Ad Hoc網絡媒體接入層協議研究

王靈芝，袁艾莎 ，方雋俐

(1.閩南師范大學物理與信息工程學院，福建漳州 363000；2.廈門大學信息科學與技術學院，福建廈門 361102)

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Ad Hoc網絡媒體接入層協議研究

王靈芝1，袁艾莎2，方雋俐2

(1.閩南師范大學物理與信息工程學院，福建漳州 363000；2.廈門大學信息科學與技術學院，福建廈門 361102)

[摘要]在移動Ad Hoc網絡中，媒體接入層的性能(Media Access Control，MAC)對整個網絡性能的提高具有重要的影響，對該層協議的設計是Ad Hoc面臨的關鍵技術問題。本文在充分調研了國內外Ad Hoc網絡MAC協議的研究現狀基礎上，從信道的分離與接入、拓撲、功率、傳輸主動方式、業務負載和可擴展性、范圍、層次設計等7個方面對現有協議進行分類。并探討了常見的協議驗證分析手段與仿真技術，對衡量MAC層協議的主要性能指標作進一步的分析，最后對MAC層協議研究熱點與發展趨勢進行綜述與展望。

[關鍵詞]Ad Hoc；MAC協議；綜述

Ad Hoc網絡是一種不依賴于固定網絡設施,由一組無線可移動節點組成的動態自組織系統[1]。網絡中的各節點通過自組織的方式完成信息的交互和接入。在無線自組織網絡的分層體系中，MAC層工作在物理層與網絡層之間，其一方面屏蔽底層技術細節，實現節點接入信道，另一方面向網絡層提供統一的服務，包括排隊、分組、差錯控制、確認等功能[2]。MAC層協議性能與無線信道的利用率密切相關，從而影響整個網絡的性能，是Ad Hoc網絡中的重要研究課題。

1協議性能的分類與比較

MAC層存在著空間復用、沖突處理、暴露/隱藏終端問題、公平性、節能等諸多技術難題[3-4]，為此眾多學者提出了大量的MAC層協議。以下分別從信道的分離與接入、拓撲、功率、傳輸主動方式、業務負載和可擴展性、范圍、層次設計等7個特征進行分類[5]。

1.1基于信道的分離與接入技術的分類

對于Ad Hoc網絡而言，如何充分利用其通訊介質是一個關鍵要素，早期的協議多采用公共信道。近年來，多信道技術由于其對介質的高利用率被廣泛使用。大多數協議的底層物理信道采用射頻(RF)信號。近期，其它的物理層技術如超寬帶無線電(UWB)[6]以及聲學通信技術[7]也被提出。根據介質的使用情況，可將協議分成單通道和多通道協議。多通道協議根據信道的分離技術又可分成通用型、TDMA[8-9]、CDMA、FDMA、SDMA以及混合型。

單通道協議的代表有早期的載波偵聽多址接入協議CSMA(Carrier Sense Multiple Access)協議[10]、帶有沖突檢測機制MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)協議[11]、FAMA(Floor Acquisition Multiple Access)協議[12]等。多通道代表協議：通用型有BTMA(Busy Tone Multiple Access)協議[13]、DCAPC(Dynamic Channel Assignment with Power Control)[14]等；TDMA有FPRP(Five Phase Reservation Protocol )協議[15]、Markowski[16]等；CDMA有IEEE 802.11協議[17]等；FDMA有MCSMA(Multi-channel CSMA)協議[18]等；SDMA有In Lal’s 協議[19]等；混合型有PRMA(Packet Reservation Multiple Access)協議[20]等。

1.2基于拓撲的分類

Ad Hoc網絡中通常包括不同能量和資源的節點，節點處于活動狀態，網絡中拓撲結構不斷變化。典型的網絡拓撲結構多通過層次和跳數進行劃分。根據層次可將協議劃分為具有中心點的結構、集群結構、平拓撲結構3種[21]。具有中心點的情況，由單節點或基站控制和管理網絡中其它節點。集群拓撲結構指定每組節點中的一個節點進行局部化控制。平拓撲結構采用完全分布式策略，所有的節點既是節點又是路由，沒有中心節點的概念。我們對其跳數進一步分類：單跳協議和多跳協議。單跳節點只需與其通信的鄰居節點通信，而多跳節點可以通過其它中間節點中繼達到目標節點。單跳節點的優點在于其簡單，缺點在于其不適合應用于大型網絡中。多跳協議復雜但有很好的擴展性。單跳平拓撲結構代表協議有CSMA等，多跳平拓撲結構有FPRP等，集群結構有Jin[22]、Bluetooth[23]等，中心拓撲有BTMA、PRMA等。

