无线自组网竞争类MAC协议分析及研究

摘要：无线自组织网络是一种无基础设施的移动网络，并且每个节点的业务多以突发业务为主，因此信道资源分配适用于采用竞争方式。本文在对无线自组网各种典型竞争类MAC协议进行分析及探讨的基础上，采用Opnet仿真建模环境，创建出各协议的状态分析模型，并在此基础上对各协议的性能优劣进行了比较总结。论文对无线自组网各协议仿真建模研究及选择高效适用的MAC技术方案具有实际参考价值。
关键词：无线自组网；MAC；竞争协议；OPNET

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(如图1(a))冲突后发送结点要重传冲突的报文，从而降低了信道利用率。图1(a)中当结点A向结点B发送报文时，结点C处在结点A的覆盖范围之外而处在B的覆盖范围之内，因而成了隐藏终端。

1．1．2 暴露终端
暴露终端是指在发送结点覆盖范围之内而在接收结点覆盖范围之外的结点，暴露终端因听到发送结点的发送而延迟发送(如图1(b)所示)，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。