Ad Hoc 移动无线网络第三章-MAC接入协议

第3章AdHoc网络的MAC接入协议田洪现北京交通大学现代通信研究所[e-mail]第3章主要内容™3.1信道接入技术及协议™3.2Adhoc接入面临的主要问题™3.3隐藏终端和暴露终端™3.4Adhoc几种接入协议[e-mail]3.1信道接入技术及协议™前面我们已经讲过，AdHoc是多跳共享网络。共享的含义就是在一个公用的广播信道上实现所有用户的互连和通信。这样，如何控制对共享信道的接入，就是数据链路层的一个特殊子层－－介质接入控制MAC子层的主要任务。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™MAC层需要解决的主要问题网络具有特殊的网络组织形式，具有动态性。因此，其信道接入协议面临许多新的问题，这些问题包括：zMAC相关的无线接收问题z不同的信道共享方式z暴露终端问题z隐藏终端问题z节点移动的影响AdHoc的MAC协议必须尽量消除这些因素的影响。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™信道共享方式在普通的通信系统中，信道共享方式有3种：点对点、点对多点和多点共享。点对点点对点是昀简单的信道共享方式。其特点是只有两个节点共享无线信道。在单信道时，两个节点可以通过半双工方式实现共享，在双信道时，可实现全双工通信。点对多点点对多点一般用于有固定基础设施控制的无线信道，例如蜂窝移动系统的无线信道。这时，终端在中心站的控制下共享一个或多个无线信道。多点共享多点共享是指多个终端共享一个广播信道。以太网就是昀典型的多点共享方式(仅指HUB的应用，对交换机来说就不是了).在多点共享方式中，一个终端发送信号，所有的终端都可以听到，即相当于一个全互连的网络.因此这种共享方式下的信道也称为一跳共享广播信道[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™AdHoc网络的多跳共享性AdHoc网络的共享方式与前述不同。AdHoc网络共享信道为多跳共享。虽然AdHoc网络的无线信道也是一个共享的广播信道，但它不是一跳共享。在AdHoc网络中，当一个节点发送报文，只有在它覆盖范围内的节点（称为邻居）才能够接收到，而覆盖范围以外的节点感知不到任何通信的存在。而这恰恰也是ADHOC网络的优势所在，即发送节点覆盖范围以外的节点不受发送节点的影响，他们也可以同时发送报文，这可以大大提高频率的空间复用度。在使用一个通信频率的情况下，ADHOC网络中可以有多对节点同时进行通信，我们称ADHOC网络的这种共享信道为多跳共享广播信道。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™多跳共享性对MAC协议的影响多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的地理位置相关。在一跳共享广播信道中，报文冲突是全局事件，所有节点要么都收到正确的报文，要么都会感知到报文冲突。但在AdHoc网络中，报文冲突只是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况的不一致性，会带来隐藏终端、暴露终端等一系列的问题。由于AdHoc网络网络特殊的信道共享方式（多跳共享），需要设计专用的信道接入协议。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™静态多点接入技术zTDMA:为每个用户分配一个固定的时隙;zFDMA:为每个用户分配一个固定的频段;这些静态的方法，在用户数较少而固定，且每个用户通信量较大的情况下，是简单有效的接入方案。但是，当用户数目较多且通信量具有突发特征时，就不适用。必须采用动态多点接入技术。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）时分复用[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™FDM/频分复用当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™动态多点接入技术动态多点接入技术，可分为受控接入和随机接入两类。对于受控接入，每个用户不能随意接入信道，必须服从一定的控制规则，典型的有多点线路轮询和令牌传递。对于随机接入，每个用户都可以根据自己的意愿随机的发送信息，当多个用户同时发送信息时，就产生帧的冲突，导致冲突的发送都以失败告终。受控接入又可以分为集中式和分布式。轮询属于集中式控制，控制节点按一定顺序逐一询问各用户节点是否有信息发送。如果有，则被询问的用户节点就立即将信息发送给控制节点；如没有，则控制节点依次询问下一节点。令牌环属于分布式控制，在环路中通过特殊的令牌环帧沿着环路逐站传递，只有获得令牌的节点才有权发送信息。当信息发送完毕，就将令牌传递给下一站。ADHOC网络作为自组网的特点，决定了它只能采用随机接入。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™多点随机接入协议（针对一跳共享的网络）1、ALOHA方式ALOHA随机接入方式有两种，一种是纯ALOHA方式，一种是分时隙ALOHA方式。两者的区别在于是否将事件分割为离散的时隙空间，即纯ALOHA方式无需全局时间同步,而分时隙ALOHA方式则必须时间同步。两者都适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）纯ALOHA：纯ALOHA是一种用户一旦产生需要传输的数据就完全随机的发送到无线信道上去的方式.它既可以工作在无线信道方式，也可以工作在总线式网络中。