无线自组网竞争类MAC协议分析及研究
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无线局域网的mac协议篇一:无线传感网mac协议设计一种符合无线传感器网络特征的MAC层协议设计1. 无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
2. 无线传感器网络特征1) 传感节点体积小,成本低,计算能力有限。
2) 传感节点数量大、易失效,具有自适应性。
3) 通信半径小,带宽很低。
4) 电源能量是网络寿命的关键。
5) 数据管理与处理是传感器网络的核心技术。
3. MAC层协议设计3.1 MAC层协议设计的考虑无线传感器网络是应用相关的网络,不同应用网络,对MAC协议的考虑也不尽相同,不存在一个适用于所有无线传感器网络的通用MAC协议。
MAC协议设计时,需要着重考虑以下几个方面:节省能量传感器网络节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量,电池能量通常难以补充,MAC协议在满足应用要求前提下,应尽量节省节点的能量。
可扩展性传感器网络中网络节点数目一般较大。
另外,由于节点死亡、新节点加入、节点移动导致节点数目、分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化。
因此,MAC协议应具有可扩展性,以适应动态变化的拓扑结构。
兼顾网络性能网络性能包括网络的公平性、实时性、吞吐量以及带宽利用率。
不同应用的传感器网络产生不同特征的流量,要求不同的性能参数,所以MAC协议应能兼顾好这些网络性能。
3.2 传感器网络能耗浪费问题经过大量实验和理论分析,人们发现可能造成传感器网络能量浪费的主要原因包括如下几个方面:碰撞冲突问题节点在发送数据过程中,可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。
第15期2023年8月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.15August,2023基金项目:西安职业技术学院2022年度科研项目;项目名称:基于TDMA +CSMA 的无线自组网中MAC 层协议的研究;项目编号:2022YB05㊂作者简介:张富琴(1981 ),陕西延长人,高级工程师,硕士;研究方向:移动自组网㊂移动自组网中MAC 层协议研究张富琴(西安职业技术学院,陕西西安710077)摘要:移动自组网是由一组相互协作的通信节点组成的无中心控制节点㊁不依赖于任何固定网络设备的特殊网络㊂在该网络中,媒体接入控制(MAC )协议是网络实现最关键的技术之一,主要解决的是多个用户如何高效㊁合理地共享有限的信道资源问题㊂文章主要研究常用的几种MAC 接入协议㊂关键词:MAC ;CSMA ;TDMA中图分类号:TN91㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀目前,移动通信技术发展迅猛,但是大多数移动通信都需要有线的基础设施(如基站)的支持才能实现㊂为了实现在某些特殊应用场所不需要固定的设施支持就可以进行通信,一种有别于传统的网络技术 移动自组织网络技术应运而生㊂移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks)是指一种不需要基础设施的移动网络,也常被称为多跳无线网(Multi -hop Wireless Networks)㊂该网络是一个临时构建的多跳无中心网络,网络中的成员是一组具有无线通信功能的移动节点㊂这些移动节点可以在任何地方任意时刻快速地构建起一个移动通信网络,并且不需要基础设施(如基站)的支撑㊂网络中的每个节点都可以自由移动,且相互之间地位平等㊂移动自组网的出现加快了人们实现随时随地进行自由通信的进程,同时移动自组网也为临时通信㊁军事通信和灾难救助等应用提供了有效可行的解决方案㊂移动自组织网络是一种网络拓扑动态可能随时发生变化的无线网络㊂该网络体系㊁同步机制和实际应用等问题都比较复杂[1]㊂传统的固定网络和常见的蜂窝移动通信网中使用的协议和技术很难直接应用到移动自组织网络中,因此需要为移动自组织网络设计专门的协议和技术㊂目前,移动自组织网络研究中面临的主要难点和重点问题为MAC 协议㊁同步机制㊁路由协议㊁功率控制㊁Qos㊁网络资源管理㊁网络互联和安全问题等㊂本文将重点讨论几种常见的MAC 协议㊂1㊀MAC 协议基本概念㊀㊀MAC 协议是数据在无线信道上发送和接收的主要控制者,是移动自组织网络协议的重要组成部分㊂MAC 