ad-hoc第二章-ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議

1、無線自組織網(wǎng)絡(luò)無線自組織網(wǎng)絡(luò)第二章第二章 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)第三講第三講第二講第二講2提綱提綱pMAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)pMAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題pAd hoc 網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類p典型MAC協(xié)議分析 ALOHA CSMA/CA、IEEE 802.11 IEEE 802.11e、RBAR TDMA、TSMA、FPRP ETUTM 第三講第三講第二講第二講3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)p媒質(zhì)訪問接入控制 (Media Access Control，MAC)協(xié)議決定了共享無線信道的使用方式，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無線通信資源并控制節(jié)點(diǎn)物理層，因而直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，是決定網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延

2、、公平性的關(guān)鍵因素。p目標(biāo)：多個用戶高效、合理的共享有限的無線信道資源。應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)物理層解決相鄰節(jié)點(diǎn)間(點(diǎn)到點(diǎn))的信道接入問題第三講第三講第二講第二講4MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題pMAC協(xié)議設(shè)計(jì)中的基本問題： 避免沖突、降低干擾（信道檢測） 節(jié)點(diǎn)間公平性（退避算法） 降低協(xié)議開銷（控制指令設(shè)計(jì)） 滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求pAd hoc帶來的特別問題 無中心控制設(shè)備：無法使用傳統(tǒng)的（最優(yōu)的）集中控制式的分配策略 拓?fù)渥兓盒诺罌_突概率變大；業(yè)務(wù)負(fù)荷分布不確定，可能變化劇烈 無線多跳：隱藏終端問題、暴露終端問題、無線鏈路 問題、捕獲效應(yīng)問題、傳播時延問題

3、、通信方式問題第三講第三講第二講第二講p無中心控制設(shè)備：無法使用傳統(tǒng)的（最優(yōu)的）集中控制式的分配策略5MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題 中心控制：以蜂窩網(wǎng)為例，從基站到節(jié)點(diǎn)的通信在下行鏈路上進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)到基站的通信在上行鏈路上進(jìn)行。只有基站能夠訪問下行鏈路，而各個節(jié)點(diǎn)共享上行鏈路。多數(shù)情況下，至少有一條上行鏈路被專門分配用來收集來自節(jié)點(diǎn)的控制信息。基站根據(jù)從控制信道上接收到的服務(wù)請求決定允許哪些節(jié)點(diǎn)訪問上行鏈路。節(jié)點(diǎn)簡單的遵循基站的指令。 智能集中在基站導(dǎo)致極簡單的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)既緊湊、又能量高效。集中控制簡化了服務(wù)質(zhì)量QoS支持和帶寬管理?；灸軌蚋鶕?jù)服務(wù)需求適當(dāng)?shù)膬?yōu)先安排信道訪問。 單點(diǎn)

4、失?。簺]有基站等于沒有服務(wù)。第三講第三講第二講第二講6p拓?fù)渥兓盒诺罌_突概率變大；業(yè)務(wù)負(fù)荷分布不確定，可能變化劇烈MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓晒?jié)點(diǎn)移動引起，且節(jié)點(diǎn)的移動具有不確定性，節(jié)點(diǎn)隨時可能移入或移出鄰居節(jié)點(diǎn)的通信范圍，導(dǎo)致信道沖突概率變大。 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷分布不確定，網(wǎng)絡(luò)沖突情況不同。 節(jié)點(diǎn)移動速度增大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯鼮閯×摇５谌v第三講第二講第二講7p無線多跳環(huán)境： 隱藏終端 暴露終端 無線鏈路的脆弱性 捕獲效應(yīng) 信號傳播時延 通信方式MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題第三講第三講第二講第二講8隱藏終端隱藏終端 隱藏終端：處在發(fā)送節(jié)點(diǎn)

