adhoc网络中的MAC协议详解
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2
MAC 协议设计目标
第二三讲
应用层
3
解决相邻节点间
2
4
(点到点 )的信道
传输层
接入问题
网络层
5
11
1
9 数据链路层 (MAC)
15 12
物理层
7
6
13
8
14
10
?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。
无线自组织网络 MAC 协议
提纲
第二三讲
?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 ? ……
? 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。
10
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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。
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
第二三讲
? 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：
DCF协议的发送规约
RTS time
13
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
Contention Window
DIFS
sender
RTS
data
receiver
SIFS CTS SIFS
SIFS ACK
Contention Window
?目标：多个用户高效、合理的共享有限的无线信道资源。
3
MAC 协议设计面临的问题
第二三讲
?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
5
典型MAC 协议及算法
第二三讲
?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 …
?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…
? 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。
11
竞争协议IEEE 802.11 DCF
8
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
DCF与PCF
9
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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。
7
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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：
? 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
4
Ad hoc 网络MAC 协议分类
第二三讲
?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）
?混合机制
分配和竞争相结合。 HTDMA、ETUTM、AGENT…
6
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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。
12
竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
? DCF协议的发送规约
Contention Window
sender receiver
DIFS
RTS
data
SIFS CTS SIFS
SIFS ACK
other stations
NAV (RTS) NAV (CTS)
DIFS
defer access Contention Window
MAC 协议设计目标
第二三讲
应用层
3
解决相邻节点间
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4
(点到点 )的信道
传输层
接入问题
网络层
5
11
1
9 数据链路层 (MAC)
15 12
物理层
7
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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。
无线自组织网络 MAC 协议
提纲
第二三讲
?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 ? ……
? 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。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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。
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
第二三讲
? 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：
DCF协议的发送规约
RTS time
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
Contention Window
DIFS
sender
RTS
data
receiver
SIFS CTS SIFS
SIFS ACK
Contention Window
?目标：多个用户高效、合理的共享有限的无线信道资源。
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MAC 协议设计面临的问题
第二三讲
?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
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典型MAC 协议及算法
第二三讲
?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 …
?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…
? 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
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
DCF与PCF
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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。
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竞争协议IEEE 802.11 DCF
第二三讲
?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：
? 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
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Ad hoc 网络MAC 协议分类
第二三讲
?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）
?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
第二三讲
?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
第二三讲
? DCF协议的发送规约
Contention Window
sender receiver
DIFS
RTS
data
SIFS CTS SIFS
SIFS ACK
other stations
NAV (RTS) NAV (CTS)
DIFS
defer access Contention Window