协议对网络的时延㊁吞吐量㊁数据包传输成功率等性能指标都有着重要的影响㊂传统网络中多点共享的广播信道,蜂窝移动通信系统中由基站管理控制的无线信道以及点对点无线信道都是一跳共享信道,而移动自组织网络的信道则是一个由多个节点共享的多跳信道㊂当一个无线通信节点发送数据时,只有在它通信覆盖范围内的节点才能收到,这种共享的多跳信道会导致移动自组织网络存在隐藏终端㊁暴露终端等问题[2-3]㊂如图1所示,当通信节点1向节点3发送数据时,节点2并不在节点1的通信覆盖范围内,它无法检测节点1正在发送分组,如果此时节点2也向节点3发送数据,就会引起数据碰撞,节点2便称作隐藏终端㊂这种因某些节点不能侦听到其他节点发送数据而引起的数据碰撞就是隐藏终端问题㊂另外,还存在一种情况,如图2所示,当节点3向节点1发送数据时,节点2就会检测到节点3正在发送分组,节点2为了避免引起数据碰撞会推迟向节点4发送数据㊂但实际上这种推迟是不必要的,因为节点2向节点4发送数据并不影响节点3向节点1发送数据,这种情况下节点2就是节点3的暴露终端㊂这种因某些节点在其他正在通信节点的传输范围内而进行不必要的发送推迟便是暴露终端问题㊂为了保证数据传输的及时性以及正确性,移动自组织网络的MAC 协议需要解决隐藏终端及暴露终端问题㊂2㊀移动自组网中常见的MAC 协议的分析㊀㊀目前,在移动自组网实际的应用中,MAC 层主要图1㊀隐藏终端问题示例图2㊀暴露终端问题示例采用的协议有CSMA 协议㊁TDMA 协议以及二者的结合㊂2.1㊀CSMA 协议㊀㊀CSMA 是Carrier Sense Multiple Access 的缩写,是一种允许多个节点在同一个信道发送数据的协议㊂当一个节点发送数据时,需要侦听信道上是否有其他节点在发送数据㊂如果信道此时有其他节点在发送数据,则发送节点需要等待一个时间段后再次侦听,只有侦听到信道空闲后才会发送数据㊂信道中的其他节点接收到来自信道的数据,需要判断该数据是不是发送给自己㊂如果是,则进行下一步处理;如果不是,则将数据抛弃㊂如果在某一信道空闲时刻,两个在彼此通信覆盖范围内的节点同时要给对方发送数据时,且它们都侦听到信道处于空闲状态,这时它们会将自己的数据发送出去,从而引起了数据的碰撞㊂这是因为节点可以侦听信道上是否有数据传输,但是节点无法预判下一时刻信道上是否有数据要传输㊂为了避免出现这种问题,在实际应用中,往往会让节点在发送数据前,先侦听信道上是否有数据正在传输㊂如果此时信道上有数据正在传输,则等待一段时间后继续侦听;如果侦听到信道是空闲的,则需要让节点随机退避一段时间P 后再继续侦听;如果信道仍然空闲,则发送数据;如果这时信道上有数据在传输,则退回到最初的侦听信道状态,具体流程如图3所示㊂在上述的过程中,加入随机退避因子是为了避免两个在彼此通信范围内的节点同时发送数据时引起数据碰撞㊂图3㊀CSMA 处理流程CAMA 协议的主要优点:(1)算法简单㊁易于实现㊂(2)信道空闲情况下会快速发送数据,数据时延小㊂CAMA 协议的主要缺点:(1)在通信中易于引入隐藏终端和暴露终端的问题㊂(2)当系统中节点数量较多时,数据碰撞不可控,且数据时延不可控㊂2.2㊀TDMA 协议㊀㊀TDMA 即Time division multiple access,其协议的核心思想是将时间分为若干个时间片段,称之为时隙,每个发送数据的节点占据一个或多个时隙进行数据发送㊂如图4所示,节点A㊁B㊁C㊁D 分别占用时隙1㊁2㊁3㊁4发送数据,这时由于每个节点在不同的时间段发送数据,所以不会引起数据的碰撞㊂时隙的分配目前有静态预制与动态分配两种㊂图4㊀时隙分配时隙示例TDMA 协议的主要优点:(1)发送数据的节点在不同时隙进行数据发送,不会发生数据碰撞㊂(2)数据传送的时延可控㊂TDMA 协议的主要缺点:(1)对同步要求高,需要精准的时间同步㊂(2)固定分配时隙的TDMA 会引起不必要的数据传输时延,动态分配时隙的TDMA 算法较为复杂,且会引入预约时隙等开销,降低系统的吞吐量㊂2.3㊀TDMA +CSMA 协议㊀㊀TDMA +CSMA 协议就是将整个时间片分为若干个时隙,一部分时隙固定分配给节点发送公共广播㊁同步及路由公告等消息,一部分时隙用来进行CSMA 载波侦听使用,剩余部分时隙留作节点作为固定分配时隙㊂基于这一MAC 接入思想的时隙分配示例如图5所示㊂其中,SS 时隙是各个节点轮流发送同步和拓扑消息,用于网内节点同步与路由的更新与迟入节点的引导;BS 时隙是广播时隙,用于各节点发送广播话音;RS 是动态时隙,用于各节点利用CSMA 机制临时占用发送数据,该时隙用于发送用户短报文等小型业务;DS 时隙是TDMA 时隙,可根据开机前用户根据实际用户数进行配置,也可由节点根据业务需求动态预约占用㊂此时隙适合传输文件㊁视频等大业务量数据㊂图5㊀时隙分配示例㊀㊀如果配置用户数为网内最大节点数64个,则设定71个时隙为一个时帧㊁每64个时帧为1个超帧㊂当然,以上时隙配置只是在某一种应用场合的一种配置示例,在实际应用中可根据实际需要进行配置㊂3 结语㊀㊀研究表明,在众多移动自组网的关键技术中,MAC 协议运行在网络层之下㊁物理层之上,对数据的发送和接收起着直接控制和管理的作用,其性能的好坏会直接影响整个网络的性能和效率㊂因此,对于每一种具体的应用场景来说,选取合适的MAC 协议至关重要㊂参考文献[1]邵玮璐.移动自组网中混合接入协议的研究[D ].上海:上海师范大学,2020.[2]王常虎.基于协同通信的移动自组网关键技术研究[D ].成都:电子科技大学,2022.[3]刘庆刚,李大双,朱家成.多跳TDMA 组网同步的分布式控制方法[J ].通信技术,2012(5):26-28,32.