為對等實體通過無線鏈路連接，而不借助于任何已經建立的網絡基礎設施或集中管理。由于信道的動態變化以及分布式控制等特點，設計適用于移動自組網的分布式MAC層協議，已成為移動自組網的研究熱點之一。移動自組網的MAC層協議主要描述和實施無線移動節點對無線信道的多址接入。目前，所有無線自組網廣播/多播路由協議都是利用無線信道的廣播特性來實現的。例如，ODMRP[1]就是利用MAC層的廣播特性來實現路由的發現和數據包的傳輸。因此，MAC層對于廣播/多播路由的實現來說是十分重要的。IEEE802.11標準委員會制定了無線網絡MAC層協議標準。但是，它只能為單播數據傳輸提供可靠性。它使用的是CSMA/CA載波監測機制，通過交換RTS/CTS/ACK控制幀來預約信道和保證數據幀的正確接收，實現可靠的數據傳輸。然而，對于廣播數據來說，數據要被發送到所有的鄰居節點，如果鄰居節點都試圖交換CTS/ACK控制幀，必然會導致CTS/ACK幀在發送節點處的沖突。在本文中，我們提出了一種新的無線自組網MAC層協議，以一種循環訪問的方式向各個鄰居節點發送數據，能夠實現可靠的廣播。1預備知識該協議借鑒了IEEE802.11DCF的部分相關技術。所以，先對其進行簡要的介紹是必要的。IEEE802.11DCF[2][3]是IEEE802.11標準委員會制定的無線局域網信道接入協議，用于adhoc結構的網絡。IEEE802.11源于CSMA/CA，對CSMA/CA進行了擴展，加入了ACK控制幀來實現鏈路層的確認。它使用CSMA/CA的載波監聽機制來監聽信道，使用RTS/CTS來實現信道的預約。在實現CSMA/CA過程中，采用了兩種獨特的技術。虛擬載波監聽技術：RTS/CTS/DATA/ACK。網絡中，節點A有數據要發送給節點B時，先發送一個RTS控制信號給節點B；節點B收到RTS后，回送一個CTS信號。RTS/CTS中有一個Duration/ID字段，用于指示無線資源被占用的時間。這樣，在A和B的通信范圍內，所有收到RTS或CTS信號的節點都將停止發送和接收數據，并且將它們的網絡配置矢量（NAV）計數器設置為Duration/ID字段所對應的時間值；只有當NAV＝0時，這些節點才可以再次偵聽無線鏈路。同樣，在節點發送DATA/ACK中也設定了信道被占用的時間。隨機接入技術：一旦發生沖突，該節點要根據二進制指數退避算法計算隨機退避時間。2新的MAC層協議2．1節點信息列表在我們提出的MAC層協議中，每個節點都需要保存三個列表：鄰居列表（NEIGHBORLIST），發送數據緩存列表（SENDBUFFER），接收數據序列號緩存列表（RECEIVERBUFFER）。節點通過（RTS/CTS/DATA/ACK/HELLO）來確定和更新它們的鄰居節點信息。節點收到其中任何一個幀時，將更新它的NEIGHBORLIST。當然，如果在一定的時間間隔之內沒有收到來自NEIGHBORLIST中某一節點的以上任何一種幀，將把該節點從NEIGHBORLIST中刪除。在SENDBUFFER中存儲著已發送但未被其所有鄰居節點成功接收的幀的副本，這些幀還會被重新發送。當該節點的所有鄰居節點都已成功接收一個數據幀時，該數據幀的副本將從SENDBUFFER中刪除。SENDBUFFER中所能存儲的數據幀數目不應小于所有節點中鄰居節點數的最大值。除SENDBUFFER以外，每個節點還保存一個數據緩存隊列用于緩存未發送的數據幀。最后，每個節點還保存著一個RECEVIERBUFFER列表，其中存儲著已被成功接收數據幀的序列號。在發送節點發送的RTS中包括要發送數據幀的序列號，接收節點接收到RTS后，將RECEIVERBUFFER中的序列號和RTS中的進行比較，判斷是否存在未成功接收的幀的序列號。如果有，則在CTS中指出這些數據幀的序列號。2．2協議當節點有數據要發送時，首先通過CSMA/CA的載波監聽機制來監聽信道，像IEEE802.11DCF一樣。如果信道是空閑的，發送節點向它的一個鄰居節點發送RTS幀，在其中列出在SENDBUFFER中已發送的數據幀和當前要發送的數據幀的序列號。在收到RTS幀之后，這個鄰居節點檢查它的RECEIVERBUFFER列表，確定要接收的數據幀的序列號。當列表中缺少以前已發送的數據幀的序列號，則在CTS幀中指出未成功接收數據幀中序列號最小的一個。