纯ALOHA系统昀大吞吐量为0.184分时隙ALOHA：以一个分组的传输时间为单位，把信道划分为时隙，用户按照这种时隙同步发送分组的。系统昀大吞吐量为0.368，是纯ALOHA的2倍。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）冲突的结果是使冲突的双方（有时也可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重发。但是发生冲突的各站不能马上进行重发，因为这样做就会继续冲突下去。ALOHA系统采用的重发策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重发。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）每一个帧在到达缓冲区后，都要等待一段时间后才能发出去。在一个时隙内有2个或2个以上的帧到达后，则在下一个时隙产生冲突[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™两种ALOHA的归一化的帧平均传输时延D/TO与吞吐量S的关系曲线。这是在忽略传播时延并令K＝5的条件下得出的。从两条曲线的对比可看出，当吞吐量很小时，纯ALOHA的性能要稍好一些。但当吞吐量增大时，纯ALOHA的时延会急剧上升（尤其是当S接近于0.18时），而对时隙ALOHA却可以在更高的吞吐量下工作。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™载波监听多路访问CSMA（CarrierSenseMultipleAccessProtocols）™载波监听（CarrierSense）站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。™多路访问（MultipleAccess）多个用户共用一条线路[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™CSMA方式在ALOHA中,由于各个用户是相互独立的发送分组，因此发生分组冲突的概率很大。针对这种情况而研究的CSMA（载波侦听多址）方式是一种用户监测信道使用情况，避开冲突发送分组的方式。即采用这种方式发送分组时，首先要检测载波，检测其它用户是否在使用信道，一旦信道空闲就立即发送分组，从而使网络可获得大大高于分时隙ALOHA协议的昀大信道利用率CSMA方式有三种基本的方式:z非坚持（non-persistent）CSMA方式z1-persistentCSMA方式zP-persistentCSMA方式，用于分时隙信道[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）1-坚持CSMA(1-persistentCSMA)如果介质空闲，就立即发送数据；如果介质忙则继续侦听直到介质变为空闲，然后发送数据；如果有冲突则等待随机时间后再侦听。之所以称其为1-坚持CSMA，是因为站点一旦发现介质空闲，将以概率1发送数据™原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。™优点：减少了信道空闲时间；™缺点：增加了发生冲突的概率；广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™非坚持CSMA(nonpersistentCSMA)如果介质空闲，立即发送数据；如果介质忙，则等待一个随机时间后再尝试。定性分析一下，就可以知道非坚持CSMA协议的介质利用率会比1-坚持CSMA好一些，但数据传输时间可能会长一些™原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。™优点：减少了冲突的概率；™缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™p-坚持CSMA(p-persistentCSMA)如果介质空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p把数据发送推迟到下一个时间片；如果下一个时间片介质仍然空闲，便再次以概率p发送数据，以概率1-p将其推迟到下下一个时间片。此过程一直重复，直到将数据发送出去或是其他站点开始发送数据。如果一开始侦听介质就发现介质忙，那么它就等到下一个时间片继续侦听介质，然后重复上述过程.适用于分时隙信道；™原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q=1-p延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送;[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™CSMA/CD是对CSMA的改进冲突检测是在发送的同时接收信息进行比较，如果两者不一致，说明发生了冲突，发送站点停止发送数据帧，并向总线发送阻塞信号，通知其他站点™冲突检测可及早释放共享介质，提高信道利用率™CSMA由于在发送数据之前进行载波监听，所以减少了冲突的机会。但由于传播时延的存在，冲突还是不可避免的。™CSMA/CD的要点就是:监听到信道空闲就发送数据帧，并继续监听下去。如监听到发生了冲突，则立即放弃此数据帧的发送。[e-mail]3.1信道接入技术及协议（续）™CSMA/CD和CSMA/CA802.3协议的CSMA/CD;无线局域网标准802.11的CSMA/CA对无线通信，由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。™CSMA/CA一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送