(编辑㊀王永超)Research on MAC protocol of Ad Hoc NetworkZhang FuqinXi an Vocational and Technical College Xi an 710077 ChinaAbstract Mobile Ad Hoc Network is a special network and made up of some communication nodes.There is no central control node and fixed infrastructure in the network.The MAC protocol is the one of the most critical technologies.It mainly solves how the communication nodes in the network share the wireless channel efficiently and reasonably.This article mainly studies the MAC protocol which are frequently -used.Key words MAC CSMA TDMA。
无线体域网MAC层IEEE802.15.6协议研究无线体域网(WBAN)是一种新型的无线通信网络,用于监测人体内部或周围环境的生理参数。
它可以在医疗保健、运动监测、紧急救援等领域发挥重要作用。
IEEE 802.15.6是WBAN的MAC层标准,它定义了在医疗和相关应用中使用的无线通信协议。
IEEE 802.15.6协议的研究对于推动WBAN技术的发展具有重要意义。
本文将重点就IEEE 802.15.6协议进行探讨,分析其特点、研究进展及应用前景。
一、IEEE 802.15.6协议概述IEEE 802.15.6协议是一种专门针对人体监测的低功耗、低速率的无线通信标准。
它在频谱利用效率、能量消耗、传输可靠性等方面都做出了优化设计,以满足医疗监测等应用的需求。
该协议支持多种调制方式,包括窄带调制、超宽带调制等,以提供更灵活的通信方式。
IEEE 802.15.6协议定义了多种不同的物理层和MAC层选项,以适用于不同的应用场景和需求。
其中包括基于超宽带的高速传输模式、低功耗的窄带传输模式等。
该协议还提供了多种不同的链路层接入机制,包括随机接入、分配接入等,以适应不同的网络结构和场景需求。
1. 低功耗设计IEEE 802.15.6协议在设计上充分考虑了无线体域网设备的低功耗需求,通过优化通信协议和硬件设计,降低设备的能量消耗。
这使得WBAN设备可以长时间佩戴在人体上,实现长期、持续的监测。
2. 高可靠性由于WBAN在医疗等领域的应用需要对数据传输的可靠性要求较高,IEEE 802.15.6协议采用了多种技术手段来提高数据传输的可靠性,包括数据重传机制、信道编码、信道自适应等,保障数据的准确传输。
3. 多样化的调制方式IEEE 802.15.6协议支持多种不同的调制方式,包括窄带调制、超宽带调制等,以适应不同的应用场景和需求。
这样可以灵活应对不同的通信环境,提高通信的稳定性和灵活性。
4. 多种链路层接入机制为了满足不同的网络结构和场景需求,IEEE 802.15.6协议提供了多种链路层接入机制,包括随机接入、分配接入等。
关于Ad-Hoc网络MAC协议性能分析的研究摘要:本文提出了ieee802.11无线局域网一种新的“常数竞争窗口/dcf”(dcf/w)mac协议。
首先提出了一个数学模型来分析dcf/ccw的吞吐量和访问时延情况。
分析表明,dcf/ccw的性能在不同的网络规模下存在很大的区别。
通过进一步分析研究说明,我们可以很容易获得一个已经给定的网络规模所对应的“最优常数竞争窗口”(optimal w),从而最大限度地提高系统的吞吐量。
所提供的优化机制“最优常数竞争窗口”(optimal-dcf/w)正是基于这方面的知识选择不同的网络规模对应的最优常数竞争窗口。
仿真结果表明,与ieee802.11 dcf相比,optimal-dcf/w在吞吐量和接入时延有了明显的改善。
关键词:常数竞争窗口adhoc1 介绍在广受欢迎的广泛应用wlans ieee802.11标准[1]的基础上,主要的mac技术称之为分布式协调功能(dcf)。
dcf是基于多重存取载波监听和避碰(csma / ca)方案和开槽的二进制指数后退(beb)规则。
自从ieee802.11协议问世以来,许多文献分析了dcf的性能。
他们共同的结论是,虽然dcf简单且易实现的理想方案,但其性能并非最优,因为它需要多次尝试找到大致最好的竞争窗口,且每当传输成功后其最优竞争窗口将被还原到phy层最小竞争窗口。
本文介绍的dcf方案是在假定站点在一个给定的时间里不知道任何网络状态情况下进行的。
然而,之前的一些文献表明一些网络动态信息可以通过监测频道获取。
其中的一些文献已经开始使用这些信息来优化wlans ieee802.11的性能。
参考文献[2]根据收到的网络竞争节点数量来选择竞争窗口。
参考[3]给出一个复杂的自适应机制即通过给定的节点拥挤度来选择合适的竞争窗口的大小。
