無線網狀網中ＭＡＣ協議的研究

摘要：無線網狀網是一種基于多跳路由、對等網絡技術的新型網絡結構。但是，由于多跳造成的信道重疊，造成信道復用度低，從而制約了無線網狀網的可擴展性發展。該文從無線接入協議出發，指出了現有接入協議在無線網狀網中帶來的新的問題，給出了當前在MAC層提出的若干解決方案并指出了無線網狀網在MAC層研究的主要方向。

關鍵詞：無線網狀網；MAC協議

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2009)05-1060-02

The Study of MAC Protocols in Wireless Mesh Networks

FEI Hong-hui

(School of Electronic Information， Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China)

Abstract: A wireless mesh networks is a peer-to-peer network made up of radio nodes which can self form and self heal relying on multi-hop forwarding. And the MAC protocols can provide functions for radio nodes to access the media. But multi-hop forwarding always brings interference of different nodes which will reduce the performance. So the paper at first introduce the new problems when present MAC protocols are used in Wireless Mesh Networks， then it presents several solutions in recent years and at last makes a conclusion about some open issues for future study.

Key words: wireless mesh networks; MAC protocols

1 引言

隨著下一代網絡技術的發展，多種新興無線網絡技術也不斷涌現，其中有一種重要的關鍵技術就是無線網狀網（wireless mesh networks）。在無線網狀網（WMN）中，每個節點都同時承擔著主機和路由器的功能，以多跳的形式進行數據包的轉發，實現不在通信范圍內的節點間的數據通信。無線網狀網的自組織和自配置特性，帶來了低成本、易維護、可靠服務和健壯性等一系列優勢，為無線網狀網提供了廣闊的發展空間。

在過去的幾年里，WLAN技術作為無線網絡的主流技術取得了長足的進展和驚人的市場前景，它被廣泛的應用在各種公共領域，如車站，餐廳和書店等。WLAN技術是由IEEE 802.11協議簇組成。但是，由于WLAN技術采用熱點(Access Point)接入的方法，每個熱點都需要和因特網通過有線連接，用戶實際的無線傳輸范圍僅局限在離熱點有限的無線通信距離內，這就限制了WLAN的使用范圍。然而，mesh技術則恰恰能彌補這種缺陷。

無線網狀網由一系列的網狀路由器和網狀終端構成。網狀路由器往往呈靜止狀態，構成網狀網的骨干部分，為網狀終端提供有線接入。網狀終端可以是靜止的或運動的移動終端，網狀終端之間或通過網狀路由器可以形成簡單的網狀網。利用網狀路由器的網關和橋接功能，無線網狀網還可將因特網， 蜂窩網， IEEE 802.11， IEEE 802.15， 和IEEE 802.16等不同類型的網絡互連起來。圖1給出了一個簡單的Wi-Fi無線網狀網的結構示意圖。

Wi-Fi無線網狀網是采用mesh技術對WLAN的一個擴展。這是一個具有三層結構的無線網狀網結構。從圖中可以看到，在網狀結構中，由熱點（特殊的無線路由器，高帶寬并與有線網連接）和無線路由器構成了無線網的骨干，為終端用戶提供了與有線網接入的接口。通過多跳的方式，減少了網絡中熱點的數量，降低了網絡開銷，同時，這種網狀結構具有一定的冗余，可以保證數據傳輸的可靠性。但是，由于802.11協議采用基于載波偵聽的信道接入方式，卻降低了網狀網的性能。本文主要從無線網狀網的信道接入協議出發，總結了無線網狀網在接入協議面臨的主要問題以及相關MAC改進算法，最后給出了無線網狀網中信道接入協議的主要研究熱點和方向。

2 問題與挑戰

IEEE 802.11標準是一種典型的載波偵聽/沖突避免的無線接入協議，最初是用于one-hop WLAN環境。當802.11用于無線網狀網這種具有多跳特點的網絡時，對無線路由器構成的回程網絡的容量以及網絡對多媒體信息的傳輸帶來了新的挑戰。

