無線自組網競爭類MAC協議分析及研究
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2 幾種典型的競爭類MAC協議
為了避免隱藏終端和暴露終端問題以及信道使用公平性等問題，在無線自組網領域已提出了很多較為高效的MAC協議，典型的如：MACA，MACAW，802．11MAC，FAMA協議。本文將對以上幾種協議進行協議分析及比較。
2．1 多址訪問與碰撞回避(MACA)協議
MACA協議使用控制分組握手診斷來減輕隱藏終端干擾和使暴露終端個數最少。MACA協議采用兩種固定長度的短分組，即請求發送(RTS)和允許發送(CTS)。節點A發送數據給節點B時，首先向B發送一個RTS分組，RTS分組包括發送數據的長度。節點B收到RTS分組，并且當前不在退避中，則立即應答CTS分組，CTS分組也包含發送數據的長度。節點A收到CTS分組后，立即發送數據。旁聽到RTS分組的任何節點則推遲其發送，直到有關CTS分組發送完為止。旁聽到CTS分組的任何節點推遲其發送，推遲時間長度等于預定數據發送所需時間。如果發送節點沒有收到相應的CTS幀，它將認為由于沖突RTS幀已經遭到破壞，隨后執行一個二進制指數退避算法BEB，延遲重發RTS幀。MACA協議的優點是提高了信道的利用率，降低了數據幀發生沖突的概率，通過采用RTS／CTS機制，協議解決了隱藏終端問題，但暴露終端問題并沒有解決。而且MACA協議不能避免控制幀之間的沖突，同時使用BEB退避算法將會引發公平性問題。
2．2 MACAW
MACAW是對MACA的改進，它采取以下措施：1)用載波偵聽來避免RTS控制分組之間的碰撞，使用正確應答ACK分組來輔助丟失分組的迅速恢復。報文的交互順序為RTS—CTS—DS—DATA—ACK。2)為防止正確應答ACK分組的碰撞，原節點發送一個數據發送(DS)分組來提醒暴露終端正確應答ACK分組即將發送。ACK和DS控制幀的使用，增加了數據傳輸的可靠性。控制幀ACK作為鏈路層確認幀，它的使用能夠增加傳輸層的吞吐率。3)采用MILD(倍數遞增線性遞減)退避算法取代BEB退避算法。雖然MILD算法不能完全消除不公平現象，但它要比BEB算法公平的多。但是它仍然不能避免控制幀的沖突。MACAW的改進實際上是以增加協議開銷為代價的，同時只是部分解決了隱藏終端和暴露終端問題。
2．3 IEEE 802．11MAC協議
IEEE802．11MAC是以CSMA／CA為基礎，具有分布式協調功能的MAC協議。該協議包括載波檢測(CS)機制、幀間間隔(IFS)和隨機退避(ra-ndom back-off)規程。站點要發送數據時，按照CSMA／CA的訪問方式接入信道，需要發送數據的終端首先監聽信道的忙閑，如果空閑則可以進行發送處理，但不是馬上發送數據幀，而是由CSMA／CA分布算法，控制各種數據幀相應的時間間隔(IFS)，只有當信道空閑的時間長度大于規定的幀間間隔IFS時，結點才會認為信道空閑，開始發送。如檢測到媒體正在傳送數據，則該節點將推遲競爭信道，一直延遲到現行的傳輸結束為止。在延遲之后，該終端要經過一個隨機退避時間重新競爭信道使用權。IEEE802．11MAC仍使用的是RTS／CTS握手機制，碰撞仍然會發生并且未解決隱藏節點和暴露節點問題，同時采用的二進制指數退避算法容易帶來信道的公平性問題。
2．4 FAMA
FAMA是一個描述一類無線信道接入協議的框架，這類協議在發送數據之前要先使用控制報文預約信道，該協議允許一次RTS—CTS成功握手連續發送多個數據報文，以此來提高信道的利用率。其中FAMA—NCS可被用于無線自組網絡，FAMA—NCS采用了載波監聽機制，并通過CTS控制報文的長度，避免了隱發送終端的影響。
3 OPNET平臺下各協議進程模型的構建
對無線網絡MAC協議的研究中，協議狀態模型的建立是仿真分析的基礎和前提，本文利用Opnet仿真建模軟件，創建出了上述各協議的狀態分析模型。
3．1 Opnet建模環境
實驗選用opnet網絡仿真建模軟件來構建上述各無線MAC協議的狀態模型。OPNET軟件是美國MIL3公司推出的專門用于對通信網進行仿真的軟件包，它可以提供大型通信網絡和分布系統的仿真建模環境，可以利用離散事件仿真技術來分析已建模系統的性能和行為。OPNET建模分為網絡模型、節點模型、進程模型三個層次。網絡模型是最高層次的模型，由網絡節點和連接網絡節點的通信鏈路組成，由該層模型可直接建立起仿真網絡的拓撲結構。結點模型由各種協議模塊和連接協議模塊的各種連接方式組成，如物理接口模塊、MAC模塊、IP模塊、路由模塊等。在結構上每個模塊對應一個或多個進程模型，而進程模型由有限狀態機來描述，并采用C語言編程實現。
3．2 各協議進程模型的構建
在Opnet中，是由具體的進程模型來實現各節點模型的功能。每個進程模型是一個由c代碼實現的有限狀態機。本文對以上4種協議進行了分析，并在此基礎構建出各自的有限狀態機模型如下：
1)MACA協議進程模型狀態分析如圖2所示。
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