参考[4]基于传输率提供了一个最佳常数窗口监测最佳传输概率。
在本文中,我们提出了一个新的mac协议即dcf/常数竞争窗(dcf/ccw)协议在ieee802.11的无线局域网实施。
IEEE 802.11无线网络MAC层协议性能分析的开题报告一、选题背景和意义:IEEE 802.11协议是目前应用最广泛的无线局域网协议标准之一,其MAC层协议规定了无线电信道的访问机制和服务质量保证。
在实际应用中,由于各种因素的影响,如距离、速度、干扰等因素,会导致无线网络性能下降,并出现一系列问题,如数据包丢失、传输时延增加、吞吐量下降等。
因此,对IEEE 802.11无线网络MAC层协议进行性能分析,对于优化网络性能、提高网络效率、改善用户体验具有重要意义。
二、选题内容和研究思路:本文主要研究IEEE 802.11无线网络MAC层协议的性能分析方法和指标,采用网络模拟技术进行仿真实验,并分析和比较不同场景下无线网络性能表现。
具体内容和研究思路如下:1、国内外研究现状分析。
对IEEE 802.11协议的研究现状进行梳理和分析,包括国内外学者提出的相关研究成果、经典的MAC协议、性能指标等。
2、网络模拟技术与工具介绍。
介绍网络模拟技术及其在无线网络性能研究中的应用,以及常用的网络仿真工具,如NS2、NS3等,并对这些工具进行性能比较和评测。
3、性能指标定义和仿真场景设计。
根据IEEE 802.11协议规范,定义网络性能指标,包括传输时延、数据包丢失率、吞吐量等,设计不同场景的仿真实验,如网络拓扑结构、数据传输速率、节点密度等。
4、性能分析和对比实验。
利用网络仿真工具进行验证实验,分析不同场景下无线网络性能表现,比较不同MAC协议、调度算法和数据传输速率等对性能的影响,提高无线网络性能和服务质量。
5、结论和展望。
总结分析结果,得出结论,同时对未来无线网络性能研究进行展望和建议。
三、预期成果:通过本文的研究,可以深入了解IEEE 802.11无线网络MAC层协议的工作原理和性能指标,掌握网络模拟技术及其应用方法,选定适合的场景设计和仿真实验。
同时,本文将得出不同场景下无线网络性能的实验结果,并比较不同MAC协议、调度算法和数据传输速率等对性能的影响,提出优化无线网络性能和服务质量的方案和建议。
无线网络MAC层接入控制研究的开题报告一、选题背景随着移动互联网的飞速发展,无线网络已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
无线网络主要分为两个层次:物理层和MAC层。
而在MAC层,接入控制则是一个非常重要的研究方向。
MAC层的接入控制能够控制无线网络中不同节点之间的接入能力,保障网络中数据的传输质量和效率,从而影响整个网络的服务质量。
因此,在无线网络的建设和优化中,研究MAC层接入控制机制具有重要的理论和实践价值。
二、选题意义1.提高无线网络服务质量MAC层接入控制能够有效地控制无线网络中的流量,使得网络的带宽得到充分利用,同时避免网络流量过载,从而提高无线网络的服务质量。
2.优化资源利用率通过合理的MAC层接入控制机制,可以缩短用户资源占用时间,增加频谱的重复使用率,充分利用无线网络的资源,从而提高资源的利用率。
3.提高网络安全性MAC层接入控制能够有效地防范网络的黑客攻击和漏洞利用,从而提高网络的安全性和稳定性。
4.促进无线网络技术发展研究MAC层接入控制不仅可以提高无线网络的服务质量,还可以推动无线网络技术的发展,从而促进整个通信技术的进步。
三、研究问题本研究将着重探讨以下问题:1.MAC层接入控制的原理和机制2.现有的MAC层接入控制方法的优点和缺点3.针对现有MAC层接入控制方法的不足,提出新的改进方案4.基于改进方案的性能分析和评估四、研究内容1. MAC层接入控制原理和机制的调研和分析2. 现有MAC层接入控制方法的调研和分析3. 根据现有方法的优缺点,提出新的改进方案4. 实验仿真,对新方案进行性能评估五、研究方法1.文献综述:查阅相关文献,了解MAC层接入控制的原理和现有的控制方法,归纳总结已有研究的优点和不足2.理论分析:基于现有的MAC层接入控制方法,探讨其原理和优化空间,提出改进方案3.仿真分析:使用NS3等仿真工具,在仿真平台上进行性能测试和分析,评估改进方案的优化效果和可行性六、研究计划时间节点 | 学术活动2021/6– 2021/7 | 阅读相关资料,梳理研究思路2021/8– 2021/9 | 确定研究问题和方法,提出改进方案2021/10– 2022/3 | 确定仿真平台和数据集,进行实验仿真2022/4– 2022/6 | 数据整理、结果统计和分析2022/7– 2022/8 | 撰写论文、资料整理2022/9– 2022/10 | 论文修改与撰写答辩稿七、研究成果1.研究报告:系统地阐述了MAC层接入控制的原理和现有的控制方法,分析了已有研究的优点和不足,提出了新的改进方案,并对改进方案进行了仿真测试和性能分析。
无线网络中的自组网协议研究一、引言随着科技的不断发展,无线网络技术愈发成熟,无线网络日益普及。
无线网络中的自组网协议(MANET)由于具有自我组织、动态自适应、灵活性强等优点,受到了广泛的关注和研究。
