移动自 网的MAC层研究与展望

　　摘 要：MAC层是移动自组网的一个重要研究领域，特别是暴露终端和隐终端问题的解决尤为重要。介绍了当前移动自组网中MAC层研究的新成果，进行了分析比较，给出了进一步的研究方向。

　　关键词：移动自组网 MAC层 隐终端 暴露终端

　　移动自组网是共享无线传输媒体的多点多跳网络，其MAC层协议的功能是控制结点的报文传输对无线媒体的占用，保证网络的整体性能。由于移动自组网具有的特殊网络组织形式，且信道的动态变化以及分布式控制等特点，设计适用于移动自组网的MAC层协议，成为移动自组网的研究热点之一。

　　1 MAC层设计要求

　　移动自组网MAC层协议要面临很多其他网络没有的新问题，一个普遍适用、高效的MAC层协议应具备以下基本特性：（1）较高的空间复用度。移动自组网的优点之一是可以实现多对结点同时进行通信，实现频率的空间复用。信道接入协议应该尽量增加这种复用度，使网络中更多的结点同时进行通信，从而提高网络的总吞吐量。隐接收终端问题和暴露发送终端问题的解决将会提高频率的空间复用度。（2）由于采用了特殊的信道共享方式，移动自组网信道接入协议要面临报文冲突的威胁。报文冲突，会严重影响无线信道的利用率。因此，信道接入协议要尽量避免报文间的冲突，尤其要实现数据报文的无冲突发送。（3）提供冲突解决的方法。当报文不可避免地发生冲突时，信道接入协议要提供有效的冲突解决方法，尽量减少报文冲突带来的影响。常用的解决方法是退避重发。（4）硬件无关性。一个普遍适用的移动自组网信道接入协议应该具有硬件无关性，即不能对电台的功能做过多的假设。

　　2 MAC层协议研究所面临的问题和挑战

　　移动自组网是一种多跳移动网络，很难保持全网同步，与单跳的蜂窝网络有本质的不同，这使得移动自组网中MAC层协议的设计面临新的问题和挑战。

　　（1）移动自组网的多跳共享性。多跳共享广播信道带来的直接影响是报文冲突与结点所处的地理位置相关。发送结点和接收结点感知到的信道状况的不一致性，会带来隐终端、暴露终端等一系列的问题。（隐终端是指在发方的通信范围之外，而在收方通信范围之内的节点。暴露终端是指在发方通信范围之内，而在收方通信范围之外的节点。一般地，隐
终端的存在可能造成数据的冲突，而暴露终端的出现使得网络资源无法得到充分的利用。）

　　（2）存在单向信道。绝大多数MAC层协议通常认为底层的通信信道是双向的。但在移动自组网中，由于发射功率或地理位置等因素，可能存在单向信道，这将会对MAC层协议的性能带来严重影响。

　　（3）能量有限。移动自组网中的设备绝大多数靠电池供电，能量不等且有限，所以如何节能也是MAC层协议设计必须考虑的因素。

　　（4）无线带宽有限。移动：自组网一般工作在ISM频带，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽比有线信道要低得多。如果考虑到无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪声干扰、用户间干扰等因素，节点的实际可用带宽远远小于理论值。

　　（5）QoS很难保证。移动自组网的固有特性，很难满足一定的QoS的保证，这也是应该重点考虑的MAC层协议的分类描述经过长期广泛的研究，研究人员提出数十种移动自组网MAC层协议。由于MAC层协议与传输信道相关，因此不同的MAC层协议具有不同的设计目标。即使未来移动自组网实现标准化，不同传输环境的MAC层协议也是不同的。本文按照两种基本方法对MAC层协议进行划分。

　　3.1 根据倍道接入时握手协议的发起者划分

　　发方主动的MAC层协议——由发送结点主动发起信道预约，即发方要发送数据时，先发送一个RTS控制报文与收方预约信道。大多数的信道接入协议属于此类，包括MACA[1]、MACAW[2]等。

