——AdHoc第3讲 MAC——
《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：
?避免冲突、降低干扰（信道检测）
?节点间公平性（退避算法）
?降低协议开销（控制指令设计）
?满足不同业务的QoS要求
Ad Hoc带来的特别问题
Ad带来特
?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。
B
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：
?避免冲突、降低干扰（信道检测）
?节点间公平性（退避算法）
?降低协议开销（控制指令设计）
?满足不同业务的QoS要求
Ad Hoc带来的特别问题
Ad带来特
?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：
?避免冲突、降低干扰（信道检测）
?节点间公平性（退避算法）
?降低协议开销（控制指令设计）
?满足不同业务的QoS要求
Ad Hoc带来的特别问题
Ad带来特
?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
?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
?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 access
m-持续CSMA
?监听，发现空闲，以m概率发送
非持续CSMA
?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2008
3.3.2 CSMA/CD
第三讲 CSMA with collision detection
?发送数据，检测到冲突则停止，随机后退一定时隙
?节省时间/频带
?被局域网标准IEEE802.3LAN采纳
IEEE8023LAN
10Mbps
时隙长512bit时间
业务泊松分布Poisson
3.3.2 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 Window
SIFS
DIFS
ACK
sender data
RTS
CTS SIFS
SIFS
receiver
DIFS
NAV (RTS)
time
defer access
other stations
NAV (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 Bytes
DATA = 0~2312 Bytes
4 Address: BSSID, Destination, Source, Receiver, Transmitter
4Address:BSSID,Destination,Source,Receiver,Transmitter
3.3.2 MAC frames
第三讲
Duration (ms)=CTS+ACK+SIFS+DATA
RTS：20Bytes
CTS：14Bytes
ACK：14Bytes
DATA：34＋(0～2312) Bytes
3.3.2 CSMA/CA的信道利用率