——AdHoc第3讲 MAC——

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《无线自组织网络》数据链路层协议设计提纲3.1 MAC协议设计目标第三讲 Media Access Control是影响网络吞吐量、时延、公平性的关键因素。

公平性关键素目标:多个用户高效、合理的共享有限的无线信道资源。

3.1 MAC协议设计的基本问题第三讲 MAC协议设计中的基本问题:¾避免冲突、降低干扰(信道检测)¾节点间公平性(退避算法)¾降低协议开销(控制指令设计)¾满足不同业务的QoS要求Ad Hoc带来的特别问题Ad带来特¾无线多跳:隐藏终端问题、暴露终端问题、资源空间利用率问题3.1.1 隐藏终端第三讲当节点A向节点B发送数据时,由于阻挡等原因,节点C无法监听到A发出的数据信号,因此节点C认为信道空闲并向节点B发出数据,来自A和C的数据信号在节点处冲突,造成接收失败。

B3.1 MAC协议设计的基本问题第三讲 MAC协议设计中的基本问题:¾避免冲突、降低干扰(信道检测)¾节点间公平性(退避算法)¾降低协议开销(控制指令设计)¾满足不同业务的QoS要求Ad Hoc带来的特别问题Ad带来特¾无线多跳:隐藏终端问题、暴露终端问题、资源空间利用率问题3.1.2 暴露终端第三讲3.1 MAC协议设计的基本问题第三讲 MAC协议设计中的基本问题:¾避免冲突、降低干扰(信道检测)¾节点间公平性(退避算法)¾降低协议开销(控制指令设计)¾满足不同业务的QoS要求Ad Hoc带来的特别问题Ad带来特¾无线多跳:隐藏终端问题、暴露终端问题、资源空间利用率问题¾无中心控制设备:无法使用传统的(最优的)集中控制式的分配策略¾拓扑变化:信道冲突概率变大;业务负荷分布不确定,可能变化剧烈3.1 Ad hoc 中的MAC评价第三讲 算法分布性Q S是否提供QoS保证平均接入延时带宽利用率算法公平性是否解决隐藏/暴露节点问题算法控制信息开销算法对大规模网络的扩展适应性是否支持自适应功率控制、码率控制、智能天线、时间同步(针对资源预留机制)3.2 Ad hoc MAC 分类第三讲 信道占用机制:竞争、预留、排队;子信道划分:单信道、多信道;子信道划分单信道多信道信令/数据是否分离:共用信道、分离信道信道接入流程的发起:发端发起、收端发起节点同步:同步、异步3.3 典型MAC协议及算法3.3.1 ALOHA第三讲 基于竞争的单信道策略ALOHA:节点直接发送信息,发生冲突后各个节点直接发送信息发生冲突后各个节点退避随机独立的时间后再发送。

最高信道利用率为18.4%。

184%Slotted-ALOHA:将信道划分为等长的时隙,数据分组长度等于时隙长度,信道利用率提高一倍。

3.3.2 CSMA第三讲 Carrier sense multiple accessm-持续CSMA¾监听,发现空闲,以m概率发送非持续CSMA¾监听,发现忙,随机等待后再监听清华大学电子工程系钟晓峰20083.3.2 CSMA/CD第三讲 CSMA with collision detection¾发送数据,检测到冲突则停止,随机后退一定时隙¾节省时间/频带¾被局域网标准IEEE802.3LAN采纳IEEE8023LAN10Mbps时隙长512bit时间业务泊松分布Poisson3.3.2 CSMA/CA第三讲 CSMA with collision avoid邻节需 通过RTS/CTS接入信道,邻居节点获知本次传输所需时间NAV,在NAV时间内保持静默,直到传输完毕; ACK对数据传输进行确认,以确保传输有效性;RTS/CTS包长较短,碰撞开销较Data小3.3.2 IEEE802.11-DCF第三讲Contention WindowSIFSDIFSACKsender dataRTSCTS SIFSSIFSreceiverDIFSNAV (RTS)timedefer accessother stationsNAV (RTS)NAV (CTS)RTS当节点监听到信道处于空闲状态时,首先保持静默DIFS 时间(系统设定的固定值),同时生成一个随机竞争窗时间(Contention Window--CW ),在这个竞争窗时间内继续监听信道;有在S C 时内信道持续持空状态节点才发S 求接信道Contention Window只有当在DIFS+CW 时间内信道持续保持空闲状态,节点才发出RTS 要求接入信道; 每次竞争中某个节点的CW 值是根据一定的规则在一定的范围内随机生成的,以降低信道竞争冲突概率;同时的生成算法还在网络拥塞控制接入公平性等方面进行了优化同时,CW 的生成算法还在网络拥塞控制、接入公平性等方面进行了优化3.3.2 802.11 MAC frame第三讲MAC header + FCS = 34 BytesDATA = 0~2312 Bytes4 Address: BSSID, Destination, Source, Receiver, Transmitter4Address:BSSID,Destination,Source,Receiver,Transmitter3.3.2 MAC frames第三讲Duration (ms)=CTS+ACK+SIFS+DATARTS:20BytesCTS:14BytesACK:14BytesDATA:34+(0~2312) Bytes3.3.2 CSMA/CA的信道利用率3.3.2 11b/11g实际数据速率计算第三讲3.3.3 扩展的CSMA/CA第三讲 服务质量保证的CSMA/CA机制——IEEE802.11e将用户业务分为多个等级,每类等级业务的固定DIFS时间不同(这里用AIFS表示),高等级业务的AIFS时间短,低等级业务的AIFS时间长,因此高等级业务具有更高的概率接入信道。