　　收方主动的MAC层协议——由收方主动发起信道预约。接收结点主动向发送结点发送RTR（ready to receive）控制报文，发送结点如果有数据就直接发送。这种MAC层协议试图通过减少控制报文的个数、降低握手开销来提高网络的吞吐量，包括MACA-BI[3]、RIMA[4]。

　　3.2 根据MAC层协议使用的数目划分

　　基于单信道的MAC层协议——用于只有一个共享信道的移动自组网。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。因为数据报文要比控制报文长得多，数据报文的冲突会严重影响信道的利用率。所以，这种MAC层协议目标之一就是通过使用控制报文尽量减少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。包括MACA、MACAW、IEEE 802.11DCF[5]和FAMA[6]等。

　　基于双信道的MAC层协议——用于有两个共享信道的移动自组网。两个信道分别为控制和数据信道。双信道在解决隐终端和暴露终端方面具有独特的优势，通过适当的控制机制，可以完全消除隐终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突。包括BAPU和DBTMA等。

　　基于多信道的MAC层协议——用于具有多信道的移动自组网。由于网络中有多个信道，接入控制更为灵活。可使用其中一个信道作为公共控制信道，也可让控制报文和数据报文在同一信道上混合传送。这种MAC层协议主要关注两个问题，信道分配和接入控制。信道分配负责为不同的通信结点分配相应的通道，消除报文的冲突，使尽量多的结点同时通信。接入控制负责确定结点接入信道的时机、冲突的避免和解决等问题。

　　4 几种典型的MAC层协议研究

　　4.1 单信道MAC层协议

　　带冲突避免的多重接入（MACA）——MACA是第一个使用RTS-CTS控制报文握手来解决移动自组网中隐终端和暴露终端问题的MAC层协议。其源于CSMA／CA（collision avoidance）。发方在发送数据前先向收方发送RTS控制报文，进行信道预留；收方收到RTS后回送CTS报文；收到CTS后，发方开始发送数据；其他收到RTS或CTS信号的节点采用二进制指数退避算法（BEB）延迟数据发送，以避免冲突。此外，MACA还考虑了功率控制，对节点的发送功率进行控制，从而提高网络负载能力并节约能量。由于RTS／CTS帧的长度很小，与CSMA相比，MACA减少了数据包冲突。但隐接收终端和暴露终端问题都没有解决(在单信道传输条件是根本原因)。另外，MACA没有采用链路层确认机制，冲突后需超时重发。由于采用二进制指数退避BEB算法，信道接入的公平性很差。

　　带冲突避免的无线多重接入（MACAW）——MACAW对MACA做了改进，首次对公平性进行了研究，并提出了退避算法的改进及消息交互的改进。MACAW的改进提高了网络的吞吐量，实际是以增加协议开销为代价的，这种开销包括分组大小、握手次数。此外MACAW也不适用于多播环境。

　　IEEE 802.11 DCF——是IEEE 802.11标准委员会制定的无线局域网MAC层协议。源于CSMA／CA，并对C／LMA／CA进行了扩展，加入了ACK控制报文来实现链路层的确认。这样除了使用基于RTS／CTS的虚拟载波侦听机制，还可以使用帧分割技术，使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能。802.11DCF采用了二进制指数退避BEB算法，所以无法保证信道接入的公平性。

　　基站捕获的多重接入（FAMA）——FAMA是由C.L.Fullmer[6]提出的描述一类无线MAC层协议的框架。其中Fullmer提出的FAMA-NCS（non-persistent carrier sensing）可被用于移动自组网。FAMA-NCS采用了载波监听机制，并通过增加CTS控制报文的长度完全消除了隐发送终端的影响。FA-MA-NCS的“统治的CTS”机制在RTS发生冲突时，结点在等待接收RTS时检测到冲突，总以为是“统治的CTS”在起作用，以退避较长的时间来保证数据分组的接收，这对信道容量的浪费是相当大的。这种影响在隐终端存在时更为严重，因为RTS发生冲突的概率很大。

