ADHoc自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議

會計(jì)學(xué)1ADHoc自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議

AdHoc網(wǎng)絡(luò)

無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種具有無中心、自組織、快速展開和移動等特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),又被稱作多跳網(wǎng)絡(luò)(Multi-hopNetwork)或者自組織網(wǎng)絡(luò)(SelforganizedNetwork)。第1頁/共42頁

AdHoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比：--沒有中心控制器；

--所有節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行；

--共同承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和管理功能；它可以隨時(shí)建立和拆除,具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性,廣泛地用于軍事行動、災(zāi)難救援和移動會議、傳感器網(wǎng)絡(luò)等場合。

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正是由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn),使得AdHoc中協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)用面臨著很大的挑戰(zhàn)：（1）沒有中心控制器,節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)接入和離開,使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動態(tài)。（2）無線信道環(huán)境非常的惡劣,并且傳輸帶寬也非常有限。由于傳輸功率等原因,還可能存在單向信道。（3）無線網(wǎng)絡(luò)靠電池供電,能量有限。

這些都對媒體訪問控制(MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。第3頁/共42頁AdHoc多跳共享網(wǎng)絡(luò)在普通的通信系統(tǒng)中，信道共享方式有3種：點(diǎn)對點(diǎn)（廣域網(wǎng)）、點(diǎn)對多點(diǎn)（局域網(wǎng)）和多點(diǎn)共享（以太網(wǎng)）。AdHoc屬于多跳共享網(wǎng)絡(luò)。第4頁/共42頁AdHoc多跳共享性對MAC協(xié)議的影響共享的含義就是在一個(gè)公用的廣播信道上實(shí)現(xiàn)所有用戶的互連和通信。多跳共享廣播信道帶來的直接影響就是報(bào)文沖突與節(jié)點(diǎn)所處的地理位置相關(guān)。

在一跳共享廣播信道中，報(bào)文沖突是全局事件，所有節(jié)點(diǎn)要么都收到正確的報(bào)文，要么都會感知到報(bào)文沖突。但在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文沖突只是局部事件，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)感知到的信道狀況的不一致性，會帶來隱藏終端、暴露終端等一系列的問題。

由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)特殊的信道共享方式，所以需要設(shè)計(jì)專用的MAC信道接入?yún)f(xié)議。

第5頁/共42頁什么是MAC協(xié)議？

介質(zhì)訪問控制，也叫媒體訪問控制協(xié)議。它定義了數(shù)據(jù)幀怎樣在介質(zhì)上進(jìn)行傳輸（調(diào)度）。

該協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層分為上層LLC（邏輯鏈路控制），和下層的MAC（介質(zhì)訪問控制），MAC主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。第6頁/共42頁數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層媒體訪問控制MAC邏輯鏈路控制LLCLogicalLinkControlMediaAccessControl向上層提供連接環(huán)境對下層提供媒體訪問方法局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層模型第7頁/共42頁MAC層需要解決的主要問題

網(wǎng)絡(luò)具有特殊的網(wǎng)絡(luò)組織形式，具有動態(tài)性。因此，其信道接入?yún)f(xié)議面臨許多新的問題，這些問題包括：

●MAC相關(guān)的無線接收問題

●不同的信道共享方式

●暴露終端問題

●隱藏終端問題

●節(jié)點(diǎn)移動的影響AdHoc的MAC協(xié)議必須盡量消除這些因素的影響。第8頁/共42頁信道共享技術(shù)

按照多個(gè)用戶與一個(gè)主機(jī)連接的方法來劃分，主要有以下兩大類方法：通過集中器或復(fù)用器與主機(jī)相連使用多點(diǎn)接入技術(shù)

受控接入

集中式控制:輪叫輪詢;傳遞輪詢分散式控制:令牌環(huán)網(wǎng)，傳遞令牌，獲得令牌才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)隨機(jī)接入所有的站點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，爭用信道，易沖突

第9頁/共42頁1.通過集中器(或復(fù)用器)頻分復(fù)用（FDM）時(shí)分復(fù)用（TDM）碼分復(fù)用（CDMA無線網(wǎng))波分復(fù)用（WDM）統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM）原理:集中器按順序不斷掃描個(gè)端口,或采用中 斷技術(shù)來接受用戶信息或轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用：比較成熟信道共享方法（一）第10頁/共42頁2.使用多點(diǎn)接入技術(shù)原理:通過一個(gè)專用信道將所有的用戶連接起來.1）受控接入:集中式控制:輪叫輪詢。主機(jī)按順序逐個(gè)詢問各站是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送.分散式控制:令牌環(huán)網(wǎng)。在環(huán)路中有一個(gè)特殊的幀，叫“令牌”。

令牌沿環(huán)路逐站傳遞。只有獲得令牌的站才有權(quán)發(fā)送信息。2）隨機(jī)接入：總線型。所有站點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，爭用信道，易沖突。ALOHA,CSMA和CSMA/CD

