無線自組網競爭類MAC協議分析及研究

摘要：無線自組織網絡是一種無基礎設施的移動網絡，并且每個節點的業務多以突發業務為主，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各種典型競爭類MAC協議進行分析及探討的基礎上，采用Opnet仿真建模環境，創建出各協議的狀態分析模型，并在此基礎上對各協議的性能優劣進行了比較總結。論文對無線自組網各協議仿真建模研究及選擇高效適用的MAC技術方案具有實際參考價值。
關鍵詞：無線自組網；MAC；競爭協議；OPNET

無線自組網是一種沒有任何中心實體的，由一組帶有無線通信收發裝置的移動終端節點組成的自治性網絡。依靠節點間的相互協作可在任何時刻、任何地點以及各種移動、復雜多變的無線環境中自行成網，并借助多跳轉發技術來彌補無線設備的有限傳輸距離，從而拓寬網絡的傳輸范圍，為用戶提供各種服務、傳輸各種業務。在現代化戰場上，如數字化與自動化戰場、各種軍事車輛、士兵之間的協同通信、發生地震等自然災害后、搜救與營救以及移動辦公、虛擬教室、傳感器網絡等通信領域應用非常廣泛。其中MAC協議是無線自組網協議的基礎，控制著節點對無線媒體的占用，對自組織網的整體性能起著決定性的作用。從自組織網出現至今，MAC協議設計一直是研究的重點。目前，移動自組織網采用的信道訪問控制協議大致包括3類：競爭協議、分配協議、競爭協議和分配協議的組合協議(混合類協議)。這3種協議的區別在于各自的信道接入策略不同。由于MAC協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議中幾種較常用的典型MAC協議進行對比分析，并在OPNET仿真建模軟件中創建出各協議的狀態模型，這對無線自組織網絡仿真研究及選擇高效適用的MAC技術方案具有實際參考價值。

1 競爭協議的概念及特點
競爭協議是使用直接競爭來決定信道訪問權，并且通過隨機重傳來解決碰撞問題。ALOHA協議和載波偵聽多址訪問CSMA協議就是競爭協議的典型例子。除了時隙化的ALOHA協議，大多數競爭協議都使用異步通信模式。這種協議在低傳輸負荷下運行良好，如碰撞次數少，信道利用率高、分組傳輸時延小。隨著傳輸負荷的增大，往往使協議性能下降、碰撞次數增多。在傳輸負荷很重的時候，競爭協議可能隨著信道利用率下降而變得不穩定。這就可能導致分組傳輸時延呈指數形式增大，以及網絡服務的崩潰。這就對MAC協議的設計提出了較高的要求。當前無線自組網中MAC協議的設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，每個結點的通信范圍有限，因此報文沖突與節點所處位置有關，結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點的覆蓋范圍內而在發送結點的覆蓋范圍之外的結點。隱藏終端因聽不到發送結點的發送而可能向同樣的接收結點發送報文，造成報文在接收結點處沖突(如圖1(a))沖突后發送結點要重傳沖突的報文，從而降低了信道利用率。圖1(a)中當結點A向結點B發送報文時，結點C處在結點A的覆蓋范圍之外而處在B的覆蓋范圍之內，因而成了隱藏終端。

1．1．2 暴露終端
暴露終端是指在發送結點覆蓋范圍之內而在接收結點覆蓋范圍之外的結點，暴露終端因聽到發送結點的發送而延遲發送(如圖1(b)所示)，但因為它在接收結點的通信范圍之外，它的發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
在無線自組網絡中，一個需要解決的關鍵問題是設計公平高效的MAC訪問協議。所謂公平，是指競爭無線信道的節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。由于網絡中各節點共享信道，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，同時還要保證各節點能公平地訪問信道。
1．3 節點移動的影響
由于無線自組網中節點能夠自由移動，這就造成了網絡拓撲結構的不斷變化，這也會對Adhoc網絡媒體接入控制協議帶來一定的影響。當一對節點正在通信時，因為移動而進入接收節點通信范圍的節點可能會發送(或正在發送)數據而引起分組沖突，這被稱為入侵終端問題。實際上結點移動對信道接入協議的影響是較小的。