基于UWB技术的Ad hoc网的MAC技术

 到目前为止，在UWB系统上的大部分研究与开发都是致力于解决物理层的传输问题。链路层上的媒体接入控制(MAC)的研究与开发仍然处于刚开始阶段，但是它的重要性已经开始被人们认识。由于移动无线网络节点的存储和计算能力较低，信道也是时变的，要实现灵活的高速率服务将增加MAC层协议设计的复杂度，而同一网络中不同设备的不同特性引起的网络异质性也是另一个难点，所以基于UWB技术的Ad hoc网络的MAC协议在充分发挥UWB物理层特性的同时，需要克服由高速率、低功耗等特点带来的复杂性。
  在无线移动网络中，存在隐式终端和显式终端问题。隐式终端是指位于接收者的通信范围之内，而在发送者的通信范围之外的终端；显式终端是指位于发送者的通信范围内而在接收者的通信范围之外的终端[1]。
  隐式终端和显式终端的存在严重影响了信道接入协议的性能，必须设法解决，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。许多无线网络的MAC协议都是从如何克服这两种终端问题的思想出发进行研究的。本文也将按照这个思路比较目前常用的几种MAC协议，同时分析这些协议应用于基于UWB技术的Ad hoc网络时存在的问题。

1 对等网络MAC层协议
  MAC层协议按照原理可以分成ALOHA协议、载波侦听多址接入(CSMA)协议、基于RTS/CTS机制的协议和基于忙音检测的协议。ALOHA协议[2]和CSMA协议[3]主要应用于有线网络，本文主要讨论基于RTS/CTS机制的协议和基于忙音检测的协议。

1.1 基于RTS/CTS机制的协议
  基于RTS/CTS机制的协议主要有冲突避免的多址接入(MACA)协议[4]、适合无线局域网的冲突避免的多址接入(MACAW)协议[5]和IEEE 802.11 MAC协议[6]。
  MACA协议受CSMA/CA协议启发，但没有采用载波侦听。在开始传输数据之前，发送者和接收者通过交换控制信息来获得信道的接入。如图1所示，发送者首先发送RTS消息给接收者，接收者收到RTS消息后，返回CTS消息。当发送者收到CTS消息时，发送数据包。RTS消息和CTS消息中都包含了发送者要发送的数据包的大小信息，侦听到RTS消息的其他发送者会根据这些信息估算出要等待的时间，这样就可以推迟发送直到原发送者成功收到CTS消息。同样，侦听到CTS消息的其他发送者也将推迟发送，以确保随后的数据包能被成功接收。

  MACA协议中的节点在听到RTS/CTS消息后会等待一段时间再发送数据，这可以将CSMA协议中的几个节点在瞬间同时接入信道的机率降到最小。由于MACA协议的控制消息会发生碰撞，所以不能解决所有的显式终端和隐式终端问题，但是在某些情况下使用MACA协议的无线网络性能会高于使用CSMA协议的无线网络性能。MACA协议的缺点除了不能完全排除显式终端和隐式终端外，还有它没有链路级的确认，如果数据发送失败，由物理层发起重传的初始化操作，将增加数据传输的时延。
  MACAW协议是对MACA的扩展。MACA需要3次握手，MACAW在MACA基础上增加了链路级的确认消息(ACK)。基本操作过程和MACA相似，不同处在于当接收者成功接收到数据包后，就发回ACK消息进行确认。如果发送者没有收到ACK消息，它就向接收者重发RTS消息，当接收者收到发送者(来自它刚刚发回ACK消息)的RTS消息后，它不是发送CTS消息而是发送ACK消息再次确认。如果发送者此时既没有收到CTS消息也没有收到ACK消息，就重新开始发送过程。另外，在真正发送数据前，发送者发送数据发送(DS)消息通知发送者的邻节点已经完成了一个RTS-CTS对话，接下来要发送数据了。收到这个消息的节点会推迟它的传输直到发送者成功发送完数据包并收到接收者发来的ACK消息。
  MACAW协议细化了MACA协议的很多地方。在MACA协议中，由物理层判断数据包是否丢失或者发生碰撞，这将造成很大的延迟。如果在链路层增加确认消息，收发双方会很快发现数据包的传输情况。由于MACAW协议增加了ACK消息和DS消息，网络的吞吐量下降了，但是MACAW协议优异的抗冲突性能可以弥补这个缺陷。
  IEEE 802.11 MAC协议使用了物理和虚拟载波侦听机制来进行媒体接入控制，使用RTS-CTS-DATA-ACK对话完成数据传输。对话中的每个消息都包含对话剩余的时长信息，使侦听到RTS/CTS消息的节点可以大致估计出它们要等待的时间。  CSMA机制的加入降低了RTS信息包发生碰撞的概率，同时它不需要像基于忙音检测的协议那样增加额外的带宽和收发设备。IEEE 802.11 MAC协议既没有完全解决隐式终端问题也没有完全解决显式终端问题。
  基于RTS/CTS机制的协议比较适合应用到Ad hoc网络，它们提供的握手机制可以避免部分数据包的碰撞。基于UWB技术的Ad hoc网络数据传输速率很高，现有的优秀的MAC协议都没有针对这一特性进行设计，所以不能将这些协议直接照搬到物理层采用UWB技术的网络中去。