1.3基于能耗控制手段的分類

在Ad Hoc網路中，由于電池供電的有限性，無基站、碰撞和信道沖突等因素使得單個節點的功耗以及整個網絡的整體功耗成為設計中需要考慮的重要因素。主要技術包括：(1)通過控制節點的發送功率，使其發送功率只足夠到達預期的接收節點，從而以最小的干擾共享無線信道，其多用于高負載和高密度網絡。代表協議有DPC/ALP[24]、802.11等；(2)基于休眠模式的Bluetooth、PAMAS等；(3)基于電量預警機制的，如JIN、GPC、DPC/ALP等協議，多適用于電能異構的網絡，例如一個網絡中含有膝上電腦、掌上電腦、電子筆等不同的發送設備，那么膝上電腦可能會因為相對高的電量水平而被選擇作為簇頭，而電子筆則有可能由于其有限的電量水平而具有優先發送權；(4)通過減少控制開銷來減少能耗，例如MARCH[25]協議，對于一個需要N跳的輸出路徑，MARCH協議使用一個RTS 信號和N個CTS信號。當N很大的時候，通過這種方式節約能耗將是很可觀的。

1.4基于傳輸主動方式的分類

發送方主動還是接收方主動主要取決于其網絡應用類型，大多數協議屬于發送方主動，適用于更直觀、不可預測的業務模型。接收方主動的協議近期也出現了很多。接收方主動的協議對于某一類型特殊的Ad Hoc網絡是很有用的，例如傳感網。在傳感網中，主要是采集數據并存入數據庫。所以只要知道數據從屬于某區域，而數據源節點并不是非常重要，在這種情況下，節點總是處于發送狀態，接收者通過輪詢節點來獲取所需數據。在上述網絡情況下，由于絕大多數的RTR信息都有效，所以此類協議的性能很好。但此類協議的缺點在于僅通過接收者發出RTR準備信息來接收數據，并不能確保每一個鄰居節點的發送都成功，因此，該類協議需添加諸如調頻預留和方向性RTS信息等手段來緩解該問題。

發送方主動的代表協議有CSMA、FAMA、PRMA、FPRP等，接收方主動的代表協議有MACA-BI[26]、RIMA-SP[27]、RICH-DP[28]等。采用哪種機制主要取決于其應用場景，對于通常的網絡，發送方主動更加適合，對于特定的網絡，例如傳感網，接收方主動是更好的選擇。

1.5基于業務負載和可擴展性的分類

高負載網絡協議包括RICH-DP、Lal、MMAC[29]等，高密度網絡協議包括DCA-PC、GPC[30]、GRID-B[31]等。音頻和實時業務的代表協議有PRMA等。TDMA協議大多適用于高負載周期性傳輸網絡，但其可擴展性較差，因為不能很好地應付隨機數據的傳輸，增加網絡大小需要更多的節點競爭時隙。

1.6基于范圍的分類

協議的規模包括傳輸范圍、帶寬以及空間容量。微小的范圍協議，其覆蓋距離在10米左右或更小。代表協議有Bluetooth、MARCH等。小范圍協議其覆蓋范圍可以包括建筑物或全校網絡，代表協議有IEEE 802.11a等。中等覆蓋范圍在100米的量級，但其具有更高的移動性，代表協議有IEEE 802.11b等。大范圍的協議，其可以覆蓋1公里甚至10公里，但是由于傳輸延時的增加和潛在的遠近問題導致控制和管理網絡變得更難，代表協議有RICH-DP等。

1.7基于層次設計的分類

常見的協議多采用統一的分層協議體系結構，這種方法可以簡化協議的實現，每層獨立進行設計和操作，完成特定的功能，但是由于各層間接口是靜態的，通信只能在相鄰層間進行，這種嚴格的分層設計方法不能很好地解決所出現的各種問題[32]，例如QOS支持、能耗、可擴展性等。近年來，大家把目光轉向支持跨層交互與實施，通過層間交互，不同層次可以共享本地信息，減少系統開銷來對整個系統進行優化。最常見的手段有MAC層與路由層聯合設計方案等[33-34]。