5、的無線電波覆蓋范圍之外、接收節(jié)點(diǎn)的無線電波覆蓋范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)C無法監(jiān)聽到A發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，因此節(jié)點(diǎn)C認(rèn)為信道空閑并向節(jié)點(diǎn)B發(fā)出數(shù)據(jù)，來自A和C的數(shù)據(jù)信號在節(jié)點(diǎn)B處沖突，造成接收失敗。第三講第三講第二講第二講9暴露終端暴露終端 暴露終端：處在接收節(jié)點(diǎn)的無線電波覆蓋范圍之外、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的無線電波覆蓋范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)B同時可以監(jiān)聽到C發(fā)出的數(shù)據(jù)，從而認(rèn)為信道忙、處于“避讓”狀態(tài)，進(jìn)而B無法向A發(fā)出數(shù)據(jù)，造成信道浪費(fèi)。第三講第三講第二講第二講10無線鏈路的脆弱性無線鏈路的脆弱性 無線電波的傳播易受外部干擾源的干擾。 無線鏈路的不對稱的

6、信道質(zhì)量。 噪聲、干擾、自由空間損傷、陰影衰落、多徑衰落等導(dǎo)致高比特誤碼率。 可以采用前向差錯糾錯（FEC）、自動重傳請求（ARQ）、信道編碼、比特交織、頻率/空間分集，以及均衡等技術(shù)提高發(fā)送信息通過無線鏈路的生存能力，但這些方法往往導(dǎo)致帶寬利用率較低。 用提高發(fā)送功率處理不需要的無線傳播特性，可能會增大干擾范圍，導(dǎo)致空間復(fù)用的減弱。第三講第三講第二講第二講11 節(jié)點(diǎn)在同時出現(xiàn)多個傳輸信號的情況下也仍然能夠完整、正確地接收信號。 捕獲效應(yīng)能夠改善信道的利用率，但是卻可能造成移動節(jié)點(diǎn)之間不公平地使用信道。捕獲效應(yīng)捕獲效應(yīng)第三講第三講第二講第二講12 節(jié)點(diǎn)通信距離較遠(yuǎn)時，信號傳播時延較大。 依靠載

7、波檢測的協(xié)議對傳播時延敏感，由于大的傳播時延，當(dāng)信號沒有及時到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的的時候，則接收節(jié)點(diǎn)最初可能檢測不到活躍的傳輸信號。這種情況下可能發(fā)生碰撞，損害系統(tǒng)性能。 使用同步通信模式的無線通信系統(tǒng)，必須加寬每個時隙寬度來容納傳播時延。這種開銷的增加，減少了信息傳輸?shù)挠行挕Ｐ盘杺鞑r延信號傳播時延第三講第三講第二講第二講13 硬件約束：大多數(shù)無線收發(fā)信機(jī)在單個頻率上進(jìn)行半雙工通信。 半雙工通信必須考慮發(fā)送方式和接收方式之間切換所需的時間。 對于高速無線通信系統(tǒng)在最大容量條件下工作時，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間增加的開銷非常大。使用握手協(xié)議在面對這種情況時顯得尤其脆弱。 例如，10us的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間，10Mb

8、ps的傳輸速率，則一次收發(fā)轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致信道容量丟失100bits。通信方式通信方式第三講第三講第二講第二講14Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議評價協(xié)議評價p算法分布性p是否提供QoS保證p平均接入延時p帶寬利用率p算法公平性p是否解決隱藏/暴露終端問題p算法控制信息開銷p算法對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展適應(yīng)性p是否支持自適應(yīng)功率控制、碼率控制、智能天線、時間同步 (針對資源預(yù)留機(jī)制)第三講第三講第二講第二講15Ad hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類協(xié)議分類p信道劃分：單信道、多信道；p信道接入流程的發(fā)起：發(fā)端發(fā)起、收端發(fā)起；p信道占用機(jī)制： 競爭機(jī)制（異步） 分配機(jī)制（同步） 混合機(jī)制（競爭和分配相結(jié)

9、合）第三講第三講第二講第二講16典型典型MAC協(xié)議及算法協(xié)議及算法p競爭機(jī)制使用直接競爭決定信道訪問權(quán)，通過隨機(jī)重傳來解決碰撞問題。ALOHA、CSMA、CSMA/CA、MACA、MACAW、IEEE 802.11、IEEE802.11e p分配機(jī)制使用同步通信模式，采用某種傳輸時間安排算法將時隙映射為節(jié)點(diǎn)。TDMA、TSMA、FPRPp混合機(jī)制分配和競爭相結(jié)合。HTDMA、ETUTM、AGENT第三講第三講第二講第二講17競爭協(xié)議競爭協(xié)議 ALOHApALOHA： 基于競爭的單信道策略 節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送信息，發(fā)生沖突后各個節(jié)點(diǎn)退避隨機(jī)獨(dú)立的時間后再發(fā)送。pSlotted-ALOHA： 將信道劃分

