浅谈Ad-Hoc网络中的单信道接入协议

潘星宇陈凤玲/ .郑州华航科技股份有限公司.郑州电力高等专科学校

浅谈Ad-Hoc网络中的单信道接入协议

潘星宇1陈凤玲2/ 1.郑州华航科技股份有限公司2.郑州电力高等专科学校

单信道接入协议是Ad-Hoc网络中的一类重要M AC层协议。通过分析具有代表性的M ACA协议及其改进协议，对比它们的优缺点和不同之处，对协议的后续改进方向提出了建议。

M ACA；M ACAW；M ACA-BI；M ACA-PR

引言

单信道接入协议是基于这样一个模型：即只有一个共享信道，所有的控制报文和数据报文都在一个信道上发送和接收。单信道的Ad-Hoc网络有可能在控制报文之间、控制报文和数据报文以及数据报文之间发生冲突。一般来讲数据报文要比控制报文长得多，所以数据报文更容易发生冲突，从而影响信道的利用率。如何通过控制报文减少甚至消除数据报文的冲突，设计出合理的冲突避免策略，是单信道接入协议的主要目标之一。

经典的基于单信道的Ad-Hoc接入协议有MACA协议以及它的三种改进协议MACAW、MACAW-BI、MACA-PR。

0. MACA协议

多路访问冲突避免(multiple access collision avoidance)简称MACA，它起源于CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)协议。CSMA/CA基于以下思想：多个节点同时监听载波信道，若信道闲，则发送数据；反之，就进行退避直到信道闲为止。然而由于“隐藏终端”的存在，即使监听到信道闲也未必能成功发送数据；另外由于“暴露终端”的存在，即使监听到信道忙也未必不能发送数据。所以CSMA/CA的CS常常是无效的，所以去掉载波监听即CA，该协议就演变成了MACA。

MACA的主要思想就是通过控制报文避免数据报文的冲突。当发送节点向接收节点发送RTS控制报文时，接收节点会向相邻的节点发送CTS控制报文，从而相邻的节点将被阻塞一段时间，这样当发送节点向接收节点发送数据时，接收节点附近的相邻节点就不会向接收节点发送数据，从而不会产生数据报文的冲突。

然而以上只是在理想情况下，实际中大多数情况下，仍会产生报文冲突，如图1所示：

图 1 MACA协议报文冲突示意图

当接收节点A向其邻近节点B发送CTS报文时，若正好D也向B发送RTS报文，此时就会产生控制报文之间的冲突；D由于产生了冲突退避了一段时间之后，再向B发送RTS报文成功，此时B需要向邻近节点A发送CTS报文，而C正好也要向A发送数据报文，这样就会产生数据报文和控制报文的冲突。

节点之间一旦发生冲突，就要进行退避。MACA协议采用的退避算法为二进制指数退避算法即BEB算法。其核心计算公式如下所示：

当冲突产生时，冲突计数器COUNTER值翻倍并与计数器上限值MAX比较，取较小的那个值作为新的计数器的值开始退避计数；反之，若数据发送成功，则计数器的值直接取计数器下限值MIN。

BEB算法具有明显两个缺点：第一，一次交互成功的节点计数器的值就归于最小值，不能反映信道的争用情况；第二，带来不公平现象，交互成功的节点计数器的值小，而失败的节点计数器的值大，在后续的竞争中，前者获胜的概率更大。

由以上可以得出MACA的缺点如下：

(1)不具备链路确认机制即ACK应答，这势必要加重传输层的负担；

(2)退避算法具有明显的缺陷；

(3)不能解决控制报文之间的冲突；

(4)仅部分解决了“隐藏终端”的问题，完全没有解决“暴露终端”的问题。

当然，MACA也有其优点：

(1)提高了信道利用率，由于采用了RTS-CTS控制报文分组，一般控制报文比数据报文短得多，这样冲突的时间和概率都比不采用控制报文时大大降低了；

(2)部分解决了“隐藏终端”的问题。

1. MACAW协议

由于MACA协议的优点可以继承，而缺点需要改进，就产生了MACA的改进协议，在这些改进协议中，MACAW协议是最接近MACA协议的。

MACAW，MACA同MACA协议，而W则是为了无线传输(for wireless)的意思。MACAW协议针对MACA协议改进了其控制报文分组和退避算法两个方面。

在控制报文分组方面，加入了DS-ACK报文，如图2所示：

图 2 MACAW协议流程图

其中，D是A的“隐藏终端”，C是A的“暴露终端”。对比图1，MACAW在“隐藏终端”方面并没有作出改进。当A向B发送数据时，先发送RTS报文，之后B向相邻节点发送CTS报文，A在发送数据报文之前，还要发送一组DS报文，之后发送数据报文，当数据报文接收成功后，B还要回传ACK应答。