2協議的驗證分析與仿真技術

2.1仿真驗證手段

隨著對MAC層協議研究的深入，新的協議和算法不斷地被提出，對于這些算法的驗證與分析主要通過3種方式。

第一，通過數學手段對協議的建模和性能分析，G.Bianchi[35]提出用一種基于二維Markov鏈模型的IEEE 802.11DCF協議建模方法，推導出系統的吞吐量模型，眾多學者在此基礎上提出了改進的二維Markov鏈模型以及三維的Markov鏈模型[36]，很好地驗證和分析了協議的正確性。

第二，通過建立協議所需的合理的硬件測試與軟件測試環境，利用建立實驗室測試網絡、網絡測試平臺以及小規模商用實驗網絡的方式。在真實的網絡狀態下實現對協議的行為和性能的測量。該方法能較真實地反映實際的網絡狀況，但成本較高，實現復雜。

第三，通過仿真軟件，實現所研究網絡協議的仿真代碼，模擬運行實際的網絡拓撲、節點行為及業務模型，在實際網絡傳輸和交換過程模擬網絡流量[37]，在計算機上運行并分析輸出結果。該種方法在很大程度上彌補了實驗手段的不足，能夠很好地開發和評價新的網絡協議和設備。

2.2主流的網絡仿真平臺

目前眾多的專用網絡仿真軟件中有兩種類型：一是軟件公司開發的商用軟件，二是研究所或大學自行開發的科研軟件。目前主流的仿真平臺有OPNET、MATLAB、NS2、NS3等[38]。

OPNET是MIL3公司開發的一款商用網絡仿真軟件。其組件豐富、界面友好，但其開放性差、價格昂貴。因此普通科研機構和研究者使用較少，而常應用于國防軍事科學領域。

MATLAB是一款由美國The MathWorks公司出品的一款商業數學軟件。除了常見的數值處理、圖形繪制、創建交互界面的基本功能外，MATLAB還可以調用其它語言編寫的程序代碼，因此被廣泛應用于網絡仿真。但由于其不能很好地模擬無線傳輸環境和網絡狀態，其適用范圍有限，多用于分析和驗證協議中的算法。

由加州大學伯克利分校創建的NS2(Network Simulator，version2)是一款面向對象的網絡模擬器，相較于常見商用仿真軟件OPNET而言，其免費且源碼開放，配置靈活、使得它是目前網絡模擬領域最廣泛的軟件之一。NS2實質上是一個離散事件模擬器，采用了分裂對象模型的機制進行開發，需采用C++與OTcl兩種語言進行開發工作。它們兩者通過TclCL進行連接映射。NS2包括模擬事件調度器、網絡組件對象庫等結構。事件調度器用來控制模擬的過程，網絡組件用來模擬網絡設備或者節點之間的通訊，可以通過搭建不同的模擬環境進行仿真[39]。

與NS2一樣，NS3本質上也是一個離散事件模擬器，但NS3的仿真過程并不采用OTcl，而是用純C++代碼實現，部分機制還可以使用Python語言[40]，所以NS3不是NS2的擴展，不支持NS2的APIs。從使用角度上說，它僅僅繼承了一個名稱而已，是一個新的模擬器。

NS3的功能仍在開發中，只提供了一些基本的模塊，它沒有NS2完善，也并不包含目前所有NS2的功能，但它具有某些新的特性，可擴展性好。對網絡與協議的模擬與仿真，相較NS2的使用更加方便，研究者可以根據自己的需要進行任意的擴展[41]。

各個仿真軟件都有其適用范圍和優缺點，不同的研究人員、研究機構根據自己的需求選取合適的仿真軟件。

3主要的仿真性能指標

在協議仿真過程中衡量MAC層協議性能的主要指標有吞吐量、傳輸時延、接入公平性、能量有效性等。

3.1吞吐量

吞吐量是衡量網絡性能的重要指標，在信道上，會有各種原因導致數據包的丟失，浪費了信道資源，而信道資源的浪費程度可以體現MAC層協議的好壞[42]。具體指的是單位時間內所有目的節點的平均接收數據速率，公式如下：

(1)

在實驗中，計算數據接收時間不是從模擬的起始時間開始算，而是讓模擬進行一段時間，等模擬進入穩定狀態，再開始統計。系統的性能也可以由飽和吞吐量來衡量。飽和吞吐量(Saturation Throughput)即網絡工作在飽和狀態時，網絡中的每個節點在任何時刻發送隊列都不為空時，網絡所能得到的吞吐量，代表了系統在穩定狀態下吞吐量能夠達到的上界。

另外，歸一化飽和吞吐量為飽和吞吐量與信道容量的比值，代表無線網絡能夠獲得的最大信道利用率。

3.2傳輸時延

分組時延指的是從分組進入MAC層隊列時刻起到分組傳輸完畢時刻之間，由于各種不同的因素引起的時延，包括路由發現時延、分組在接口隊列中的等待時延、傳輸時延等，公式如下：

D(i)=RECEIVETIME(i)-SENDTIME(i).