2.1 無線回程網絡

無線回程網絡是指由一系列無線路由器動態構成的無線網絡，這些路由器主要負責將終端用戶的數據傳送到主干網上。評價回程網絡的關鍵指標包括了網絡容量，吞吐量，網絡延時以及數據的到達率。但是，通過先前的研究表明[1，2]， 載波偵聽多點接入/沖突避免（CSMA/CA）接入方式并不能提供回程網絡所需要的性能要求。文獻[1]指出，TCP吞吐量性能在無線多跳網絡中急劇下降，并引發了嚴重的TCP不公平和不穩定現象。最糟糕的情況會導致兩個競爭流中的一個在吞吐量性能上出現“餓死”。文獻[1]指出這種性能的下降主要是因為802.11接入協議形成的隱終端問題，顯終端問題以及二進制指數退避算法造成的。文獻[2]作者指出，減少競爭和實現per-flow公平性模型是實現接入有效性和公平性的主要方向。文獻[3]給出了一個針對于無線回程網絡的TAP公平性參考模型，并深入分析了MAC協議，端到端擁塞控制協議，天線技術和流量類型對TCP的影響，在不改變TCP協議的前提下，提出了一個基于MAC層的分布式算法，實現了TAP公平性。但算法的實現相當復雜，且TAP網絡模型僅適應于[3]提出的特殊拓撲結構。CSMA/CA接入協議仍有待進一步的改進以實現無線網狀網的性能要求。

2.2 多媒體傳輸業務

無線網狀網的設計目標應能實現網狀終端與有線主干網間的大量多媒體數據的傳輸。雖然IEEE 802.11e實現了為WLAN提供的MAC層QoS保證機制，但同樣，IEEE 802.11e的最初設計目標也是為one-hop網絡提供的QoS支持。IEEE 802.11e雖然支持兩種機制：增強型分布式協調功能(EDCF)和混合協調功能(HCF)。然而，研究表明，即使是適用于分布式系統的EDCF協議也并不適合多跳無線網絡。因為在多跳網絡中沖突的概率變的非常大，EDCF協議中的參數已不再適合多跳網絡環境[4，5]，造成傳輸延時增大，大大降低了實時性數據流的性能。文獻[4]提出了EDCF-DM協議，根據當前沖突率和業務等級通過動態更新節點的競爭窗口，可有效的提高信道的利用率。類似的，文獻[5]提出了Adaptive EDCF協議，根據業務要求和網絡狀態為不同的業務流設置相應大小的競爭窗口。然而，鑒于無線網狀網的服務特點，針對諸如端到端延時，公平性，延時抖動，總吞吐量和單流吞吐量等一系列指標為無線網狀網提供QoS服務仍是研究的一個重點。

3 MAC層現有的解決方案

由于現有的IEEE 802.11 MAC不適應無線網狀網的網絡環境，因此，本節總結了一些現有的MAC改進方案。主要從單信道解決方案，多信道解決方案依次闡述。

3.1 單信道解決方案

現有的單信道解決方案又分為三種類型。第一種是對現有的MAC協議進行改進。文獻[6，7]就是通過改進CSMA/CA協議使得新的MAC協議能適應于多跳環境。CSMA/CA協議的改進通常是通過調整競爭窗口的大小以及退避機制實現的。雖然這種方案在單跳環境中能較大的提高吞吐量性能，但是，在以無線網狀網為代表的多跳網絡，由于這種方案不能從根本上降低頻繁的信道競爭，而且經過多跳的累積效應，使得多跳網絡中的端到端吞吐量依然很低。

第二種是結合物理層的跨層解決方案。文獻[8，9]采用自適應調節發射功率的方案，采用較小的可以覆蓋接收節點的功率發送數據包，通過降低信號的覆蓋范圍減少了顯終端出現的概率，特別是在節點密集的網絡環境中，這種方案能有效的增大頻率空間復用度，提高網絡總的吞吐量性能。然而這種方案依然無法解決隱終端問題。

