adhoc网络中的MAC协议详解

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MAC协议设计目标
第三讲 第二讲
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解决相邻节点间 (点到点)的信道 接入问题
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应用层 传输层 网络层 数据链路层(MAC) 物理层
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媒质访问接入控制 (Media Access Control，MAC)协议决 定了共享无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信 资源并控制节点物理层，因而直接影响网络的整体性能， 是决定网络吞吐量、时延、公平性的关键因素。 目标：多个用户高效、合理的共享有限的无线信道资源。
DIFS
RTS time
3、Backoff（退避）过程 （3）退避规范：边退避，边监听载波；如果空闲则计数 器递减，计数器减到零后即可发送。如果监听到信道忙 则挂起退避计数器。直到信道连续空闲时间达到 DIFS 才 继续从上次计数器剩余的值开始继续递减。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
4、PDU(Protocol Data Unit)发送过程 发送Data帧（基本模式，两次握手： DATA/ACK）或 RTS帧（四次握手：RTS/CTS/DATA/ACK ）。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
DCF协议中的两种发送模式
基本模式。发送节点直接向接收节点发送数据帧，接 收节点成功收到数据帧后向发送节点应答ACK帧，即 采用两次握手的发送机制。 RTS/CTS模式。发送节点在发送数据帧以前，先向接 收节点发送RTS帧；接收节点收到 RTS帧后，向发送 节点应答CTS帧；发送节点成功接收到 CTS帧后，向 接收节点发送数据帧；接收节点正确接收数据帧后， 向发送节点应答ACK帧。即采用四次握手的发送机制。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
DCF协议与ad hoc网络
802.11提供了两类MAC协议： （1）分布式接入协议DCF，基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance），主要 应用于独立的基本服务集合（IBSS）。 （2）集中式接入协议PCF，由一个集中的决策模块来 控制发送。采用非对等网络配置，提供无竞争接 入服务。主要应用在基本服务集合（BSS）的接 入点（AP）。 DCF协议和PCF协议之间的关系如下图所示：
G. Bianchi, Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Mar 2000, 18(3): 535-547
DIFS
RTS time
2、Defer（延迟）过程 假如监听信道遇忙，或者在DIFS时间内信道由空闲变 忙，站点则必须等待信道变空闲，且空闲的持续达到 DIFS 的时长。如果信道持续空闲的时间小于 DIFS ， 节点就回到发送前的监听状态；如果持续空闲的时间 达到DIFS，节点就进入后面的退避过程。
DIFS
RTS time
DCF协议的发送规约
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
3、Backoff（退避）过程 （ 1 ）目的是在多个站点同时完成 defer 过程的情况下， 能进一步减少冲02.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
分配机制
使用同步通信模式，采用某种传输时间安排算法将时隙 映射为节点。 TDMA、TSMA、FPRP…
混合机制
分配和竞争相结合。 HTDMA、ETUTM、AGENT…
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
IEEE 802.11协议的诞生
1990年，IEEE 802标准化委员会成立了IEEE 802.11 无线局域网标准工作组。 1997年，IEEE发布了802.11协议，这是无线局域网领 域内第一个在国际上被认可的协议。该标准包括了 物理层及媒质访问控制（MAC ）层的规范。物理层 规约包括直序扩频、跳频以及红外三种，其中直序 扩频和跳频采用 2.4GHz 频段。传输速率最高只能达 到2Mbps，因而主要被用于数据的存取。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
DCF协议的发送规约
Contention Window DIFS sender receiver
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access Contention Window
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
无线自组织网络 MAC协议
提纲
第三讲 第二讲
MAC协议设计目标 MAC协议设计面临的问题 Ad hoc 网络MAC协议分类 典型MAC协议
ALOHA CSMA/CA、IEEE 802.11 IEEE 802.11e、RBAR TDMA、TSMA、FPRP ETUTM ……
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
DCF与PCF
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
DCF协议与ad hoc网络
Ad hoc网络是一种新型的无线网络，它由一系列地位 完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网 络设施。网络中的每个节点既是终端又是路由器，它 们在 MAC 协议的控制下，以多跳共享的方式接入无 线信道。 IEEE 802.11中的DCF协议已被广泛应用于ad hoc网络 的各种仿真和测试平台，成为了事实上的ad hoc网络 MAC协议规范。
DIFS
RTS time
6、Discard多次出错后帧的丢弃 如果站点重发了 7 次 RTS 帧或 4 次 Data 帧，那么该站点 将 丢 弃 需 要 发 送 的 Data 帧 。 丢 弃 后 把 窗 口 值 CW 设 为 CWmin 。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
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MAC协议设计面临的问题
第三讲 第二讲
MAC协议设计基本问题：
避免冲突、降低干扰（信道检测） 节点间公平性（退避算法） 降低协议开销（控制指令设计） 满足不同业务的QoS要求
Ad hoc网络特有问题
无中心控制设备：无法使用传统的（最优的）集中控 制式的分配策略 拓扑变化：信道冲突概率变大；业务负荷分布不确定， 可能变化剧烈 无线多跳：隐藏终端、暴露终端、无线链路 的脆弱 性、捕获效应、传播时延问题、通信方式问题
Contention Window sender receiver
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第三讲 第二讲
发送模式的选择。
DCF协议规定，当网络层队列中的数据分组（packet） 长度大于一定门限时，采用 RTS/CTS 模式，而当分组 长度小于该门限时，采用基本模式。 事实上，为达到最优化的网络吞吐率，则应该根据当 前竞争信道的节点数目动态的调整门限值。相关内容 可以参考以下文献：
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
3、Backoff（退避）过程
（2）退避时长（退避计数器初值）： BackoffTime=Random ( )*aSlotTime Random( )：[0，CW]内均匀分布的随机整数。 CW∈ [CWmin, CWmax]：CW的取值采用二进制指数退避（ BEB）的法则。 aSlotTime、CWmin及CWmax：由相应的PHY层决定。
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
1、发送前监听信道 节点通过物理载波检测在发送前监听信道，如果信道 是空闲的，就继续监听DIFS长的一段时间。假如在此 期间信道持续空闲，且本次发送为首次发送，即可开 始发送过程；如果不是首次发送，则进入退避过程。 如果信道不空闲，则通过虚拟载波检测获知信道持续 忙的时间，并设置NAV（Network Allocation Vector）。
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Ad hoc网络MAC协议分类
第三讲 第二讲
信道划分：单信道、多信道； 信道接入流程的发起：发端发起、收端发起； 信道占用机制：
竞争机制（异步） 分配机制（同步） 混合机制（竞争和分配相结合）
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典型MAC协议及算法
第三讲 第二讲
竞争机制
使用直接竞争决定信道访问权，通过随机重传来解决碰 撞问题。 ALOHA、CSMA、CSMA/CA、MACA、MACAW、 IEEE 802.11、IEEE802.11e …
DIFS
RTS SIFS CTS SIFS
data SIFS ACK
Contention Window other stations
NAV (RTS) NAV (CTS) defer access
DIFS
RTS time
5、错误恢复 DCF协议提供ACK应答机制作为冲突恢复的手段。接 收站点接收到 Data 后，会向发送站点应答 ACK 。如果发 送站点在发送完Data后没有接收到ACK，则认为Data发生 冲突，需要重传。将退避竞争窗口值按 BEB 法则增大为 min(2* CW, CWmax)