10、為等長的時隙，數(shù)據(jù)分組長度等于時隙長度，信道利用率提高一倍。第三講第三講第二講第二講18p載波檢測多址接入CSMA（ Carrier sense multiple access） 基于載波監(jiān)聽，接入無線信道 持續(xù)CSMA 持續(xù)監(jiān)聽，發(fā)現(xiàn)空閑，立即發(fā)送 非持續(xù)CSMA 監(jiān)聽，發(fā)現(xiàn)忙，隨機(jī)等待后再監(jiān)聽 p-持續(xù)CSMA 監(jiān)聽，發(fā)現(xiàn)空閑， 以p概率發(fā)送競爭協(xié)議競爭協(xié)議CSMA第三講第三講第二講第二講19pCSMA/CD: CSMA with collision detection 邊發(fā)送，邊檢測信道：發(fā)送數(shù)據(jù)，檢測到?jīng)_突則停止，隨機(jī)后退一定時隙 節(jié)省時間/頻帶 被局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3LAN采

11、納10Mbps時隙長512bit時間業(yè)務(wù)泊松分布Poisson競爭協(xié)議競爭協(xié)議CSMA/CD第三講第三講第二講第二講20pCSMA/CA: CSMA with collision avoid 通過RTS/CTS接入信道，鄰居節(jié)點(diǎn)獲知本次傳輸所需時間NAV，在NAV時間內(nèi)保持靜默，直到傳輸完畢； ACK對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行確認(rèn)，以確保傳輸有效性； RTS/CTS/DATA/ACK四向握手，RTS/CTS包長較短，碰撞開銷較Data小競爭協(xié)議競爭協(xié)議CSMA/CA第三講第三講第二講第二講pIEEE 802.11協(xié)議的誕生 1990年，IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)化委員會成立了IEEE 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

12、工作組。 1997年，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這是無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)第一個在國際上被認(rèn)可的協(xié)議。 該標(biāo)準(zhǔn)包括了物理層及媒質(zhì)訪問控制（MAC）層的規(guī)范。物理層規(guī)約包括直序擴(kuò)頻、跳頻以及紅外三種，其中直序擴(kuò)頻和跳頻采用2.4GHz頻段。 傳輸速率最高只能達(dá)到2Mbps，因而主要被用于數(shù)據(jù)的存取。21競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講pIEEE 802.11協(xié)議的演化 1999年，IEEE又提出了802.11b協(xié)議，用來對802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率的基礎(chǔ)上，又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個新網(wǎng)絡(luò)

13、傳輸速率。 此后，802.11系列協(xié)議不斷演化，網(wǎng)絡(luò)吞吐率不斷提高，2009年正式批準(zhǔn)的802.11n可提供300Mbps的傳輸速率，從而使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平。22競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講pIEEE 802.11協(xié)議的演化 IEEE 802.11a：規(guī)定無線局域網(wǎng)工作頻段在5GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到54 Mbps/72 Mbps，傳輸距離控制在10100米。 IEEE 802.11b：又稱Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定無線局域網(wǎng)工作頻段在2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到11 Mbps。由于價格低廉，802.11b產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地投入市場。 IEEE

14、 802.11e：支持多媒體傳輸，從而提供所有無線局域網(wǎng)無線廣播接口的服務(wù)質(zhì)量保證QoS機(jī)制。 IEEE 802.11f：定義訪問節(jié)點(diǎn)之間的通信，支持IEEE 802.11的接入點(diǎn)互操作協(xié)議（IAPP） IEEE 802.11h：用于802.11a的頻道管理技術(shù)。 IEEE 802.11g：可以看作對802.11b標(biāo)準(zhǔn)的提速（速度從802.11b的11 Mb/s提高到54Mb/s，仍然工作在2.4G頻段）。 IEEE 802.11i：結(jié)合IEEE 802.1x中的用戶端口身份驗(yàn)證和設(shè)備驗(yàn)證，對無線局域網(wǎng)MAC層進(jìn)行修改與整合，定義了嚴(yán)格的加密格式和鑒權(quán)機(jī)制，以改善無線局域網(wǎng)的安全性。 IEEE