第三種是屏棄傳統的CSMA/CA接入機制，提出新的MAC解決方案。為了從根本上解決現有MAC協議造成多跳網絡吞吐量急劇下降的問題，[10，11]從新的接入方式角度探詢無線多跳網絡中的MAC解決方案。由于多跳造成節點的競爭域相互交疊，以CSMA為代表的采用隨機接入方式的協議已不太適合，因此文獻[10，11]提議將TDMA或CDMA取代原來的CSMA接入方式。但由于TDMA或CDMA協議的復雜性和高成本，這方面的文獻并不多。而現有的IEEE 802.16標準是一種集中式的TDMA協議，因此，設計一種新的分布式TDMA協議與原有的CSMA融合起來成為一個新穎的而富有挑戰性的研究熱點之一[11]。

3.2 多信道解決方案

多信道解決方案也可以分為三種類型。第一種是Multi-channel single-transceiver MAC方案。采用單收發器方案在硬件上容易實現，造價也低。然而，由于每個節點只有一個接收電臺，意味著在數據傳輸過程中每個節點只能使用一個信道。seed-slotted-channel hopping (SSCH) 算法[12]是一個虛MAC協議，實現了不同節點間信道的協調使用。它直接工作在802.11協議之上，不需要改動現有協議。

第二種是Multi-channel multi-transceiver MAC方案。采用這種方案需要每個節點具備多模塊化設計和多射頻芯片以支持多信道的同時傳輸。而設計的MAC協議必須能統一的管理，有效的協調多信道的使用。雖然Engim多信道WLAN交換器[13]滿足多信道多收發器方案在物理層的需要，但如何設計一個有效的MAC協議仍是一個開放性問題。

第三種是Multi-radio MAC方案。在這種方案中每個節點有多個無線電臺，每一個電臺有屬于自己的物理層和MAC協議，各個電臺之間是相互獨立的，因此，信道的合理分配是提高網絡容量的主要方法。[14]將信道分配和路由協議結合起來，基于鄰域的流量信息實現了一個分布式的信道分配協議。 [15]提出的BFS-CA算法通過沖突預測，為每個電臺動態的分配信道，降低了信道沖突，提高了網絡容量。Multi-radio MAC方案已逐漸成為近年的研究熱點。

4 開放性問題

無線網狀網中MAC接入協議的改進從根本上是為了增強多跳網絡的可擴展性，避免因多跳造成的網絡容量的降低。從當前的研究成果可以看到，現有的基于CSMA/CA接入機制的改進MAC協議雖然能解決部分問題，但往往又容易導致其它問題的擴大化。因此，如何從根本上解決CSMA/CA接入機制的擴展性是一個富有挑戰性的問題。

首先，由于TDMA或CDMA協議實現的復雜性，使得在原有CSMA/CA基礎上采用分布式TDMA技術成為一個可行的解決方案[11]。其次，隨著物理層技術的發展和無線設備費用的降低，多信道解決方案將逐步成為無線網狀網中最有發展潛力的技術之一。再次，由于寬帶多媒體數據傳輸的需要，MAC層設計必須支持相應的延時，丟包率和延時抖動等QoS需求，MAC層的QoS設計是實現實時數據傳輸的重要研究方向。最后，由于無線網狀網中的路由器和終端用戶在移動性，能量受限和發送數據量方面的不同，這也造成了它們在信道接入上的差異。因此，充分考慮路由器和終端用戶端間的區別，設計新的MAC協議也成為提高網絡性能的一個主要研究方向。

5 小結

無線網狀網是一種新型無線網絡，這種網絡具有快速建立，易安裝，結構靈活和健壯性等特點。本文從網絡的接入協議出發，指出了現有的無線接入協議在無線網狀網中的不足和缺陷，并總結了當前MAC協議的研究進展和解決方案，最后概括了無線網狀網中MAC協議的主要研究熱點和發展方向，對無線網狀網的研究具有重要的指導意義。

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