1.2 基于忙音检测的协议
  基于忙音检测机制的协议有忙音检测多址接入(BTMA)协议和双忙音检测多址接入(DBTMA)协议[7]。
  BTMA协议适合于单跳中心控制式的网络操作，如含基站的网络。整个频带分成两个信道：消息信道和忙音信道。只要基站在消息信道中侦听到某个终端的传输，就给所有其他终端发送广播，使它们避免接入信道。终端通过侦听忙音信道上的载波，来判断消息信道的忙闲状态。
  使用忙音检测机制比使用载波和RTS/CTS对话机制更可靠，所有节点只是检测忙音信道，而完全不用关心数据信道的使用情况。BTMA协议也可用于分布控制的Ad hoc网络。BTMA协议需要把一个信道分成两个分得比较开的信道，以避免信道之间的影响并保持链路对等。在这方面，忙音检测机制不如MACA协议方便，MACA协议可以看成是单信道时分复用的“忙音检测”方式，可以更方便地保持信道的对等性。
  DBTMA协议将单一信道分成两个子信道：数据信道和控制信道。同时在控制信道上设置两个忙音：传输忙音和接收忙音，它们被分别分配到两个分离的单一频率上。发送者首先侦听控制信道中是否存在接收忙音，以确保准接收者没有接收“隐式”节点的数据。
  DBTMA方式的优点在于在信道对等的情况下可以完全排除隐式终端和显式终端。但是它需要一个额外的带宽传输忙音，而且要求每一个节点有两个收发机，一个用于数据信道，另一个用于忙音信道，因而增加了节点设备的复杂度。

2 非对等网络MAC层协议
  对等网络MAC层协议都做了这样的假设，即网络中的节点发射功率相等，也就意味着节点的传输半径相同，节点X能侦听到节点Y的信号，则节点Y肯定能侦听到节点X的信号。
  在实际系统中，上述假设往往不能成立。Ad hoc网络中各节点的功率很可能是不一样的，这些节点可以是台式计算机、手机、PDA，也可以是手提电脑等，它们的传输半径不一样。在图2所示的网络中，节点A和节点C是高功率节点，节点B是低功率的节点。B发送的CTS消息没有被C收到，则B接收数据的时候，C并不知道，而若此时C也传输数据，就会干扰B的数据接收。如果设法让低功率节点周围的节点知道它在接收数据，问题就解决了。
  Poojary对此提出了一个改进的协议[8]。即在图2中，在低功率节点B周围设一个节点D，它能够把收到的CTS消息转发出去，这样节点C就可以听到节点B的CTS消息。为了不增加过多的网络开销，广播消息不能被无限地传播下去。只要把低功率节点的CTS消息扩大到该网络中最大功率节点的功率范围就行了。

由于此协议没有限制广播CTS消息的节点类型，所以低功率节点周围的所有节点都会转发CTS消息，严重降低了网络的吞吐量，影响了整个网络的性能。例如在图3中，当节点C和节点D都转发节点B的CTS消息时，就会在节点E发生碰撞。所以Poojary的方法不能有效地减少低功率节点的隐式终端数量。
Fujii对Poojary的协议进行了进一步的改进[9]。他针对上述问题提出了3个改进的方法：

(1)只用高功率节点转发低功率节点的CTS消息。

(2)要发送FCTS消息的节点先检测信道，如果信道不忙，节点就可以传输FCTS消息。这样可以避免FCTS消息的碰撞。

(3)和发送FCTS消息类似，收到RTS消息的节点中，只有高功率节点发送FRTS消息。
  经过上述处理，协议减少了FRTS和FCTS控制消息的数量，所以不会降低网络的吞吐量，同时还可以减少控制消息的冲突。
这种利用低功率节点周围的高功率节点转发低功率节点发出的控制信息的思想可以应用到基于UWB技术的Ad hoc网络的MAC协议中去。因为现实生活中，Ad hoc网络大部分是非对等网络。有效保证非对等网络中的低功率节点顺利发送数据，可以有效地提高网络的吞吐量。