　　收方邀请的MACA（MACA-B1）——基于MACA收方主动的MAC层协议。采用了RTR报文代替了RTS／CTS握手报文。由于只使用了一种控制信息，所以减少了发送／接收反转时间，发生冲突的可能性也更小，但是需要流量预测，算法实现上比较复杂。

　　减少握手次数的多重接入(MARCH)——MARCH是一种旨在利用全向天线的广播性来减少握手次数的MAC层协议。该协议除了第一跳传输是发方驱动的，后续的中继传输都是收方驱动的。在MARCH协议中，需要的握手信号数是路由长度的函数，路由越长，节省的握手信号数越多。

　　收方发起的多址重接入（RIMA）——RIMA采用收方驱动的信道接入协议。收方发送RTR（Ready to Receive）消息来邀请发方的发送，听到RTR的非发送结点要延迟发送，这种MAC层协议的性能要比基于发方发起的协议稍好。但应用场合受限，主要适合于周期性较强的业务。

　　4.2 双信道MAC层协议

　　实践表明，单信道接入协议在网络负载比较重时效率是很低的，这是由于冲突和退避造成了信道带宽的巨大浪费。从上文可以看出，冲突主要包括控制信号之间的冲突，以及由此导致的数据信息和控制信息的冲突。对此，可以考虑采用信道分割技术，把信道分成数据信道和控制信道分别传输数据信息和控制信息，避免数据信息和控制信息之间的冲突。由于控制帧的长度很小，所以冲突发生的概率大大减少，并且可以更好地解决暴露终端问题。

　　双忙音多重接入（DBTMA）——DBTMA把信道分割成控制信道和数据信道，分别传输数据信息和控制信息，并在控制信道上增开了发送忙音和接收忙音。与MACA和MACAW相比，DBTMA的效率有很大提高。由于忙音在通信期间一直存在，可以确保不存在用户数据帧之间的冲突。

　　带信令的功率感知多重接入（PAMAS）——基于MACA的双信道MAC层协议。RTS／CTS握手信号在控制信道上交互，数据在数据信道上传输，在数据传输过程中，控制信道上发送忙音。PAMAS协议还有选择的关闭某些不需要接收和发送的节点，以节省能量。

　　4.3 多倍道MAC层协议

　　目前移动自组网多数MAC层协议都是基于IEEE 802.11b标准实现的，而IEEE 802.11b是工
作在ISM频带的单信道MAC层协议。ISM频带是一个典型的多信道环境，各种扩频技术把可用带宽分割成多个信道，每个信道一个信道辨识码。如果有多个信道使用，且网络规模也很大的话，可以给不同节点分配不同的信道以提高网络吞吐量。多信道的使用减少了冲突的发生，使更多的节点可以同时传输，因而提供了更高的带宽利用率。

　　跳隙预留的多重接入（HRMA）——是使用低速跳频／直扩系统的多信道MAC层协议。其原理是结点按照预设的跳频模式改变传输信道。当两个结点经过RTS／CTS握手后，驻留在固定的跳隙上进行数据分组的传输，其他的结点继续跳频，同理建立自己的通信信道。这种设计思想仅能在低速跳频的传输网络中使用。

　　动态信道分配（DCA）——DCA的设计思想是使用一个固定信道传输控制分组，其他信道传输数据分组。每一个结点有两个收／发信机。每个结点可在控制信道和数据信道上同时监听。该协议具有不需要同步和控制消息开销小的优点。但在所有信道具有相同带宽时，性能不是很好。当信道总数很小时，一个特定控制信道则很浪费。

　　具有软信道预留的多信道CSMA——CSMA是在单信道IEEE 802.11的CSMNCA基础上改进的多信道MAC层协议。这种基于预留多信道机制比纯粹的随机选择空闲信道机制性能要好，即使在每个子信道的带宽很小时，采用预留机制的优势依然存在。但传输时延会增大。