DS报文用于解决“暴露终端”的问题，当C收到A的RTS报文之后，它会处于阻塞中，若之后未收到DS报文，证明A的RTS-CTS报文交换失败，此时D就无需等待，可以发送数据；反之若D在收到A的RTS报文之后又收到了DS报文，则D就必须继续处于阻塞状态一段时间后，才能够向A发送数据。实际上DS报文就是“暴露终端”用于确认自己身份的控制报文。

MACAW协议针对MACA的BEB算法作出了改进，它采用倍数增线性减算法即MILD。其核心计算公式如下所示：

对比BEB算法，交换失败后，节点计数器COUNTER不再固定翻倍，而是乘以一个系数α，若α值选取适合，则冲突后计数器的值不会急剧增加；同时，交互失败后，计数器的值也不会固定变为最小值，而是减去一个可调的值β，若β值选取合适，则各节点后续竞争获胜几率几乎相等，实现了公平接入。

由以上可以看出MACAW的优点如下：

(1)加入DS报文，一定程度上解决了“暴露终端”的问题；

(2)加入ACK应答机制，使链路层具有错误重传机制，降低了传输层的负担；

(3)改进了退避算法，很大程度上提升了信道竞争的公平性；

(4)相比MACA协议，系统的吞吐量显著提升。

然而MACAW仍有以下两个缺点：

(1)控制报文过于复杂，交互次数多，开销大；

(2)仍然只是部分解决了“暴露终端”和“隐藏终端”的问题。

2 .MACA-BI协议

MACA-BI是四个协议中唯一一个接收节点主动的协议。BI即通过邀请的意思。它的流程如图3所示：

图 3 MACA-BI流程图与MACA对比

作为一个接收节点主动的协议，MACA-BI协议不使用RTSCTS控制报文，而是接收节点向发送节点发送一个RTR(准备好接收了)报文，之后发送节点再向接收节点发送数据。

MACA-BI适用于业务模式可以预测的Ad-Hoc网络中，其优点在于减少了控制报文的交互次数，提高了系统的吞吐量，但缺点是对于突发性的性业务，MACA-BI协议就相当于MACA协议。

3. MACA-PR协议

MACA-PR协议的PR是捎带预约的意思。该协议中，节点发送数据前，需要等待预约表中有空闲的窗口(即时隙)，只有当有空闲的窗口时才会去监听信道是否空闲，空闲时发送数据。并且每一个节点都负责一个预约表，该表记录该节点传输范围内的任何发送和接收窗口。

所以，MACA-PR实际上是一个基于时分复用的协议。

图 4 MACA-PR协议流程图

MACA-PR协议中，发送节点与接收节点之间首先也会建立RTS-CTS控制报文分组，之后就靠PKT-ACK分组来进行数据的传输，每两个PKT之间间隔一定的时间，只有当N次未收到ACK应答时，才重新建立RTS-CTS分组。同时，每个分组中都会捎带下一个分组的预约信息。

MACA-PR协议中，当预约表稳定时，数据发送不会产生冲突，也不会有“隐藏终端”和“暴露终端”的问题，因为每个节点都会在规定的窗口时间内发送数据。但是当节点发生移动或者预约表没有及时更新时会出现暂时的冲突。

MACA-PR协议优点是预约表稳定时，可以完全避免冲突和解决“隐藏终端”及“暴露终端”的问题，缺点是，路由表的维护增加了节点的能量开销，同时由于Ad-Hoc网络的移动性特点，预约表总是处于暂时稳定的状态，需要时时更新。

4.总结

MACA协议及其三种改进协议的对比如表1所示：

表 1 MACA及其改进协议对比

通过以上分析，MACA协议及其改进协议有有一些共同的问题：

(1)控制报文要尽可能的优化；

(2)退避算法要保证公平性；

(3)尽量提高信道利用率；

(4)由于节点大多使用电池，要降低能耗；

(5)“隐藏终端”和“暴露终端”的问题。

这些也是MACA协议后续改进协议应该考虑的问题及研究的方向。

[1]吴亚平，MACA-PR协议浅析.

[2]杜成，MACA协议的研究.

[3]杨春等，无线传感器网络经典MAC协议验证与分析.

[4]董学润，移动Ad hoc 网络的单信道媒体接入协议.

[5]何俊，移动自组织网络中的MAC协议分析比较.

[6]EEFOCUS,Ad hoc几种接入协议.