第三讲数据包长度自适应,阈值Lr:RTS-CTS-DATA-ACK;DATA-ACK仿真条件¾节点数20¾网络范围500米¾节点传输半径500m500¾节点位置随机分布¾CBR/UDP、概率1生成业务第三讲第三讲第三讲第三讲第三讲 阈值Lr的取值第三讲第三讲第三讲第三讲DATA 长度较短时,RTS/CTS 握手开销较大:¾旁路会话机制,直接发送/退避。

暴露终端无法准确掌握竞争期开始时间(收不)到CTS/ACK ):¾RTS-CTS-DS -DATA-ACK ,B1收到很多RTS ,但B2通过RTS/CTS 获取信道后,以RTS √ CTS?没有CTS/ACK ,什么时候开始监听?A1B1B2A2将发送DS 通知暴露节点B1,以便B1静默并及时竞争信道。

第三讲暴露终端收到很多RTS 又无法回复时,则在下一竞争期内由暴露终端发起收到一竞争期内,由暴露终端发起RRTS ,收到RRTS 的对应节点直接发送RTS ,提高节点竞争效率RTS CTS DS DATA ACK ¾RRTS -RTS-CTS-DS-DATA-ACK ,A1A2/B2B2/A2通信进行中,B1收到很多而无法回复当进入竞听不到的通信,发出很多RTSA1B1B2A2A1的RTS 而无法回复,当进入竞争期时,由B1发起RRTS ,A1直接发送RTS ,提高竞争效率。

B1无法回复3.3 典型MAC协议及算法3.3.7 DBTMA第三讲 Dual Busy Tone Multiple Access3.3 典型MAC协议及算法3.3.8 MARCH第三讲 Media Access with reduced handshakeMARCH 减少了多跳传输中的RTS开销MARCH用第N跳中的邻居节点的CTS,代替第N+1跳中的RTSCTS需要扩展包含路由信息,以避免干扰。

第三讲第三讲3.3 典型MAC协议及算法3.3.9 CATA (同步预留)第三讲 Collision Avoidance Time Allocation ProtocolSlot1Slot2Slot3……Slot S C2C3C4DataC1DNode S需要发送信息,则在C2发送RTS;接收节点在C3回应CTS,RTS/CTS+C4空闲,则连接建立成功,并重复占用各帧中的这一时隙进行数据传输;已建立连接,则收端在发送();C1SR (Slot Reservation)已建立连接,则发端在C4发送NTS (Not-to-send)如果其他节点A在C2收到RTS或者监听C2为空闲,则在C3/C4保持静默;否则在C4发送NTS3.3.10 RTMAC (非同步预留机制)第三讲 Real Time Medium Access Control Protocol 两种业务:Real time、Best effortReal time Best effortBest effort:RTS-CTS-DATA-ACKReal time¾ResvRTS-ResvCTS-ResvACK,RealtimeDATA-RealtimeACK…¾½*DIFS¾链路失效:ResvRelRTS-ResvRelCTS局部时间校准3.3 典型MAC协议及算法3.3.11 DLPS (排队机制)3.3.12 其他MAC策略第三讲 支持定向天线的MAC策略支持多信道的MAC策略支持功率控制的MAC策略支持码率自适应的MAC策略—RBAR3.3.12 RBAR第三讲Receiver-Based Autorate Protocol根据信道状态调整传输码率提高系统吞吐根据信道状态调整传输码率,提高系统吞吐¾信道测量/估计¾码率调整RTSDATACTSACK确定t 同时在RTS CTS ACKDATA 收端测量SNR ,确定rate 。

同时在CTS/DATA 头携带码率信息,通知其他节点退避的NAV 时间。

小结。