信道共享方法（二）第11頁/共42頁信道共享技術(shù)分類信道共享TDMFDMSTDMATDM隨機(jī)接入受控接入CATVCBXCSMACSMA/CD集中控制分散控制輪詢令牌靜態(tài)分配動態(tài)分配第12頁/共42頁媒體的多路訪問控制共享式廣播信道提出的問題可能兩個(gè)（或更多）站點(diǎn)同時(shí)請求占用信道解決辦法：信道分配信道的靜態(tài)分配信道的動態(tài)分配多路訪問信道m(xù)ultiaccesschannel第13頁/共42頁信道的靜態(tài)分配將信道資源N等分例如電話干線的頻分復(fù)用FDM

（FrequencyDivisionMultiplexing）適于用戶數(shù)量少且數(shù)目固定、通信量大情況問題資源分配不合理，不能滿足用戶對資源占用的不同需求有資源浪費(fèi)，效率低第14頁/共42頁靜態(tài)多點(diǎn)接入技術(shù)-FDMA:為每個(gè)用戶分配一個(gè)固定的頻段（頻分多址FrequencyDivisionMultipleAccess）-TDMA:為每個(gè)用戶分配一個(gè)固定的時(shí)隙codecode第15頁/共42頁靜態(tài)分配信道的缺點(diǎn)：僅適用于站點(diǎn)較少、站點(diǎn)數(shù)目相對固定且每個(gè)站點(diǎn)通信量均較大的情形，不適于突發(fā)性數(shù)據(jù)。若采用靜態(tài)分配方式，將信道分為N個(gè)獨(dú)立的子信道，每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)率為C/Nbps.第16頁/共42頁信道的動態(tài)分配通過多路訪問協(xié)議（MultipleAccessProtocol）動態(tài)分配信道資源，提高信道利用率基本概念信道爭用模型幀的發(fā)送方式信道的狀態(tài)與檢測第17頁/共42頁信道爭用模型站點(diǎn)連接到廣播網(wǎng)絡(luò)中的每一臺獨(dú)立的設(shè)備，能夠產(chǎn)生待發(fā)送幀，具有占用信道的平等權(quán)利。單一信道所有站點(diǎn)都通過同一信道發(fā)送/接收幀，某一特定時(shí)刻只允許一個(gè)站點(diǎn)使用信道。站點(diǎn)1站點(diǎn)2站點(diǎn)3站點(diǎn)N…...第18頁/共42頁連續(xù)時(shí)間幀允許在任意時(shí)刻t0

發(fā)送。時(shí)間片（時(shí)隙）將時(shí)間用時(shí)鐘分離為片段，幀只允許在每個(gè)片段的開始瞬間發(fā)送。幀的發(fā)送方式tt0tt0第19頁/共42頁信道的狀態(tài)與檢測信道的狀態(tài)狀態(tài)檢測方式載波偵聽（carriersense）非載波偵聽空閑傳輸兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)爭用信道發(fā)送幀，幀被破壞沖突輪巡競爭第20頁/共42頁多路訪問協(xié)議分類隨機(jī)訪問協(xié)議特點(diǎn)站點(diǎn)爭用信道，可能出現(xiàn)站點(diǎn)之間的沖突受控訪問協(xié)議特點(diǎn)站點(diǎn)被分配占用信道，無沖突第21頁/共42頁隨機(jī)訪問(RandomAccess)

Aloha站點(diǎn)可在任意時(shí)刻發(fā)送幀檢測到?jīng)_突，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后重發(fā)SlottedAloha站點(diǎn)只在時(shí)間片到來的瞬間發(fā)送幀信道利用率提高一倍CSMA(IEEE802.3和Ethernet)站點(diǎn)通過載波偵聽信道的情況確定發(fā)送幀的策略

