常见的MAC协议概述

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：基于竞争的MAC协议会在冲突发生时解决它。表4-1 一般MAC方案（续）在这期间，所有的资源可能不会100%被节点利用。然而，这一技术范畴的本质不是CSMA，而是另外一种叫做Aloha的协议。Aloha是一个非常简单的协议，这种协议中节点会在其拥有一个帧时就进行传输。这一方法以损害邻居节点间的同步为代价而降低冲突发生率，被称为时隙Aloha。RTS和CTS消息中都存在一个指示数据消息长度的字段。

MAC协议在广义上可以分为三种类型：基于竞争的（Contention-Based）、无冲突的以及混合式方案（见表4-1）。在基于竞争的方案中，帧的传输，例如数据链路层中要传输的一块数据，不能保证成功完成。传输可能会和其他节点传输发生冲突。基于竞争的MAC协议会在冲突发生时解决它。无冲突协议确保帧所传输的数据不会和其他帧传输时发生重叠，例如与另一个传输发生干扰。在无冲突技术中，在所有资源被分配到一个节点之后，它们会为节点所拥有，直到节点不再需要它们，并将它们退回。

表4-1 一般MAC方案

（续）

在这期间，所有的资源可能不会100%被节点利用。混合式方法使用了一个基于竞争的时段来为传输获得资源，之后跟随着一个无冲突时段可用于动态分配资源。因此，它们提供了对稀缺资源的动态分配和更好地利用。将无冲突技术划分为固定分配或者动态分配无冲突技术，同时将混合式方法看成一种动态分配无冲突技术都是可行的。

基于竞争的技术也经常被称为基于载波侦听多址访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）的技术。然而，这一技术范畴的本质不是CSMA，而是另外一种叫做Aloha的协议。因此，这一类范畴的技术也被称为Aloha家族。Aloha是一个非常简单的协议，这种协议中节点会在其拥有一个帧时就进行传输。如果传输帧没有到达目的地，就会进行重传。这种操作会持续到成功传送帧完成为止。Aloha拥有很低的开销，同时在均匀分布的低流量负载中可以减少延迟。然而，当数据流量大并且突发时，Aloha中的冲突率就会变得很高。

Aloha可以通过引入时间段的方式得到加强。节点都是时间同步的，同时它们只会在某个时间段的开始时刻传输某个帧。这确保了一次传输可以在无冲突的情况下开始时，就会成功地完成。这一方法以损害邻居节点间的同步为代价而降低冲突发生率，被称为时隙Aloha（Slotted Aloha）。

CSMA是Aloha家族演化的下一个阶段产物。在CSMA中，首先要感应载波（Carrier）来确保没有正在进行中的传输，而在载波空闲时就会开始传输。虽然CSMA相比于Aloha极大地减少了冲突发生率，但是正在传输的帧和其他帧发生碰撞的可能性仍然存在，这是因为多个节点可能会在同一时刻感应载波，并错误地认为载波空闲而进行传输。另外，由于存在时延（Latency），某个节点可能在检测到载波空闲时，而另外一个节点已经开始了传输。因此，CSMA中的冲突发生概率P_c是一个关于共享同一信道的节点数量n、平均时延d和平均帧长度l的函数，如式（4-1）所示。节点的数量和平均时延越高，发生冲突的概率就越大。另一方面，随着平均帧长度的增加，发生冲突的概率就会降低。

P_c≈dn/l （4-1）

CSMA可以分为三个版本：持续CSMA（Persistent CSMA）、非持续CSMA（Nonpersistent CSMA）和P持续CSMA（P-persistent CSMA）。这三个版本之间的差别表现在它们检测到载波忙碌时的反应上。在持续CSMA中，检测到载波忙碌的节点将会等待直到载波空闲，而且当载波空闲时，节点再开始传输它的帧。然而，在这种情况下，冲突发生概率可能会增加，这是因为存在其他的节点同样侦测到载波忙碌，并等待当前的传输结束。为了处理这种情况，非持续CSMA在检测到载波忙碌时，会等待一个随机的时间段，随后在传输之前再次感知载波。P持续CSMA适用于时隙载波（Slotted Carriers）。在这一方案中，当某个节点检测到载波空闲时，它开始进行传输的概率是p。节点将不会在概率为q=1-p的情况下开始传输，即使它检测到载波此时是空闲的，同时会等待直到下一个时段，并重复相同的算法。

