淺談Ad-Hoc網絡中的單信道接入協議

潘星宇陳鳳玲/ .鄭州華航科技股份有限公司.鄭州電力高等?？茖W校

淺談Ad-Hoc網絡中的單信道接入協議

潘星宇1陳鳳玲2/ 1.鄭州華航科技股份有限公司2.鄭州電力高等?？茖W校

單信道接入協議是Ad-Hoc網絡中的一類重要M AC層協議。通過分析具有代表性的M ACA協議及其改進協議，對比它們的優缺點和不同之處，對協議的后續改進方向提出了建議。

M ACA；M ACAW；M ACA-BI；M ACA-PR

引言

單信道接入協議是基于這樣一個模型：即只有一個共享信道，所有的控制報文和數據報文都在一個信道上發送和接收。單信道的Ad-Hoc網絡有可能在控制報文之間、控制報文和數據報文以及數據報文之間發生沖突。一般來講數據報文要比控制報文長得多，所以數據報文更容易發生沖突，從而影響信道的利用率。如何通過控制報文減少甚至消除數據報文的沖突，設計出合理的沖突避免策略，是單信道接入協議的主要目標之一。

經典的基于單信道的Ad-Hoc接入協議有MACA協議以及它的三種改進協議MACAW、MACAW-BI、MACA-PR。

0. MACA協議

多路訪問沖突避免(multiple access collision avoidance)簡稱MACA，它起源于CSMA/CA(載波監聽多路訪問/沖突避免)協議。CSMA/CA基于以下思想：多個節點同時監聽載波信道，若信道閑，則發送數據；反之，就進行退避直到信道閑為止。然而由于“隱藏終端”的存在，即使監聽到信道閑也未必能成功發送數據；另外由于“暴露終端”的存在，即使監聽到信道忙也未必不能發送數據。所以CSMA/CA的CS常常是無效的，所以去掉載波監聽即CA，該協議就演變成了MACA。

MACA的主要思想就是通過控制報文避免數據報文的沖突。當發送節點向接收節點發送RTS控制報文時，接收節點會向相鄰的節點發送CTS控制報文，從而相鄰的節點將被阻塞一段時間，這樣當發送節點向接收節點發送數據時，接收節點附近的相鄰節點就不會向接收節點發送數據，從而不會產生數據報文的沖突。

然而以上只是在理想情況下，實際中大多數情況下，仍會產生報文沖突，如圖1所示：

圖 1 MACA協議報文沖突示意圖

當接收節點A向其鄰近節點B發送CTS報文時，若正好D也向B發送RTS報文，此時就會產生控制報文之間的沖突；D由于產生了沖突退避了一段時間之后，再向B發送RTS報文成功，此時B需要向鄰近節點A發送CTS報文，而C正好也要向A發送數據報文，這樣就會產生數據報文和控制報文的沖突。

節點之間一旦發生沖突，就要進行退避。MACA協議采用的退避算法為二進制指數退避算法即BEB算法。其核心計算公式如下所示：

當沖突產生時，沖突計數器COUNTER值翻倍并與計數器上限值MAX比較，取較小的那個值作為新的計數器的值開始退避計數；反之，若數據發送成功，則計數器的值直接取計數器下限值MIN。

BEB算法具有明顯兩個缺點：第一，一次交互成功的節點計數器的值就歸于最小值，不能反映信道的爭用情況；第二，帶來不公平現象，交互成功的節點計數器的值小，而失敗的節點計數器的值大，在后續的競爭中，前者獲勝的概率更大。

由以上可以得出MACA的缺點如下：

(1)不具備鏈路確認機制即ACK應答，這勢必要加重傳輸層的負擔；

(2)退避算法具有明顯的缺陷；

(3)不能解決控制報文之間的沖突；

(4)僅部分解決了“隱藏終端”的問題，完全沒有解決“暴露終端”的問題。

當然，MACA也有其優點：

(1)提高了信道利用率，由于采用了RTS-CTS控制報文分組，一般控制報文比數據報文短得多，這樣沖突的時間和概率都比不采用控制報文時大大降低了；

(2)部分解決了“隱藏終端”的問題。

1. MACAW協議

由于MACA協議的優點可以繼承，而缺點需要改進，就產生了MACA的改進協議，在這些改進協議中，MACAW協議是最接近MACA協議的。

MACAW，MACA同MACA協議，而W則是為了無線傳輸(for wireless)的意思。MACAW協議針對MACA協議改進了其控制報文分組和退避算法兩個方面。

在控制報文分組方面，加入了DS-ACK報文，如圖2所示：

圖 2 MACAW協議流程圖

其中，D是A的“隱藏終端”，C是A的“暴露終端”。對比圖1，MACAW在“隱藏終端”方面并沒有作出改進。當A向B發送數據時，先發送RTS報文，之后B向相鄰節點發送CTS報文，A在發送數據報文之前，還要發送一組DS報文，之后發送數據報文，當數據報文接收成功后，B還要回傳ACK應答。