15、 802.11n：可以看作對802.11g標(biāo)準(zhǔn)的提速（速度達(dá)到300Mb/s，理論最高速率可達(dá)600Mb/s）。23競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講pDCF協(xié)議與ad hoc網(wǎng)絡(luò) 802.11提供了兩類MAC協(xié)議：（1）分布式接入?yún)f(xié)議DCF（Distributed Coordination Function）基于CSMA/CA，主要應(yīng)用于獨(dú)立的基本服務(wù)集合（IBSS）-不包含接入點(diǎn)（AP）。（2）集中式接入?yún)f(xié)議PCF（Point Coordination Function）由一個集中的決策模塊來控制發(fā)送。采用非對等網(wǎng)絡(luò)配置，提供無競爭接入服務(wù)。主要應(yīng)用在基

16、本服務(wù)集合（BSS）的接 入點(diǎn)（AP）。24競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講DCF與PCF 25競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFDCF協(xié)議和PCF協(xié)議之間的關(guān)系：第三講第三講第二講第二講pDCF協(xié)議與ad hoc網(wǎng)絡(luò) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，它由一系列地位完全平等的移動節(jié)點(diǎn)組成，無需任何固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)既是終端又是路由器，它們在MAC協(xié)議的控制下，以多跳共享的方式接入無線信道。 IEEE 802.11中的DCF協(xié)議已被廣泛應(yīng)用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的各種仿真和測試平臺，成為了事實(shí)上的ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議規(guī)

17、范。 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)并不等同于獨(dú)立的基本服務(wù)集合（IBSS）。26競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講Bit Stream (PMD-SDU)PLCP-PDUPreambP-HDRPLCP-SDUMAC-PDUM-HDRMAC-SDUFCS LLCTime 802.11 MAC PLCP PMDDCF協(xié)議的開銷 27pDCF協(xié)議開銷競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講p802.11協(xié)議中的IFS（幀間間隔：Inter Frame Space） 通過4類IFS決定節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的優(yōu)先級： SIFS：Short IFS 應(yīng)用場合：收

18、發(fā)轉(zhuǎn)換時間。 PIFS：PCF IFS 應(yīng)用場合：PCF中的站點(diǎn)獲取接入權(quán)。 DIFS：DCF IFS 應(yīng)用場合：DCF中嘗試接入信道前必須等待信道空閑的時間。 EIFS：Extended IFS 應(yīng)用場合：DCF中MAC幀傳輸出錯。 大小關(guān)系：EIFS DIFS PIFS SIFS28競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講pDCF協(xié)議中的兩種發(fā)送模式 基本模式。 發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)成功收到數(shù)據(jù)幀后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答ACK幀，即采用兩次握手的發(fā)送機(jī)制。 RTS/CTS模式。 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀以前，先向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀預(yù)約信道；接收節(jié)點(diǎn)

19、收到RTS幀后，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答CTS幀；發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功接收到CTS幀后，向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；接收節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)幀后，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答ACK幀。即采用四次握手的發(fā)送機(jī)制。29競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講p發(fā)送模式的選擇。 DCF協(xié)議規(guī)定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列中的數(shù)據(jù)分組（packet）長度大于一定門限時，采用RTS/CTS模式，而當(dāng)分組長度小于該門限時，采用基本模式。 事實(shí)上，為達(dá)到最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，則應(yīng)該綜合當(dāng)前競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)目動態(tài)的調(diào)整門限值。30競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCF第三講第三講第二講第二講DCF協(xié)議的發(fā)送規(guī)約 31pDCF協(xié)議

20、的發(fā)送規(guī)約競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p1、發(fā)送前監(jiān)聽信道 節(jié)點(diǎn)通過物理載波檢測在發(fā)送前監(jiān)聽信道，如果信道是空閑的，就繼續(xù)監(jiān)聽DIFS長的一段時間。假如在此期間信道持續(xù)空閑，且本次發(fā)送為首次發(fā)送，即可開始發(fā)送過程；如果不是首次發(fā)送，則進(jìn)入退避過程。 通過虛擬載波檢測獲知信道持續(xù)忙的時間，并設(shè)置N