本文旨在对无线网络中的自组网协议进行深入研究,探讨其技术特点、应用场景、发展趋势等内容。
二、无线网络中的自组网协议的技术特点无线网络中的自组网协议(MANET)是指在无线自组网中,一组具有相同协议的节点采用分散的方式组成网络的协议。
在无线网络中,节点数量和位置的不断变化,传输信道的不可靠、信号干扰等因素都会影响网络性能的稳定性。
因此,无线网络中的自组网协议主要具有以下几个技术特点:1. 自我组织:无线网络中的自组网协议不需要任何固定的网络结构,可以自行组织,灵活性强。
2. 分布式:无线网络中的自组网协议采用分布式方式,让每个节点都参与到网络决策中,避免网络中心化,有利于保持网络的稳定性。
3. 动态自适应:无线网络中节点数量、位置的变化会影响网络的通信质量,自组网协议会根据这些变化,自动调整网络结构,保持网络的稳定性。
4. 多层次:在无线网络中节点通讯是多层次的,自组网协议在设计中也是多层次的,以满足不同层次的通信需求,增加网络的效率和灵活性。
三、无线网络中的自组网协议的应用场景1. 军队作战通信:在军事作战中,常常遇到临时换位、转移等情况,需要随时建立临时通信网络,自组网协议在此时便可发挥巨大作用。
2. 灾难救援通信:在地震、洪水等灾难发生时,部分地区的通信基础设施可能已经毁坏,因此需要组建临时通信网络,以便救援工作的开展。
3. 工业自动化:在工业自动化过程中,需要将大量传感器实时信息进行处理和传输,自组网协议可以满足实时传输的需要,提高工业生产的效率和质量。
4. 车联网:在车联网中,车辆之间需要通过通讯网络传递信息,自组网协议可以帮助车辆建立临时通信网络,提高车联网的安全性和可靠性。
四、无线网络中的自组网协议的发展趋势近年来,随着移动互联网应用的普及,无线网络中的自组网协议也得到了很好的发展和应用。
无线局域网的MAC协议原则上讲,无线局域网的MAC协议和有线局域网的MAC协议并无本质上的区别。
然而,由于无线传输媒体固有的特性以及移动性的影响,无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。
例如,IEEE 802.3的MAC层采用CSMA/CD来使各个不同的站点共享同一物理信道。
而实现CSMA/CD的一个重要前提是,各站点能够非常容易地实现冲突检测功能。
在有线局域网(如以太网)的情况下,可根据检测电缆线上直流分量的变化容易地实现冲突检测。
然而在使用无线传输媒体时,由于以下的原因,很难实现冲突检测。
1)冲突检测的能力要求各站能同时发送(发送自己的信号)和接收(决定其他站的传输是否干扰自己的传输),这将增加信道的花费。
2)更重要的是,由于隐藏终端问题的存在,即使一个站有冲突检测的能力,并已经在发送时检测到冲突,在接收端仍然会有冲突发生。
鉴于以上原因,无线局域网协议标准IEEE802.11b采用了一种具有冲突避免的载波监听多路访问(CSMA/CA)协议实现无线信道的共享。
一种简单的CSMA/CA可实现如下:在数据包传输之前,无线设备将先进行监听,看是否有其他无线设备正在传输。
若传输正在进行,该设备将等待一段随机决定的时间,然后再监听,若没有其他设备正在使用介质,该设备开始传输数据;因为很有可能在一个设备传输数据的同时,另一个设备也开始传输数据,为了避免此类冲突造成的数据丢失,接收设备检测所收到的分组的CRC,如果正确,则向发送设备传输一个确认信息(acknowledgement)以指示没有冲突发生。
否则,发送设备将重复上述CSMA/CA过程。
为了使两个无线设备同时进行传输(这将导致冲突)的可能性减到最小,802.11设计者使用称为发送请求/清除以发送(RTS/CTS)的机制。
例如:若数据到达无线节点指定的无线访问点(AP),该AP将给那个无线节点发送一个RTS帧,请求一定量的时间向它传输数据,无线节点将用CTS帧进行回应,表示它将阻止任何其他的通信,直到AP发送完数据为止。
无线自组织网络MAC协议研究综述宋佳;门宇博;雷丹丹;刘庸民【摘要】随着数据链需求的不断扩展和多点协同应用的兴起,使得无线自组织网络技术成为了数据链领域的研究热点.无线自组网利用无线多跳方式完成节点间的相互通信,不依赖于任何固定设施,具有自组织和自管理的特性.本文首先介绍无线自组织网络的概念、特点和相关应用;然后重点介绍自组网技术中MAC层协议的发展和研究情况;最后指出无线自组网技术中MAC层协议面临的问题和未来的挑战.【期刊名称】《数字技术与应用》【年(卷),期】2019(037)006【总页数】3页(P31-33)【关键词】无线网络;节点通信;自组织;MAC层协议【作者】宋佳;门宇博;雷丹丹;刘庸民【作者单位】航天恒星科技有限公司 503所),北京 100086;航天恒星科技有限公司503所),北京 100086;航天恒星科技有限公司 503所),北京 100086;航天恒星科技有限公司 503所),北京 100086【正文语种】中文【中图分类】TN9290 引言无线自组织网络作为分布式多跳通信网络,由多个无线收发设备组成。