DS報文用于解決“暴露終端”的問題，當C收到A的RTS報文之后，它會處于阻塞中，若之后未收到DS報文，證明A的RTS-CTS報文交換失敗，此時D就無需等待，可以發送數據；反之若D在收到A的RTS報文之后又收到了DS報文，則D就必須繼續處于阻塞狀態一段時間后，才能夠向A發送數據。實際上DS報文就是“暴露終端”用于確認自己身份的控制報文。

MACAW協議針對MACA的BEB算法作出了改進，它采用倍數增線性減算法即MILD。其核心計算公式如下所示：

對比BEB算法，交換失敗后，節點計數器COUNTER不再固定翻倍，而是乘以一個系數α，若α值選取適合，則沖突后計數器的值不會急劇增加；同時，交互失敗后，計數器的值也不會固定變為最小值，而是減去一個可調的值β，若β值選取合適，則各節點后續競爭獲勝幾率幾乎相等，實現了公平接入。

由以上可以看出MACAW的優點如下：

(1)加入DS報文，一定程度上解決了“暴露終端”的問題；

(2)加入ACK應答機制，使鏈路層具有錯誤重傳機制，降低了傳輸層的負擔；

(3)改進了退避算法，很大程度上提升了信道競爭的公平性；

(4)相比MACA協議，系統的吞吐量顯著提升。

然而MACAW仍有以下兩個缺點：

(1)控制報文過于復雜，交互次數多，開銷大；

(2)仍然只是部分解決了“暴露終端”和“隱藏終端”的問題。

2 .MACA-BI協議

MACA-BI是四個協議中唯一一個接收節點主動的協議。BI即通過邀請的意思。它的流程如圖3所示：

圖 3 MACA-BI流程圖與MACA對比

作為一個接收節點主動的協議，MACA-BI協議不使用RTSCTS控制報文，而是接收節點向發送節點發送一個RTR(準備好接收了)報文，之后發送節點再向接收節點發送數據。

MACA-BI適用于業務模式可以預測的Ad-Hoc網絡中，其優點在于減少了控制報文的交互次數，提高了系統的吞吐量，但缺點是對于突發性的性業務，MACA-BI協議就相當于MACA協議。

3. MACA-PR協議

MACA-PR協議的PR是捎帶預約的意思。該協議中，節點發送數據前，需要等待預約表中有空閑的窗口(即時隙)，只有當有空閑的窗口時才會去監聽信道是否空閑，空閑時發送數據。并且每一個節點都負責一個預約表，該表記錄該節點傳輸范圍內的任何發送和接收窗口。

所以，MACA-PR實際上是一個基于時分復用的協議。

圖 4 MACA-PR協議流程圖

MACA-PR協議中，發送節點與接收節點之間首先也會建立RTS-CTS控制報文分組，之后就靠PKT-ACK分組來進行數據的傳輸，每兩個PKT之間間隔一定的時間，只有當N次未收到ACK應答時，才重新建立RTS-CTS分組。同時，每個分組中都會捎帶下一個分組的預約信息。

MACA-PR協議中，當預約表穩定時，數據發送不會產生沖突，也不會有“隱藏終端”和“暴露終端”的問題，因為每個節點都會在規定的窗口時間內發送數據。但是當節點發生移動或者預約表沒有及時更新時會出現暫時的沖突。

MACA-PR協議優點是預約表穩定時，可以完全避免沖突和解決“隱藏終端”及“暴露終端”的問題，缺點是，路由表的維護增加了節點的能量開銷，同時由于Ad-Hoc網絡的移動性特點，預約表總是處于暫時穩定的狀態，需要時時更新。

4.總結

MACA協議及其三種改進協議的對比如表1所示：

表 1 MACA及其改進協議對比

通過以上分析，MACA協議及其改進協議有有一些共同的問題：

(1)控制報文要盡可能的優化；

(2)退避算法要保證公平性；

(3)盡量提高信道利用率；

(4)由于節點大多使用電池，要降低能耗；

(5)“隱藏終端”和“暴露終端”的問題。

這些也是MACA協議后續改進協議應該考慮的問題及研究的方向。

[1]吳亞平，MACA-PR協議淺析.

[2]杜成，MACA協議的研究.

[3]楊春等，無線傳感器網絡經典MAC協議驗證與分析.

[4]董學潤，移動Ad hoc 網絡的單信道媒體接入協議.

[5]何俊，移動自組織網絡中的MAC協議分析比較.

[6]EEFOCUS,Ad hoc幾種接入協議.