21、AV（Network Allocation Vector）。 32競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p2、Defer（延遲）過程 假如監(jiān)聽信道遇忙，或者在DIFS時間內(nèi)信道由空閑變忙，站點(diǎn)則必須等待信道變空閑，且空閑的持續(xù)達(dá)到DIFS的時長。如果信道持續(xù)空閑的時間小于DIFS，節(jié)點(diǎn)就回到發(fā)送前的監(jiān)聽狀

22、態(tài)；如果持續(xù)空閑的時間達(dá)到DIFS，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入后面的退避過程。33競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p3、Backoff（退避）過程 （1）目的是在多個站點(diǎn)同時完成defer過程的情況下，能進(jìn)一步減少沖突的機(jī)會。（2）退避規(guī)范：邊退避，邊監(jiān)聽載波；如果空閑則計(jì)數(shù)器遞減，計(jì)數(shù)器減到零后即可發(fā)送。如果監(jiān)聽

23、到信道忙則掛起退避計(jì)數(shù)器。直到信道連續(xù)空閑時間達(dá)到DIFS才繼續(xù)從上次計(jì)數(shù)器剩余的值開始繼續(xù)遞減。34競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p3、Backoff（退避）過程 （3）退避時長（退避計(jì)數(shù)器初值）： BackoffTime=Random ( )*aSlotTime Random( )：0，CW內(nèi)

24、均勻分布的隨機(jī)整數(shù)。 CW CWmin, CWmax：CW的取值采用二進(jìn)制指數(shù)退避（BEB）的法則。 aSlotTime、CWmin及CWmax：由相應(yīng)的PHY層決定。35競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p4、PDU(Protocol Data Unit)發(fā)送過程 發(fā)送Data幀（基本模式，兩次握手

25、：DATA/ACK）或RTS幀（四次握手：RTS/CTS/DATA/ACK ）。36競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p5、錯誤恢復(fù) DCF協(xié)議提供ACK應(yīng)答機(jī)制作為沖突恢復(fù)的手段。接收站點(diǎn)接收到Data后，會向發(fā)送站點(diǎn)應(yīng)答ACK。如果發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送完Data后沒有接收到ACK，則認(rèn)為Data發(fā)生沖突

26、，需要重傳。將退避競爭窗口值按BEB法則增大為min(2* CW, CWmax)37競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p6、Discard多次出錯后幀的丟棄 如果站點(diǎn)重發(fā)了7次RTS幀或4次Data幀，那么該站點(diǎn)將丟棄需要發(fā)送的Data幀。丟棄后把窗口值CW設(shè)為CWmin 。38競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEE

27、E 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accessotherstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講p7、EFM差錯幀模型 如果站點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)幀過程中發(fā)生了沖突，則在信道重新空閑后需要等待信道持續(xù)空閑EIFS的時間，才能開始后續(xù)退避過程，防止自身的數(shù)據(jù)傳輸跟其他站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突。39競爭協(xié)議競爭協(xié)議IEEE 802.11 DCFtimeSIFSDIFSACKdefer accesso

28、therstationsreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)RTSContention Window第三講第三講第二講第二講40IEEE 802.11 DCF的信道利用率的信道利用率p定義信道利用率：p非數(shù)據(jù)傳輸時間：信道空閑時間；傳輸RTC/CTS/ACK的時間（系統(tǒng)固定值）；節(jié)點(diǎn)的DIFS、SIFS時間（系統(tǒng)固定值） ；節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)競爭窗CW時間。()()()()(,)()T DataCapacityT TotalT DataT IdleT DIFS SIFS RTS CTS ACK C

29、WT Data第三講第三講第二講第二講41實(shí)際數(shù)據(jù)速率計(jì)算實(shí)際數(shù)據(jù)速率計(jì)算SIFSDIFSACKreceiversenderdataDIFSContention WindowRTSCTSSIFSSIFSRTSRACKDATACTSRTSTTTLThroughputcwSIFSDIFSdata38第三講第三講第二講第二講42IEEE 802.11 DCF協(xié)議局限性思考？協(xié)議局限性思考？ p隱終端/暴露終端p業(yè)務(wù)流公平性p服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障p信道容量p能量消耗p遠(yuǎn)距離通信第三講第三講第二講第二講43IEEE 802.11 DCF的擴(kuò)展的擴(kuò)展p IEEE 802.11e EDCA（Enhance