在自组织网络中没有物理意义上的中心节点,使得自组织网络具有临时性,以及能够在任何时间和地点都能迅速构建的特点,自组网在构建过程中不需要地面固定网络设施的支持[1]。
在自组织网络中的每个节点终端均可以自由移动,并且每个节点在网络中的地位相等。
无线自组网与固定网络相比具有如下特点:1)自组网中节点具有移动性:任意节点既可以在网络中随意自由移动,也可以多个节点以编队的形式进行有规律的移动,在没有无线连接和安全限制下,节点可自由通信。
2)网络拓扑结构具有动态性:由于自组网中的节点是随意自由移动的,必然会导致网络拓扑结构的变化具有动态性,即会发生迅速、随机以及不可预测地变化[2]。
3)网络分布式特性:由于无线自组织网络中不存在中心节点,因此网络的控制和管理功能由网络中的普通节点分布式的实现。
无线网络mac协议简介篇一:无线自组网竞争类MAC协议分析及研究无线自组网竞争类MAC协议分析及研究无线自组网是一种没有任何中心实体的,由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的自治性网络。
依靠节点间的相互协作可在任何时刻、任何地点以及各种移动、复杂多变的无线环境中自行成网,并借助多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离,从而拓宽网络的传输范围,为用户提供各种服务、传输各种业务。
在现代化战场上,如数字化与自动化战场、各种军事车辆、士兵之间的协同通信、发生地震等自然灾害后、搜救与营救以及移动办公、虚拟教室、传感器网络等通信领域应用非常广泛。
其中MAC协议是无线自组网协议的基础,控制着节点对无线媒体的占用,对自组织网的整体性能起着决定性的作用。
从自组织网出现至今,MAC协议设计一直是研究的重点。
目前,移动自组织网采用的信道访问控制协议大致包括3类:竞争协议、分配协议、竞争协议和分配协议的组合协议(混合类协议)。
这3种协议的区别在于各自的信道接入策略不同。
由于MAC协议的研究主要集中在基于竞争的机制,本文着重针对竞争类协议中几种较常用的典型MAC协议进行对比分析,并在OPNET仿真建模软件中创建出各协议的状态模型,这对无线自组织网络仿真研究及选择高效适用的MAC技术方案具有实际参考价值。
1 竞争协议的概念及特点竞争协议是使用直接竞争来决定信道访问权,并且通过随机重传来解决碰撞问题。
ALOHA协议和载波侦听多址访问CSMA协议就是竞争协议的典型例子。
除了时隙化的ALOHA协议,大多数竞争协议都使用异步通信模式。
这种协议在低传输负荷下运行良好,如碰撞次数少,信道利用率高、分组传输时延小。
随着传输负荷的增大,往往使协议性能下降、碰撞次数增多。
在传输负荷很重的时候,竞争协议可能随着信道利用率下降而变得不稳定。
这就可能导致分组传输时延呈指数形式增大,以及网络服务的崩溃。
这就对MAC协议的设计提出了较高的要求。
无线传感器网络MAC层协议分析和研究摘要:当前,无线传感器网络(WSN)是国内外备受关注的一个新兴前沿热点领域,已经吸引了许多研究者和机构的广泛关注。
本文简单介绍了一下无线传感器网络以及MAC协议,列举了在设计无线传感器网络的MAC协议时需要重点考虑的方面,对MAC协议进行了分类,并对当前典型的各类协议进行了详细的分析,比较和总结了这些协议的核心机制、性能和特点,最后得出结论,展望了今后无线传感器网络MAC协议的研究重点及策略。
关键词:无线传感器网络;MAC协议;竞争协议中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2010) 05-0000-04MAC Layer Protocol for Wireless Sensor Network Analysis&ResearchFeng Wentang1,Wang Jimei2(1.Jinan Ruifeng Rural Cooperative Bank,Jinan 250001,China;2.Shandong Xiehe Vocational and Technical College,Jinan 250109,China)Abstract:Currently,wireless sensor network (WSN) is an emerging concern in domestic and internati onal hot issue in the field,has attracted many researchers and institutions from all over.This article explains wireless sensor networks,MAC protocol,listed the key aspects that need to consider in the design of MAC protocol for wireless sensor networks,classification methods for MAC protocols in wireless sensor network are summarized.typical of agreements currently