摘要：無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)多以突發(fā)業(yè)務(wù)為主，因此信道資源分配適用于采用競(jìng)爭(zhēng)方式。本文在對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)各種典型競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議進(jìn)行分析及探討的基礎(chǔ)上，采用Opnet仿真建模環(huán)境，創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)分析模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各協(xié)議的性能優(yōu)劣進(jìn)行了比較總結(jié)。論文對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)各協(xié)議仿真建模研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實(shí)際參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無(wú)線自組網(wǎng)；MAC；競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議；OPNET

無(wú)線自組網(wǎng)是一種沒有任何中心實(shí)體的，由一組帶有無(wú)線通信收發(fā)裝置的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成的自治性網(wǎng)絡(luò)。依靠節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作可在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)以及各種移動(dòng)、復(fù)雜多變的無(wú)線環(huán)境中自行成網(wǎng)，并借助多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)無(wú)線設(shè)備的有限傳輸距離，從而拓寬網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍，為用戶提供各種服務(wù)、傳輸各種業(yè)務(wù)。在現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)上，如數(shù)字化與自動(dòng)化戰(zhàn)場(chǎng)、各種軍事車輛、士兵之間的協(xié)同通信、發(fā)生地震等自然災(zāi)害后、搜救與營(yíng)救以及移動(dòng)辦公、虛擬教室、傳感器網(wǎng)絡(luò)等通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其中MAC協(xié)議是無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)，控制著節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線媒體的占用，對(duì)自組織網(wǎng)的整體性能起著決定性的作用。從自組織網(wǎng)出現(xiàn)至今，MAC協(xié)議設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)。目前，移動(dòng)自組織網(wǎng)采用的信道訪問(wèn)控制協(xié)議大致包括3類：競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議、分配協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議(混合類協(xié)議)。這3種協(xié)議的區(qū)別在于各自的信道接入策略不同。由于MAC協(xié)議的研究主要集中在基于競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制，本文著重針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議中幾種較常用的典型MAC協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，并在OPNET仿真建模軟件中創(chuàng)建出各協(xié)議的狀態(tài)模型，這對(duì)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)仿真研究及選擇高效適用的MAC技術(shù)方案具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的概念及特點(diǎn)
競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議是使用直接競(jìng)爭(zhēng)來(lái)決定信道訪問(wèn)權(quán)，并且通過(guò)隨機(jī)重傳來(lái)解決碰撞問(wèn)題。ALOHA協(xié)議和載波偵聽多址訪問(wèn)CSMA協(xié)議就是競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的典型例子。除了時(shí)隙化的ALOHA協(xié)議，大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議都使用異步通信模式。這種協(xié)議在低傳輸負(fù)荷下運(yùn)行良好，如碰撞次數(shù)少，信道利用率高、分組傳輸時(shí)延小。隨著傳輸負(fù)荷的增大，往往使協(xié)議性能下降、碰撞次數(shù)增多。在傳輸負(fù)荷很重的時(shí)候，競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議可能隨著信道利用率下降而變得不穩(wěn)定。這就可能導(dǎo)致分組傳輸時(shí)延呈指數(shù)形式增大，以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的崩潰。這就對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。當(dāng)前無(wú)線自組網(wǎng)中MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨如下幾個(gè)問(wèn)題。
1．1 隱藏終端和暴露終端
無(wú)線自組網(wǎng)的無(wú)線信道是一個(gè)共享的廣播信道，但它不是一跳共享的，而是多跳的共享信道。此外，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，因此報(bào)文沖突與節(jié)點(diǎn)所處位置有關(guān)，結(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延不可忽略，帶來(lái)隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題。
1．1．1 隱藏終端
隱終端問(wèn)題指在接收結(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送結(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)。隱藏終端因聽不到發(fā)送結(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能向同樣的接收結(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，造成報(bào)文在接收結(jié)點(diǎn)處沖突(如圖1(a))沖突后發(fā)送結(jié)點(diǎn)要重傳沖突的報(bào)文，從而降低了信道利用率。圖1(a)中當(dāng)結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送報(bào)文時(shí)，結(jié)點(diǎn)C處在結(jié)點(diǎn)A的覆蓋范圍之外而處在B的覆蓋范圍之內(nèi)，因而成了隱藏終端。

1．1．2 暴露終端
暴露終端是指在發(fā)送結(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之內(nèi)而在接收結(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)，暴露終端因聽到發(fā)送結(jié)點(diǎn)的發(fā)送而延遲發(fā)送(如圖1(b)所示)，但因?yàn)樗诮邮战Y(jié)點(diǎn)的通信范圍之外，它的發(fā)送實(shí)際上并不會(huì)造成沖突。
因此必須想辦法避免這兩種終端帶來(lái)的沖突，盡可能提高吞吐率，減小時(shí)延。
1．2 信道使用的公平性
在無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是設(shè)計(jì)公平高效的MAC訪問(wèn)協(xié)議。所謂公平，是指競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線信道的節(jié)點(diǎn)能公平共享無(wú)線信道的帶寬；所謂高效，是要盡量選用合適的退避算法，保證競(jìng)爭(zhēng)用戶使用信道的公平性。由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)共享信道，不可避免要采取退避手段解決競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。所采用的退避算法既要盡量降低各節(jié)點(diǎn)間的沖突概率，又要避免因退避時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而降低信道利用率，同時(shí)還要保證各節(jié)點(diǎn)能公平地訪問(wèn)信道。
1．3 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響
由于無(wú)線自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能夠自由移動(dòng)，這就造成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷變化，這也會(huì)對(duì)Adhoc網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制協(xié)議帶來(lái)一定的影響。當(dāng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)正在通信時(shí)，因?yàn)橐苿?dòng)而進(jìn)入接收節(jié)點(diǎn)通信范圍的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)送(或正在發(fā)送)數(shù)據(jù)而引起分組沖突，這被稱為入侵終端問(wèn)題。實(shí)際上結(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)信道接入?yún)f(xié)議的影響是較小的。