30、d Distributed Channel Access ）服務(wù)質(zhì)量保證的CSMA/CA機(jī)制TC7TC1TC2TC3TC4TC5TC6TC0AC3AIFSAIFSNCWAC2AIFSAIFSNCWAC1AIFSAIFSNCWAC0AIFSAIFSNCW物理層節(jié)點(diǎn)競爭802.11e 網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列 802.11網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列DIFSCW發(fā)起傳輸發(fā)起傳輸IEEE 802.11和IEEE 802.11e協(xié)議所定義的網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列第三講第三講第二講第二講44IEEE 802.11 DCF的擴(kuò)展的擴(kuò)展p IEEE 802.11e EDCA 參數(shù)設(shè)置將用戶業(yè)務(wù)分為多個等級，每類等級業(yè)務(wù)的固定DIFS時間不同（用AIF

31、S表示），高等級業(yè)務(wù)的AIFS時間短，低等級業(yè)務(wù)的AIFS時 間 長 ， 因 此 高 等 級 業(yè) 務(wù) 具 有 更 高 的 概 率 接 入 信 道 。其中，slotTime指一個時隙的時間，為20us，SIFS為10us。AIFS ACAIFSN ACslotTimeSIFSAC隊(duì)列aCWminaCWmaxAIFSN0CWminCWmax71CWminCWmax32(CWmin+1)/2)-1CWmin23(CWmin+1)/4)-1(CWmin+1)/2)-12EDCA參數(shù)設(shè)置第三講第三講第二講第二講45IEEE 802.11 DCF的擴(kuò)展的擴(kuò)展p IEEE 802.11e EDCA-碰撞處理

32、機(jī)制 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部碰撞處理機(jī)制 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有多個AC隊(duì)列同時有數(shù)據(jù)報文等待發(fā)送時，各AC隊(duì)列將在各自的競爭窗口中隨機(jī)選取競爭退避計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行退避。 節(jié)點(diǎn)間碰撞處理機(jī)制 當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)經(jīng)過內(nèi)部碰撞處理機(jī)制處理后，有數(shù)據(jù)報文取得了優(yōu)先發(fā)送權(quán)，如果此時該節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)也有數(shù)據(jù)報文等待發(fā)送，則最先完成退避計(jì)數(shù)的節(jié)點(diǎn)將首先訪問信道。第三講第三講第二講第二講46速率自適應(yīng)協(xié)議速率自適應(yīng)協(xié)議RBARpReceiver-Based Autorate Protocol 根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整傳輸碼率，提高系統(tǒng)吞吐量-信道測量/估計(jì)-傳輸速率調(diào)整第三講第三講第二講第二講47速率自適應(yīng)協(xié)議速率自適應(yīng)協(xié)議RBARpRe

33、ceiver-Based Autorate Protocol 收端測量SNR，確定傳輸速率。同時在CTS/DATA頭攜帶碼率信息，通知其他節(jié)點(diǎn)退避的NAV時間。RTSRTSCTSDATAACKCTSDATAACK第三講第三講第二講第二講48固定分配協(xié)議固定分配協(xié)議TDMAp時分多址接入（Time Division Multiple Access） 時幀中的各個時隙預(yù)先固定分配給網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)，且每個時隙只允許分配到該時隙的節(jié)點(diǎn)接入無線信道，因此節(jié)點(diǎn)可以在各自時隙中完成無沖突的數(shù)據(jù)傳輸。pTDMA協(xié)議與DCF協(xié)議相比，優(yōu)缺點(diǎn)？第三講第三講第二講第二講49固定分配協(xié)議固定分配協(xié)議TSMApTim