are carried out a detailed analysis,the core mechanism,performance,characteristics of these agreements are adequately com pared and summarized,finally concluded and got the prospect of MAC layer protocol for wireless se nsor networks for future research priorities and strategies.Keywords:Wireless sensor network;MAC protocol;Competition agreement随着传感器、微机电系统、网络通信技术的发展,出现了一个新兴的计算机网络—无线传感器网络(Wireless Sensor Network ,WSN)。
无线自组网竞争类MAC协议分析及研究无线自组网是一种没有任何中心实体的,由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的自治性网络。
依靠节点间的相互协作可在任何时刻、任何地点以及各种移动、复杂多变的无线环境中自行成网,并借助多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离,从而拓宽网络的传输范围,为用户提供各种服务、传输各种业务。
在现代化战场上,如数字化与自动化战场、各种军事车辆、士兵之间的协同通信、发生地震等自然灾害后、搜救与营救以及移动办公、虚拟教室、传感器网络等通信领域应用非常广泛。
其中MAC协议是无线自组网协议的基础,控制着节点对无线媒体的占用,对自组织网的整体性能起着决定性的作用。
从自组织网出现至今,MAC协议设计一直是研究的重点。
目前,移动自组织网采用的信道访问控制协议大致包括3类:竞争协议、分配协议、竞争协议和分配协议的组合协议(混合类协议)。
这3种协议的区别在于各自的信道接入策略不同。
由于MAC协议的研究主要集中在基于竞争的机制,本文着重针对竞争类协议中几种较常用的典型MAC协议进行对比分析,并在OPNET 仿真建模软件中创建出各协议的状态模型,这对无线自组织网络仿真研究及选择高效适用的MAC技术方案具有实际参考价值。
1 竞争协议的概念及特点竞争协议是使用直接竞争来决定信道访问权,并且通过随机重传来解决碰撞问题。
ALOHA协议和载波侦听多址访问CSMA 协议就是竞争协议的典型例子。
除了时隙化的ALOHA协议,大多数竞争协议都使用异步通信模式。
这种协议在低传输负荷下运行良好,如碰撞次数少,信道利用率高、分组传输时延小。
随着传输负荷的增大,往往使协议性能下降、碰撞次数增多。
在传输负荷很重的时候,竞争协议可能随着信道利用率下降而变得不稳定。
这就可能导致分组传输时延呈指数形式增大,以及网络服务的崩溃。
这就对MAC协议的设计提出了较高的要求。
当前无线自组网中MAC协议的设计面临如下几个问题。
1.1 隐藏终端和暴露终端无线自组网的无线信道是一个共享的广播信道,但它不是一跳共享的,而是多跳的共享信道。
此外,每个结点的通信范围有限,因此报文冲突与节点所处位置有关,结点之间的传播时延不可忽略,带来隐藏终端和暴露终端的问题。
1.1.1 隐藏终端隐终端问题指在接收结点的覆盖范围内而在发送结点的覆盖范围之外的结点。
隐藏终端因听不到发送结点的发送而可能向同样的接收结点发送报文,造成报文在接收结点处冲突(),但因为它在接收结点的通信范围之外,它的发送实际上并不会造成冲突。
因此必须想办法避免这两种终端带来的冲突,尽可能提高吞吐率,减小时延。
1.2 信道使用的公平性在无线自组网络中,一个需要解决的关键问题是设计公平高效的MAC访问协议。
所谓公平,是指竞争无线信道的节点能公平共享无线信道的带宽;所谓高效,是要尽量选用合适的退避算法,保证竞争用户使用信道的公平性。
由于网络中各节点共享信道,不可避免要采取退避手段解决竞争问题。
所采用的退避算法既要尽量降低各节点间的冲突概率,又要避免因退避时间过长而降低信道利用率,同时还要保证各节点能公平地访问信道。
1.3 节点移动的影响由于无线自组网中节点能够自由移动,这就造成了网络拓扑结构的不断变化,这也会对Adhoc网络媒体接入控制协议带来一定的影响。
当一对节点正在通信时,因为移动而进入接收节点通信范围的节点可能会发送(或正在发送)数据而引起分组冲突,这被称为入侵终端问题。
实际上结点移动对信道接入协议的影响是较小的。
2 几种典型的竞争类MAC协议为了避免隐藏终端和暴露终端问题以及信道使用公平性等问题,在无线自组网领域已提出了很多较为高效的MAC协议,典型的如:MACA,MACAW,802.11MAC,FAMA协议。
本文将对以上几种协议进行协议分析及比较。
2.1 多址访问与碰撞回避(MACA)协议 MACA协议使用控制分组握手诊断来减轻隐藏终端干扰和使暴露终端个数最少。
MACA 协议采用两种固定长度的短分组,即请求发送(RTS)和允许发送(CTS)。