(2)

(3)

由于每一個分組傳輸時延可能不同，取所有分組的平均來衡量延時的長短，即平均傳輸時延，如公式(3)所示[43]。

3.3接入公平性

接入公平性是指網絡中的節點占用信道資源的公平性能力，若每個節點占用信道資源的機會均等，說明MAC協議具有很好的公平性[44]。通常可使用公平指數FI(Fairness Index)來評定接入公平性，接入公平性定義如下：

(4)

在公式(4)中，N是表示指全網絡中節點的個數，Ti是表示指節點i的吞吐量，Φi表示是指節點i的數據流的權重，假定每個節點都具有一樣的權重。如果網絡中的整個信道都被一個節點所獨自占有，那么此時該網絡的接入公平性最差，即FI=1/N；如果網絡中所有的節點都能公平地共享信道，那么此時該網絡的接入公平性最好，即FI=1，由此可得FI∈[1/N,1]。

3.4能量有效性

能效比(或能耗比)表示為成功傳輸單位數據量所消耗的能量[45-47]。與單純考慮能量消耗量指標不同，能量有效性更能體現協議的能耗效能。脫離系統吞吐量而單純考慮能量消耗是沒有意義的，因為協議可能在節能的同時也大大降低了系統的吞吐量。

4總結與展望

隨著對MAC層協議的深入研究，協議呈現以下新的研究熱點和發展趨勢：第一，對于信道分離與接入，多采用雙信道和多信道；第二，從拓撲上看，以采用多跳分布式拓撲結構為主；第三，通過功率控制、休眠、減少開銷等來實現節能；第四，由發送者發起信道預約轉變為由接收者發起；第五，通過優先級和預約機制保證業務的實時性和可擴展性；第六，采用跨層設計的方法，提高系統QOS性能。

隨著無線通信技術的發展，Ad Hoc以其不需要固定設施支持、組網快速、靈活等特性受到廣泛關注。本文從信道的分離與接入、拓撲、功率、傳輸主動方式、業務負載和可擴展性、范圍、層次設計等7個方面對國內外現有協議進行分類。并對目前常見的協議驗證分析手段與仿真技術的優缺點進行了對比，對MAC層協議的主要性能指標作進一步的闡述與分析。

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Surveys on MAC Protoclo in Ad Hoc Network

WANG Ling-zhi1，YUAN Ai-Sha2，FANG Jun-li2

(1.Department of Physics and Electronic Information Engineering,Minnan Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China;2.School of Information Science and Engineering，Xiamen University,Xiamen Fujian 361102,China)

Abstract:In mobile Ad Hoc network，the performance of the MAC(Media Access Control) layer protocol has a significant impact on improving overall network performance. Thus,the design of protocol is the key technical issues facing the Ad Hoc. In this article，we survey and analyze the broadband wireless Ad Hoc network MAC layer protocol. We classify seven key features: channel separation and access, topology, power,transmission initiation,traffic load and scalability ，hierarchical design and range.We explore common verification,analysis tools and simulation technology. Then, we make a further analysis of the main performance indicators of MAC layer protocol.Finally, we discusse and reviewe the research hotspot and development trend of MAC layer protocol.

Key words:Ad Hoc; MAC protocol; review

[作者簡介]王靈芝(1981- )，女，講師，從事無線自組網研究。

[基金項目]海西通信工程技術中心開放課題“無線動態TDMA網絡的時隙分配技術”(HXCXJJ2014-012)；閩南師范大學教改項目“基于物聯網的嵌入式系統課程群建設”(JG201519)；2015年福建省中青年教師教育科研項目“基于對數微分法的多電容同步測量系統研究”(JA15319)。

[收稿日期]2015-09-13

[中圖分類號]TP321.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)02-0030-06