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摘要分析IEEE802.11DCF在實現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)傳輸中存在的問題，提出了一種新的無線自組網(wǎng)mac層協(xié)議。采用循環(huán)訪問的方式，分別向鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡負載較輕的情況下，該協(xié)議具有較好性能，能夠實現(xiàn)可靠的廣播。關鍵字無線自組網(wǎng)；MAC；廣播

引言無線自組網(wǎng)是一種無線移動通信網(wǎng)絡，由一組帶有無線收發(fā)設備的移動自主節(jié)點組成的自治系統(tǒng)，移動節(jié)點之間作為對等實體通過無線鏈路連接，而不借助于任何已經(jīng)建立的網(wǎng)絡基礎設施或集中管理。由于信道的動態(tài)變化以及分布式控制等特點，設計適用于移動自組網(wǎng)的分布式MAC層協(xié)議，已成為移動自組網(wǎng)的研究熱點之一。移動自組網(wǎng)的MAC層協(xié)議主要描述和實施無線移動節(jié)點對無線信道的多址接入。目前，所有無線自組網(wǎng)廣播/多播路由協(xié)議都是利用無線信道的廣播特性來實現(xiàn)的。例如，ODMRP[1]就是利用MAC層的廣播特性來實現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)包的傳輸。因此，MAC層對于廣播/多播路由的實現(xiàn)來說是十分重要的。IEEE802.11標準委員會制定了無線網(wǎng)絡MAC層協(xié)議標準。但是，它只能為單播數(shù)據(jù)傳輸提供可靠性。它使用的是CSMA/CA載波監(jiān)測機制，通過交換RTS/CTS/ACK控制幀來預約信道和保證數(shù)據(jù)幀的正確接收，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。然而，對于廣播數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)要被發(fā)送到所有的鄰居節(jié)點，如果鄰居節(jié)點都試圖交換CTS/ACK控制幀，必然會導致CTS/ACK幀在發(fā)送節(jié)點處的沖突。在本文中，我們提出了一種新的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議，以一種循環(huán)訪問的方式向各個鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠實現(xiàn)可靠的廣播。1預備知識該協(xié)議借鑒了IEEE802.11DCF的部分相關技術。所以，先對其進行簡要的介紹是必要的。IEEE802.11DCF[2][3]是IEEE802.11標準委員會制定的無線局域網(wǎng)信道接入?yún)f(xié)議，用于adhoc結構的網(wǎng)絡。IEEE802.11源于CSMA/CA，對CSMA/CA進行了擴展，加入了ACK控制幀來實現(xiàn)鏈路層的確認。它使用CSMA/CA的載波監(jiān)聽機制來監(jiān)聽信道，使用RTS/CTS來實現(xiàn)信道的預約。在實現(xiàn)CSMA/CA過程中，采用了兩種獨特的技術。虛擬載波監(jiān)聽技術：RTS/CTS/DATA/ACK。網(wǎng)絡中，節(jié)點A有數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點B時，先發(fā)送一個RTS控制信號給節(jié)點B；節(jié)點B收到RTS后，回送一個CTS信號。RTS/CTS中有一個Duration/ID字段，用于指示無線資源被占用的時間。這樣，在A和B的通信范圍內，所有收到RTS或CTS信號的節(jié)點都將停止發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且將它們的網(wǎng)絡配置矢量（NAV）計數(shù)器設置為Duration/ID字段所對應的時間值；只有當NAV＝0時，這些節(jié)點才可以再次偵聽無線鏈路。同樣，在節(jié)點發(fā)送DATA/ACK中也設定了信道被占用的時間。隨機接入技術：一旦發(fā)生沖突，該節(jié)點要根據(jù)二進制指數(shù)退避算法計算隨機退避時間。2新的MAC層協(xié)議2．1節(jié)點信息列表在我們提出的MAC層協(xié)議中，每個節(jié)點都需要保存三個列表：鄰居列表（NEIGHBORLIST），發(fā)送數(shù)據(jù)緩存列表（SENDBUFFER），接收數(shù)據(jù)序列號緩存列表（RECEIVERBUFFER）。節(jié)點通過（RTS/CTS/DATA/ACK/HELLO）來確定和更新它們的鄰居節(jié)點信息。節(jié)點收到其中任何一個幀時，將更新它的NEIGHBORLIST。當然，如果在一定的時間間隔之內沒有收到來自NEIGHBORLIST中某一節(jié)點的以上任何一種幀，將把該節(jié)點從NEIGHBORLIST中刪除。在SENDBUFFER中存儲著已發(fā)送但未被其所有鄰居節(jié)點成功接收的幀的副本，這些幀還會被重新發(fā)送。當該節(jié)點的所有鄰居節(jié)點都已成功接收一個數(shù)據(jù)幀時，該數(shù)據(jù)幀的副本將從SENDBUFFER中刪除。SENDBUFFER中所能存儲的數(shù)據(jù)幀數(shù)目不應小于所有節(jié)點中鄰居節(jié)點數(shù)的最大值。除SENDBUFFER以外，每個節(jié)點還保存一個數(shù)據(jù)緩存隊列用于緩存未發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。最后，每個節(jié)點還保存著一個RECEVIERBUFFER列表，其中存儲著已被成功接收數(shù)據(jù)幀的序列號。在發(fā)送節(jié)點發(fā)送的RTS中包括要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的序列號，接收節(jié)點接收到RTS后，將RECEIVERBUFFER中的序列號和RTS中的進行比較，判斷是否存在未成功接收的幀的序列號。如果有，則在CTS中指出這些數(shù)據(jù)幀的序列號。2．2協(xié)議當節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，首先通過CSMA/CA的載波監(jiān)聽機制來監(jiān)聽信道，像IEEE802.11DCF一樣。