节点A发送数据给节点B时,首先向B发送一个RTS分组,RTS分组包括发送数据的长度。
节点B收到RTS分组,并且当前不在退避中,则立即应答CTS分组,CTS分组也包含发送数据的长度。
节点A收到CTS分组后,立即发送数据。
旁听到RTS分组的任何节点则推迟其发送,直到有关CTS分组发送完为止。
旁听到CTS分组的任何节点推迟其发送,推迟时间长度等于预定数据发送所需时间。
如果发送节点没有收到相应的CTS帧,它将认为由于冲突RTS帧已经遭到破坏,随后执行一个二进制指数退避算法BEB,延迟重发RTS帧。
MACA协议的优点是提高了信道的利用率,降低了数据帧发生冲突的概率,通过采用RTS/CTS机制,协议解决了隐藏终端问题,但暴露终端问题并没有解决。
而且MACA协议不能避免控制帧之间的冲突,同时使用BEB退避算法将会引发公平性问题。
2.2 MACAW MACAW是对MACA的改进,它采取以下措施:1)用载波侦听来避免RTS控制分组之间的碰撞,使用正确应答ACK分组来辅助丢失分组的迅速恢复。
报文的交互顺序为RTS—CTS—DS—DATA—ACK。
2)为防止正确应答ACK 分组的碰撞,原节点发送一个数据发送(DS)分组来提醒暴露终端正确应答ACK分组即将发送。
ACK和DS控制帧的使用,增加了数据传输的可靠性。
控制帧ACK作为链路层确认帧,它的使用能够增加传输层的吞吐率。
3)采用MILD(倍数递增线性递减)退避算法取代BEB退避算法。
虽然MILD算法不能完全消除不公平现象,但它要比BEB算法公平的多。
但是它仍然不能避免控制帧的冲突。
MACAW的改进实际上是以增加协议开销为代价的,同时只是部分解决了隐藏终端和暴露终端问题。
2.3 IEEE 802.11MAC协议 IEEE802.11MAC是以CSMA/CA为基础,具有分布式协调功能的MAC协议。
该协议包括载波检测(CS)机制、帧间间隔(IFS)和随机退避(ra-ndom back-off)规程。
站点要发送数据时,按照CSMA/CA的访问方式接入信道,需要发送数据的终端首先监听信道的忙闲,如果空闲则可以进行发送处理,但不是马上发送数据帧,而是由CSMA/CA分布算法,控制各种数据帧相应的时间间隔(IFS),只有当信道空闲的时间长度大于规定的帧间间隔IFS时,结点才会认为信道空闲,开始发送。
如检测到媒体正在传送数据,则该节点将推迟竞争信道,一直延迟到现行的传输结束为止。
在延迟之后,该终端要经过一个随机退避时间重新竞争信道使用权。
IEEE802.11MAC仍使用的是RTS/CTS 握手机制,碰撞仍然会发生并且未解决隐藏节点和暴露节点问题,同时采用的二进制指数退避算法容易带来信道的公平性问题。
2.4 FAMA FAMA是一个描述一类无线信道接入协议的框架,这类协议在发送数据之前要先使用控制报文预约信道,该协议允许一次RTS—CTS成功握手连续发送多个数据报文,以此来提高信道的利用率。
其中FAMA—NCS可被用于无线自组网络,FAMA—NCS采用了载波监听机制,并通过CTS 控制报文的长度,避免了隐发送终端的影响。
3 OPNET平台下各协议进程模型的构建对无线网络MAC协议的研究中,协议状态模型的建立是仿真分析的基础和前提,本文利用Opnet 仿真建模软件,创建出了上述各协议的状态分析模型。
3.1 Opnet建模环境实验选用opnet 网络仿真建模软件来构建上述各无线MAC协议的状态模型。
OPNET软件是美国MIL3公司推出的专门用于对通信网进行仿真的软件包,它可以提供大型通信网络和分布系统的仿真建模环境,可以利用离散事件仿真技术来分析已建模系统的性能和行为。
OPNET建模分为网络模型、节点模型、进程模型三个层次。
网络模型是最高层次的模型,由网络节点和连接网络节点的通信链路组成,由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。
结点模型由各种协议模块和连接协议模块的各种连接方式组成,如物理接口模块、MAC模块、IP模块、路由模块等。
在结构上每个模块对应一个或多个进程模型,而进程模型由有限状态机来描述,并采用C语言编程实现。
3.2 各协议进程模型的构建在Opnet中,是由具体的进程模型来实现各节点模型的功能。
每个进程模型是一个由c代码实现的有限状态机。
本文对以上4种协议进行了分析,并在此基础构建出各自的有限状态机模型如下: 1)MACA协议进程模型状态分析。
2)MACAW协议进程模型状态分析。
3)IEEE 802.11 DCF协议进程模型状态分析。
4)FAMA—NCS协议进程模型状态分析。
4 几种协议的性能比较根据3.2中状态图描述,几种协议的性能比较如表1所示。
5 结束语无线自组织网络是一种无基础设施的移动网络,其中存在大量的移动节点,并且每个节点的业务多以突发业务为主,使得信道资源分配不适合采用固定的方式。
对此,MAC 协议的研究主要集中在基于竞争的机制。
如何在解决多个节点公平接入共享信道的基础上尽量提高信道利用率,已成为研究的一个热点。
文中所介绍的几种信道接入协议,在某种程度上解决了信道接入问题,但都存在一定的局限性。
因此,当前的MAC协议还存在着许多亟待解决的问题,需要进一步地深入研究。