34、e Spread Multiple Access（拓?fù)渫该鳎?每個時幀被劃分為q個子幀 每個子幀由q個等長的時隙 每個子時幀中為每個節(jié)點(diǎn)分配一個時隙，每個時隙的產(chǎn)生由GF(q)中k次多項(xiàng)式的根決定，這樣每兩個相鄰的節(jié)點(diǎn)之間最多有k個重疊時隙。 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的最大節(jié)點(diǎn)度為D，則選擇合適的q和k，使其滿足qkD+1（q為素數(shù)或素數(shù)的冪，且滿足qk+1N），即可保證每一時幀中任一節(jié)點(diǎn)至少擁有一個時隙可以無沖突地發(fā)送數(shù)據(jù)。第三講第三講第二講第二講50分布式分配協(xié)議分布式分配協(xié)議FPRPp五步預(yù)約（Five Phase Reservation Protocol） 通過五步預(yù)約過程來實(shí)現(xiàn)時

35、隙的分配，網(wǎng)絡(luò)時幀由預(yù)約幀（Reservation Frame, RF）和緊隨其后的若干個信息幀（Information Frame, IF）組成。在一個RF幀中有N個預(yù)約時隙（Reservation Slot, RS），分別對應(yīng)于一個IF幀中的N個信息時隙（Information Slot, IS）。節(jié)點(diǎn)若要預(yù)約一個IS時隙，則在相應(yīng)的RS時隙內(nèi)競爭。FPRP在一個RF幀內(nèi)產(chǎn)生一次TDMA時隙安排，并在隨后的每個IF幀中使用這種安排，直至下一個RF幀重新產(chǎn)生新的時隙安排為止，依此重復(fù)。RFRFIFIFIFIFIFIFRS1RSNIS1ISNRC1RCMRRCRRCRAP/ERF：預(yù)約幀IF：

36、信息幀RS：預(yù)約時隙IS：信息時隙RC：預(yù)約周期第三講第三講第二講第二講51分布式分配協(xié)議分布式分配協(xié)議FPRPp五步預(yù)約（Five Phase Reservation Protocol） 節(jié)點(diǎn)預(yù)約時隙的過程包括五個階段：（1）預(yù)約申請階段（Reservation Request Phase，RR）。需要預(yù)約時隙的節(jié)點(diǎn)以概率p廣播一個預(yù)約申請分組（Reservation Request Packet，RRP）。該節(jié)點(diǎn)成為申請節(jié)點(diǎn)。（2）碰撞報告階段（Collision Report Phase，CR）。接收到多個RRP的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送一個碰撞報告分組（Collision Report Packet

37、，CRP），表明在該節(jié)點(diǎn)處已發(fā)生一個碰撞，反之，該節(jié)點(diǎn)處于靜默狀態(tài)。RFRFIFIFIFIFIFIFRS1RSNIS1ISNRC1RCMRRCRRCRAP/ERF：預(yù)約幀IF：信息幀RS：預(yù)約時隙IS：信息時隙RC：預(yù)約周期第三講第三講第二講第二講52分布式分配協(xié)議分布式分配協(xié)議FPRPp五步預(yù)約（Five Phase Reservation Protocol） （3）預(yù)約確認(rèn)階段（Reservation Confirmation Phase，RC）。在RR階段發(fā)送RRP的申請節(jié)點(diǎn)，若在CR階段沒有收到鄰居節(jié)點(diǎn)的CRP，則在該階段廣播一個預(yù)約確認(rèn)分組（Reservation Confirmat

38、ion Packet，RCP）。（4）預(yù)約應(yīng)答階段（Reservation Acknowledgment Phase，RA）。對于在RC階段收到RCP的節(jié)點(diǎn)，通過發(fā)送一個預(yù)約應(yīng)答分組（Reservation Acknowledgment Packet，RAP），對剛剛接收到的RCP進(jìn)行認(rèn)可應(yīng)答，由此通知申請節(jié)點(diǎn)，預(yù)約已經(jīng)建立。RFRFIFIFIFIFIFIFRS1RSNIS1ISNRC1RCMRRCRRCRAP/ERF：預(yù)約幀IF：信息幀RS：預(yù)約時隙IS：信息時隙RC：預(yù)約周期第三講第三講第二講第二講53分布式分配協(xié)議分布式分配協(xié)議FPRPp五步預(yù)約（Five Phase Reservation Protocol） （5）打包和撤銷階段（Packing and Elimination，P/E）。在這個階段，節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送兩種類型的分組：一種是打包分組（Packing Packet，PP），用于申請節(jié)點(diǎn)兩跳遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)告知三跳遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)一個最新的預(yù)約成功