3 结束语
  本文介绍了几种常见的MAC层协议，包括它们的工作原理、优点和缺点。正如文中描述的那样，在节点功率对等的条件下，基于RTS/CTS机制的协议都只是部分地解决隐式终端和显式终端的问题。基于忙音检测的协议，除了DBTMA协议，也只是排除了隐式终端。虽然DBTMA协议可以解决隐式终端和显式终端问题，但是要花费额外的带宽，而且每个节点都要增加忙音的发送和侦听电路，使节点设备变得复杂。实际应用的网络中，通常包括高功率节点和低功率节点，传统MAC层协议应用时很难达到理想性能，所以人们正在研究应用于实际网络中的包含高功率节点和低功率节点的MAC层协议。
  研究基于UWB技术的Ad hoc网络MAC层协议时，可以借鉴上述协议，扬长避短。当前，IEEE 802.15.3工作组正在进行高速率无线个域网物理层和媒体接入控制子层的标准化工作，而IEEE 802.15.3a工作组则正在考虑数据速率更高的物理层替代解决方案，超宽带技术正是其考虑的优选物理层解决方案之一。目前WiMedia联盟正力图开发一种WPAN标准，用来实现各种高速率多媒体设备的互连，其物理层优选方案之一是超宽带技术。与此同时，欧洲各国的研究机构也启动了该领域的一系列研究项目，例如，由欧洲IST资助、来自5个国家的7个厂商和3所大学参加的旨在为基于超宽带技术的Ad hoc网络的研究提供通用平台的UCAN项目已于2002年初启动。2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)通过的UWB技术在民用领域的初步使用规范，成为超宽带技术真正走向商业化的一个重要里程碑。2003年2月FCC对该规范进行了确认，并进一步放宽了在商用领域的限制，为超宽带技术的商用化铺平了道路。
  当今信息社会的发展需要通信设备的多样性，包括具有IP能力的家庭应用、个人计算机、传感器以及它们之间的相互连接。未来的用户信息设备将具有在多个异种网络和服务环境里漫游的能力，可以在不同频率带宽中工作，以及可以使用适当的空中接口优化无线资源的利用。MAC的关键问题是如何协调多个用户共用一个信道实现高效可靠传输，以及实现多址无线技术(包括蜂窝网、个域网、局域网、固定无线网、Ad hoc无线网络等)的服务和控制层面上的无缝融合和合作。为了使用UWB技术提供具有QoS支持的多媒体服务，网络结构、移动管理协议和资源分配算法都需要被更深入地研究。

4 参考文献
[1] 王海涛,郑少仁,宋丽华.移动Ad hoc网络中的信道接入协议[J].数据通信,2002,1(1).
[2] Abramson N. The ALOHA System—Another Alternative for Computer Communications[C]. Proceedings of the Fall Joint Computer Conference,1970:281—285.
[3] Tobagi F, Kleinrock L. Packet Switching in Radio Channels：Part II—The Hidden Terminal Problem in Carrier Sense Multiple-Access and the Busy-Tone Solution[J]. IEEE Trans. on Commun, 1975,23(12).
[4] Phil Karn. MACA - A New Channel Access Method for Packet Radio[C]. ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference, 1990:134—140.
[5] Bharghavan V, Demers A, Shenker S. MACAW: A Media Access Protocol for Wireless LAN’s[C]. Proc SIGCOMM’94, 1994,9:212—225.
[6] IEEE 802.11. Wireless LAN MAC and Physical Layer Specifications[S]. 1997,6.
[7] Zygmunt J H, Jing D. Dual Busy Tone Multiple Access (DBTMA)—A Multiple Access Control Scheme for Ad Hoc Networks[J]. IEEE Trans on Commun, 2002,50(6):975—985.
[8] Neeraj P, Srikanth V K,Son D. Medium Access Control in a Network of Ad Hoc Mobile Nodes with Heterogeneous Power Capabilities[C]. Proceedings of IEEE ICC´2001, 2001:872—877.
[9] Takahito F, Michito T, Masaki B. An Efficient MAC Protocol in Wireless Ad-Hoc Networks with Heterogeneous Power Nodes[C]. 2002 International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications, Hawaii, 2002,10.

收稿日期：2004-03-03

[摘要] 媒体接入控制技术的核心问题是如何协调多个用户共用一个信道实现高效可靠传输，即多址接入问题。文章在介绍常用MAC层协议的基础上，针对移动终端的发射功率各异、传输半径不同的情况，进行了非对等网络MAC层协议分析，剖析了协议应用于基于UWB技术的Ad hoc网络时存在的隐式终端、显式终端问题，并给出了相应的解决问题的方法。

[关键词] 媒体访问控制；隐式终端；显式终端；超宽带

[Abstract] The medium access control Technology focuses on multi-address access, that is, how to coordinate users sharing a common channel to achieve efficient and reliable transmission. In view of the situation that diversified mobile terminals have different transmission powers and radii, the paper analyzes two kinds of advanced MAC protocols and goes deeply into the problems of hidden terminals and exposed terminals when the protocols are applied on the UWB-based Ad hoc network. Finally relevant solutions are provided.

[Keywords] MAC; hidden terminal; exposed terminal; UWB