如果信道是空閑的，發(fā)送節(jié)點向它的一個鄰居節(jié)點發(fā)送RTS幀，在其中列出在SENDBUFFER中已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和當前要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號。在收到RTS幀之后，這個鄰居節(jié)點檢查它的RECEIVERBUFFER列表，確定要接收的數(shù)據(jù)幀的序列號。當列表中缺少以前已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號，則在CTS幀中指出未成功接收數(shù)據(jù)幀中序列號最小的一個。如果只缺少目前正準備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序列號，則在CTS響應幀中指出該數(shù)據(jù)幀的序列號。所有接收到RTS的其它鄰居節(jié)點，將退避足夠長的時間以便CTS/DATA/ACK的發(fā)送。發(fā)送節(jié)點收到CTS之后，發(fā)送在CTS中指出的序列號所對應的數(shù)據(jù)幀。所有收到CTS幀的節(jié)點（除發(fā)送節(jié)點）將退避足夠長的時間使得DATA/ACK發(fā)送。接收到DATA后，目的節(jié)點更新自己的RECEIVERBUFFER列表，將所接收數(shù)據(jù)幀的序列號添加到RECEVIERBUFFER列表中，并發(fā)送ACK確認幀。其它接收到DATA幀的節(jié)點同樣更新它們的RECEIVERBUFFER列表。發(fā)送節(jié)點接收ACK之后，判斷剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是不是節(jié)點當前正準備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。如果不是，則繼續(xù)向該鄰居節(jié)點發(fā)送RTS幀，直到當前要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被接收為止。在這個過程中，監(jiān)聽信道的過程被省略，因為信道一直被此次通信所占用。一旦目前要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被發(fā)送且得到確認，原節(jié)點將該數(shù)據(jù)幀的副本保存在SENDBUFFER中，然后選擇在NEIGHBORLIST的下一個鄰居節(jié)點重復執(zhí)行以上步驟。當發(fā)送節(jié)點一直有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，這種循環(huán)發(fā)送的過程可以正常進行。但是，當發(fā)送節(jié)點的發(fā)送隊列中沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，循環(huán)的過程將暫停，從而發(fā)送節(jié)點不知道下一個鄰居節(jié)點是否已經(jīng)成功接收了全部已發(fā)送數(shù)據(jù)幀。直到有新的數(shù)據(jù)要發(fā)送時，發(fā)送節(jié)點才能確定這一點。為了解決這個問題，協(xié)議設計了一個發(fā)送計時器，當發(fā)送節(jié)點在計時器設定的時間間隔內沒有發(fā)送RTS幀，則發(fā)送節(jié)點將選擇NEIGHBORLIST中的下一個鄰居節(jié)點發(fā)送RTS幀，這樣循環(huán)過程可以繼續(xù)進行。當所有的鄰居節(jié)點都被訪問，而發(fā)送隊列仍為空時，循環(huán)過程終止，發(fā)送計時器關閉。直到有新的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時，發(fā)送計時器重新啟動，循環(huán)發(fā)送重新開始。當信道爭用過于激烈時，協(xié)議將退化成802.11這種不可靠的廣播模式。因過高的信道爭用率將導致控制幀和數(shù)據(jù)幀的重傳。當重傳次數(shù)超過協(xié)議的設定的重傳次數(shù)最大值時，節(jié)點將刪除NEIGHBORLIST中的所有鄰居節(jié)點，轉去執(zhí)行IEEE802.11協(xié)議，直到有新的鄰居節(jié)點被發(fā)現(xiàn)。3性能分析該協(xié)議充分利用了無線信道的廣播特性。當發(fā)送節(jié)點與鄰居節(jié)點通信時，其他鄰居節(jié)點通過偵聽信道，也可以接收目前尚未成功接收的數(shù)據(jù)幀，從而極大的減少了循環(huán)發(fā)送過程中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送量，節(jié)省了寶貴的無線信道資源。使用RTS/CTS進行信道預約，減少了信道爭用沖突，提高信道的利用率，并較好的解決了隱發(fā)送終端的問題。4結束語該協(xié)議彌補了IEEE802.11DCF只能對單播數(shù)據(jù)提供可靠傳輸?shù)牟蛔?，充分利用了MAC層的廣播特性，為廣播數(shù)據(jù)提供可靠性。該協(xié)議在廣播信道的爭用率較低的情況下，運行效果較好。下一步的工作重點就是在現(xiàn)有的高效多播路由協(xié)議中加入流量控制和擁塞控制機制，以保證這種新的MAC層協(xié)議能夠高效的運行。參考文獻:[1]Sung-JuLee,MarioGerla,Ching-ChuanChiang[C].On-demandmulticastroutingprotocol,ProceedingsofIEEEWCNC’99,1999;1298-1302.[2]EditorsofIEEE802.11,wirelessLANmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHT)specification[S],DraftStandardIEEE802.11,1997.[3]ShugongXu,TarekSaadowi.DoesIEEE802.11MACPotocolWorkWellinMultihopWirelessAdHocNetworks[J].IEEECommunicationsMagazineJune2001,39(6):130-137.[4]RayS,CarrathersJ.B,StarobinskiD.RTS/CTSinducedcongestioninadhocwirelessLANS[J],WirelessCommunicationsandNetworking,2003.[5]趙志峰，鄭少仁.AdHoc網(wǎng)絡信道接入技術研究[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），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