无线自组网竞争类MAC协议分析及研究

2 几种典型的竞争类MAC协议
为了避免隐藏终端和暴露终端问题以及信道使用公平性等问题，在无线自组网领域已提出了很多较为高效的MAC协议，典型的如：MACA，MACAW，802．11MAC，FAMA协议。本文将对以上几种协议进行协议分析及比较。
2．1 多址访问与碰撞回避(MACA)协议
MACA协议使用控制分组握手诊断来减轻隐藏终端干扰和使暴露终端个数最少。MACA协议采用两种固定长度的短分组，即请求发送(RTS)和允许发送(CTS)。节点A发送数据给节点B时，首先向B发送一个RTS分组，RTS分组包括发送数据的长度。节点B收到RTS分组，并且当前不在退避中，则立即应答CTS分组，CTS分组也包含发送数据的长度。节点A收到CTS分组后，立即发送数据。旁听到RTS分组的任何节点则推迟其发送，直到有关CTS分组发送完为止。旁听到CTS分组的任何节点推迟其发送，推迟时间长度等于预定数据发送所需时间。如果发送节点没有收到相应的CTS帧，它将认为由于冲突RTS帧已经遭到破坏，随后执行一个二进制指数退避算法BEB，延迟重发RTS帧。MACA协议的优点是提高了信道的利用率，降低了数据帧发生冲突的概率，通过采用RTS／CTS机制，协议解决了隐藏终端问题，但暴露终端问题并没有解决。而且MACA协议不能避免控制帧之间的冲突，同时使用BEB退避算法将会引发公平性问题。
2．2 MACAW
MACAW是对MACA的改进，它采取以下措施：1)用载波侦听来避免RTS控制分组之间的碰撞，使用正确应答ACK分组来辅助丢失分组的迅速恢复。报文的交互顺序为RTS—CTS—DS—DATA—ACK。2)为防止正确应答ACK分组的碰撞，原节点发送一个数据发送(DS)分组来提醒暴露终端正确应答ACK分组即将发送。ACK和DS控制帧的使用，增加了数据传输的可靠性。控制帧ACK作为链路层确认帧，它的使用能够增加传输层的吞吐率。3)采用MILD(倍数递增线性递减)退避算法取代BEB退避算法。虽然MILD算法不能完全消除不公平现象，但它要比BEB算法公平的多。但是它仍然不能避免控制帧的冲突。MACAW的改进实际上是以增加协议开销为代价的，同时只是部分解决了隐藏终端和暴露终端问题。
2．3 IEEE 802．11MAC协议
IEEE802．11MAC是以CSMA／CA为基础，具有分布式协调功能的MAC协议。该协议包括载波检测(CS)机制、帧间间隔(IFS)和随机退避(ra-ndom back-off)规程。站点要发送数据时，按照CSMA／CA的访问方式接入信道，需要发送数据的终端首先监听信道的忙闲，如果空闲则可以进行发送处理，但不是马上发送数据帧，而是由CSMA／CA分布算法，控制各种数据帧相应的时间间隔(IFS)，只有当信道空闲的时间长度大于规定的帧间间隔IFS时，结点才会认为信道空闲，开始发送。如检测到媒体正在传送数据，则该节点将推迟竞争信道，一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后，该终端要经过一个随机退避时间重新竞争信道使用权。IEEE802．11MAC仍使用的是RTS／CTS握手机制，碰撞仍然会发生并且未解决隐藏节点和暴露节点问题，同时采用的二进制指数退避算法容易带来信道的公平性问题。
2．4 FAMA
FAMA是一个描述一类无线信道接入协议的框架，这类协议在发送数据之前要先使用控制报文预约信道，该协议允许一次RTS—CTS成功握手连续发送多个数据报文，以此来提高信道的利用率。其中FAMA—NCS可被用于无线自组网络，FAMA—NCS采用了载波监听机制，并通过CTS控制报文的长度，避免了隐发送终端的影响。

3 OPNET平台下各协议进程模型的构建
对无线网络MAC协议的研究中，协议状态模型的建立是仿真分析的基础和前提，本文利用Opnet仿真建模软件，创建出了上述各协议的状态分析模型。
3．1 Opnet建模环境
实验选用opnet网络仿真建模软件来构建上述各无线MAC协议的状态模型。OPNET软件是美国MIL3公司推出的专门用于对通信网进行仿真的软件包，它可以提供大型通信网络和分布系统的仿真建模环境，可以利用离散事件仿真技术来分析已建模系统的性能和行为。OPNET建模分为网络模型、节点模型、进程模型三个层次。网络模型是最高层次的模型，由网络节点和连接网络节点的通信链路组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。结点模型由各种协议模块和连接协议模块的各种连接方式组成，如物理接口模块、MAC模块、IP模块、路由模块等。在结构上每个模块对应一个或多个进程模型，而进程模型由有限状态机来描述，并采用C语言编程实现。
3．2 各协议进程模型的构建
在Opnet中，是由具体的进程模型来实现各节点模型的功能。每个进程模型是一个由c代码实现的有限状态机。本文对以上4种协议进行了分析，并在此基础构建出各自的有限状态机模型如下：
1)MACA协议进程模型状态分析如图2所示。