典型隨機(jī)訪問協(xié)議第22頁/共42頁典型受控訪問協(xié)議受控訪問（ControlledAccess）DemandAdaptive：TokenPassingBusIEEE802.4Ring IEEE802.5IEEE802.7（FDDI）第23頁/共42頁受控多點(diǎn)接入—輪詢（一）一.輪叫輪詢主機(jī)輪流查詢各站點(diǎn),問有無數(shù)據(jù)要發(fā)送.如圖:NN-121主機(jī)收發(fā)...第24頁/共42頁二.傳遞輪詢1.問題提出輪叫輪詢的缺點(diǎn)：輪詢幀在多點(diǎn)線路上不停的循環(huán)往返，形成了相當(dāng)大的開銷，增加了幀的等待時(shí)延。2.傳遞輪詢（1）原理：N12N-1主機(jī)收發(fā)受控多點(diǎn)接入—輪詢（二）第25頁/共42頁三、傳遞輪詢與輪叫輪詢的比較（1）幀延時(shí)總是小于同樣條件下輪叫輪詢（2）站間的距離越大，傳遞輪詢的效果比輪叫輪詢越好。（3）站間的距離小，且信息較大時(shí)，二者的好處不明顯。應(yīng)用：傳遞輪詢的技術(shù)教復(fù)雜，代價(jià)較高。目前應(yīng)用的輪詢——輪叫輪詢。受控多點(diǎn)接入—輪詢（三）第26頁/共42頁多點(diǎn)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議（針對一跳共享的網(wǎng)絡(luò)）1、ALOHA方式ALOHA隨機(jī)接入方式有兩種，一種是純ALOHA方式，一種是分時(shí)隙ALOHA方式。兩者的區(qū)別在于是否將事件分割為離散的時(shí)隙空間，即純ALOHA方式無需全局時(shí)間同步,而分時(shí)隙ALOHA方式則必須時(shí)間同步。兩者都適用于任何無協(xié)調(diào)關(guān)系的多用戶競爭單信道使用權(quán)的系統(tǒng)。第27頁/共42頁純ALOHA：純ALOHA是一種用戶一旦產(chǎn)生需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就完全隨機(jī)的發(fā)送到無線信道上去的方式.它既可以工作在無線信道方式，也可以工作在總線式網(wǎng)絡(luò)中。純ALOHA系統(tǒng)最大吞吐量為0.184分時(shí)隙ALOHA：以一個(gè)分組的傳輸時(shí)間為單位，把信道劃分為時(shí)隙，用戶按照這種時(shí)隙同步發(fā)送分組的。系統(tǒng)最大吞吐量為0.368，是純ALOHA的2倍。第28頁/共42頁沖突的結(jié)果是使沖突的雙方（有時(shí)也可能是多方）所發(fā)送的數(shù)據(jù)都出現(xiàn)差錯(cuò)，因而都必須進(jìn)行重發(fā)。但是發(fā)生沖突的各站不能馬上進(jìn)行重發(fā)，因?yàn)檫@樣做就會繼續(xù)沖突下去。ALOHA系統(tǒng)采用的重發(fā)策略是讓各站等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行重發(fā)。第29頁/共42頁隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA和CSMA/CD一.CSMA的幾種類型1.什么是CSMA？

CarrierSenseMultipleAccess

就是載波監(jiān)聽(CS)多點(diǎn)接入(MA)。方法：采用了附加的硬件裝置，每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上其他站點(diǎn)是否在發(fā)送數(shù)據(jù)。2.CSMA的類型

CSMA與ALOHA的主要區(qū)別:多了一個(gè)監(jiān)聽裝置。第30頁/共42頁載波偵聽多路訪問協(xié)議概述載波偵聽（CarrierSense）每個(gè)站點(diǎn)在使用信道前，需檢測信道是否已被其他站點(diǎn)占用CSMA協(xié)議分類非堅(jiān)持CSMA堅(jiān)持CSMAP堅(jiān)持CSMACSMA/CD(CollisionDetection)第31頁/共42頁非堅(jiān)持CSMA偵聽/發(fā)送策略非堅(jiān)持CSMA站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道忙則不再偵聽，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再開始偵聽/發(fā)送過程第32頁/共42頁堅(jiān)持CSMA（1堅(jiān)持CSMA）偵聽/發(fā)送策略1-堅(jiān)持CSMA發(fā)現(xiàn)信道空閑后發(fā)送數(shù)據(jù)（概率為1）發(fā)現(xiàn)信道忙則持續(xù)等待，直至信道空閑第33頁/共42頁P(yáng)-堅(jiān)持CSMA： 聽到信道空閑時(shí)，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，即以概率1-p延遲一段時(shí)間后再發(fā)送。P-堅(jiān)持CSMA第34頁/共42頁性能：輕載時(shí)，1堅(jiān)持CSMA吞吐量最大；

重載時(shí)，非堅(jiān)持CSMA吞吐量最大。缺點(diǎn)：由于傳播時(shí)延的存在，沖突不可避免CSMA隨機(jī)接入過程流程圖第35頁/共42頁如圖：1kmABtA這時(shí)發(fā)現(xiàn)沖突B這時(shí)發(fā)現(xiàn)沖突傳輸延時(shí)對載波的影響第36頁/共42頁CSMA/CD對沖突的解決方法方法1（堅(jiān)持與非堅(jiān)持CSMA）繼續(xù)完成已經(jīng)發(fā)送的沖突幀的傳送過程方法2（CSMA/CD）盡快終止已經(jīng)破壞的沖突幀的發(fā)送過程第37頁/共42頁CSMA/CD概念模型信道的三種狀態(tài)：傳輸周期：一個(gè)站點(diǎn)使用信道，其他站點(diǎn)禁止使用競爭周期：所有站點(diǎn)都有權(quán)嘗試使用信道，爭用時(shí)間片空閑周期：所有站點(diǎn)都不使用信道時(shí)間爭用時(shí)間片to第38頁/共42頁CSMA/