　　多信道媒体接入控制（MMAC）——MMAC的设计思想来源于一种典型的同步时间驱动节能协议802.11PSM。设定一个控制信道和N个数据信道，网络中所有节点共享控制信道。通过在控制信道交换控制分组，节点可以获得接入信道的权利。数据信道用于节点发送、接收数据和确认控制分组。每个节点采用两收一发，收发不能同时进行，但可以同时分别接收数据和控制信息。

　　文献[9]对802.11单信道MAC层协议、DCA和MMAC进行了比较得出了以下结论：在无线局域网应用环境中，低网络负载时，所有协议的吞吐量性能类似，在网络负载近饱和时，MMAC的吞吐量最好；在移动自组网中，MMAC的平均吞吐量性能好于DCA，但差别小于无线局域网环境；在移动自组网中网络负载很高、DCA的平均吞吐量迅速时MMAC比DCA好得多；在移动自组网中3个信道时，DCA的平均时延好于MMAC，在4个信道时，MMAC的平均时延好于DCA。

　　5 MAC层协议分析与展望

　　信道接入技术是移动自组网协议的基础。它控制着结点如何接入无线信道，对移动自组网的性能起着决定性的作用。采用双信道或者多信道协议把控制和数据分开，可以提供更好的空间复用度和信道利用率使更多对结点同时进行通信，大大提高网络的吞吐量。针对移动自组网的特点以及未来新业务的要求，在现有MAC层协议基础上可以做以下几个方面的研究：

　　（1）移动性预测：在移动自组网中，节点的移动变化如果在MAC层及早的被发现，就可以减少上层不必要的报文传送，降低冲突的发生。PMAW[9]利用信噪比SNR（Signal Noise Ratio）的改变来感知节点的移动，以避免冲突的发生。如SNR持续下降，既噪音干扰强度增加，表示另一个连接的节点临近，接收节点可采取策略来避免冲突。

　　（2）移动自组网设备一般靠能量有限的电池供电，为了节能，可采用节能机制（如PAMAS）和功率控制机制（如MACA）。现有的协议大多采用关闭部分未通信的节点或对握手信号和数据信号使用不同的功率，这些方法仅在一定程度上节约了能量，减少了冲突，但也降低了吞吐量，增加了时延。所以，既节能又不明显影响网络性能的MAC层协议也是进一步努力的方向。　

　　（3）提供动态的QoS支持：由于移动自组网采用无线信道作为传输媒介，每个节点在确保自身QoS保障实现的同时，不可避免地阻止其他节点访问该媒介以实现相应的QoS保障，因此QoS介质访问控制机制一直是研究热点。现有的无线网络MAC层协议较少考虑QoS问题，即使考虑了也多是局限于提高吞吐量和降低时延。为了支持未来多样化的多媒体业务，需要提供良好的动态QoS支持，可编程MAC层协议能够实时创建、动态管理和控制不同的QoS需求。

　　（4）基于信号处理的多包接收：由于阵列天线、扩频码、空时码等信号处理技术的发展，使得物理信道可以同时接收多个数据包。一多包接收模型改变了传统的冲突信道模型，设计和实现基于多包接收的MAC协议可以减少冲突，提高网络性能。

　　（5）基于跨层设计的全局优化：现有MAC层协议的设计受限于传统的分层协议模型，如何结合物理层和上层（路由、传输、应用层）的信息，设计和实现全局优化的MAC层协议，例如传输层和MAC层的联合差错控制，是极具挑战性的研究课题。

　　结束语

　　移动自组网的诸多特点（无中心、多跳、快速移动以及无线信道），使MAC层协议的设计面临巨大的挑战。MAC层涉及多个方面，它的目标是共享信道的多个节点在尽可能公平和无冲突的条件下协调地接入信道，以提高网络性能。文章对现有的MAC层协议进行了研究和分析，在此基础上层望了未来MAC层协议研究的若干方向。
作者：杨银辉 吴国新   来源：中国电信网