如果只缺少目前正準備發送的數據幀的序列號，則在CTS響應幀中指出該數據幀的序列號。所有接收到RTS的其它鄰居節點，將退避足夠長的時間以便CTS/DATA/ACK的發送。發送節點收到CTS之后，發送在CTS中指出的序列號所對應的數據幀。所有收到CTS幀的節點（除發送節點）將退避足夠長的時間使得DATA/ACK發送。接收到DATA后，目的節點更新自己的RECEIVERBUFFER列表，將所接收數據幀的序列號添加到RECEVIERBUFFER列表中，并發送ACK確認幀。其它接收到DATA幀的節點同樣更新它們的RECEIVERBUFFER列表。發送節點接收ACK之后，判斷剛才發送的數據幀是不是節點當前正準備發送的數據幀。如果不是，則繼續向該鄰居節點發送RTS幀，直到當前要發送的數據幀被接收為止。在這個過程中，監聽信道的過程被省略，因為信道一直被此次通信所占用。一旦目前要發送的數據幀被發送且得到確認，原節點將該數據幀的副本保存在SENDBUFFER中，然后選擇在NEIGHBORLIST的下一個鄰居節點重復執行以上步驟。當發送節點一直有數據要發送時，這種循環發送的過程可以正常進行。但是，當發送節點的發送隊列中沒有數據要發送時，循環的過程將暫停，從而發送節點不知道下一個鄰居節點是否已經成功接收了全部已發送數據幀。直到有新的數據要發送時，發送節點才能確定這一點。為了解決這個問題，協議設計了一個發送計時器，當發送節點在計時器設定的時間間隔內沒有發送RTS幀，則發送節點將選擇NEIGHBORLIST中的下一個鄰居節點發送RTS幀，這樣循環過程可以繼續進行。當所有的鄰居節點都被訪問，而發送隊列仍為空時，循環過程終止，發送計時器關閉。直到有新的數據幀要發送時，發送計時器重新啟動，循環發送重新開始。當信道爭用過于激烈時，協議將退化成802.11這種不可靠的廣播模式。因過高的信道爭用率將導致控制幀和數據幀的重傳。當重傳次數超過協議的設定的重傳次數最大值時，節點將刪除NEIGHBORLIST中的所有鄰居節點，轉去執行IEEE802.11協議，直到有新的鄰居節點被發現。3性能分析該協議充分利用了無線信道的廣播特性。當發送節點與鄰居節點通信時，其他鄰居節點通過偵聽信道，也可以接收目前尚未成功接收的數據幀，從而極大的減少了循環發送過程中數據幀的發送量，節省了寶貴的無線信道資源。使用RTS/CTS進行信道預約，減少了信道爭用沖突，提高信道的利用率，并較好的解決了隱發送終端的問題。4結束語該協議彌補了IEEE802.11DCF只能對單播數據提供可靠傳輸的不足，充分利用了MAC層的廣播特性，為廣播數據提供可靠性。該協議在廣播信道的爭用率較低的情況下，運行效果較好。下一步的工作重點就是在現有的高效多播路由協議中加入流量控制和擁塞控制機制，以保證這種新的MAC層協議能夠高效的運行。參考文獻:[1]Sung-JuLee,MarioGerla,Ching-ChuanChiang[C].On-demandmulticastroutingprotocol,ProceedingsofIEEEWCNC’99,1999;1298-1302.[2]EditorsofIEEE802.11,wirelessLANmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHT)specification[S],DraftStandardIEEE802.11,1997.[3]ShugongXu,TarekSaadowi.DoesIEEE802.11MACPotocolWorkWellinMultihopWirelessAdHocNetworks[J].IEEECommunicationsMagazineJune2001,39(6):130-137.[4]RayS,CarrathersJ.B,StarobinskiD.RTS/CTSinducedcongestioninadhocwirelessLANS[J],WirelessCommunicationsandNetworking,2003.[5]趙志峰，鄭少仁.AdHoc網絡信道接入技術研究[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2001，2（3）：47－51.