通过受限传输节点可以检测冲突。带碰撞检测的CSMA（CDMA with Collision Detection，CSMA/CD）利用碰撞检测来进一步改进CSMA的性能。在CSMA/CD中，传输者一检测到冲突时就退出传输。在MAC层，以太网使用了CSMA/CD算法，这里检测到冲突的节点时，首先等待一个随机的时间，然后重复算法。如果发生了另一个冲突，节点会再一次停止传输，并再次等待一个随机时间段。然而，第二次随机时间段持续时间均值是先前的随机时间段均值的两倍。通过加倍以前的均值而增加随机时间段会一直持续，直到帧成功地进行了传输。因此，这种机制被称为指数撤回（Exponential Back-off）。它提供了一种隐式方式对数据流负载作用。

无线节点只使用一个天线，无法同时进行发送和接收。另外，隐藏终端问题阻止了无线节点对冲突的检测。而且，因为隐藏终端问题而引发的数据碰撞会引起重发（Retransmission），同时会因为暴露终端问题消耗能量而导致监听数据传输。很明显，隐藏终端问题和暴露终端问题都导致不必要的能量损耗。在带碰撞避免的（CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA）CSMA中，需要传输消息的节点会给接收者发送一个小的请求发送（Request-To-Send，RTS）消息。接收者立刻以一个消除发送（Clear-To-Send，CTS）消息进行响应。在接收到CTS之后，发送者就会进行消息的传输。RTS和CTS消息中都存在一个指示数据消息长度的字段。对于发送者或者接收者来说，隐藏的节点会接收到RTS或者CTS消息，同时在至少等于RTS和CTS信号中给出的消息长度的时间段内，避免接入媒介。因此，避免冲突是以额外的消息为代价的。4.1.2节会更详细地介绍关于冲突避免问题。这里我们愿意强调无线网络和有线网络之间的冲突发生概率之间的不同。当无线网络中不提供冲突避免机制时，某个帧和其他帧发生碰撞的概率P_c和节点间的平均延迟d、节点数量n以及平均帧长度l有关，如下式所示：

P_c≈dnl （4-2）

根据式（4-2），帧的长度越长，冲突发生概率就越高。这与式（4-1）中的关系相反。

无冲突传输可以通过为某个节点分配信道并确保其他节点无法接入这一信道来实现。为实现这一目标，可以从时间、频率、混合时间频率或者码元的角度来看待信道。因此，一个多接入信道可以通过使用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术以基于频率的方式共享，可以通过使用时分多址（Time Divi-sion Multiple Access，TDMA）技术以基于时间的方式共享，或者使用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术以基于编码的方式共享（见图4-1）。

图4-1 免冲突多路接入方案

a）FDMA b）TDMA c）CDMA

在FDMA中，频谱被分成了均等的频道，例如每30kHz为一个频道，同时频道之间存在适当的间隔。之后，每一个频道都会被分配给一个单一的节点。TDMA使用了数字技术。在TDMA中，可用的频谱首先被分配比FDMA中的频道更宽的频道。例如，在GSM中，每个频道是200kHz。这些频道进一步被分割为时间段，例如0.5ms。在这之后，每个节点都会被分配给一个特殊的频率/时段的组合。CD-MA是一种扩频技术，这里更宽范围的频道被多个节点同时使用。

CDMA技术有两种：跳频（Frequency Hopping，FH）以及直接序列（Direct Se-quence，DS）。跳频接收端和传输端在每一次主动呼叫中被分配了N个频道，同时它们会通过双方都知道的跳频模式来在这N个频道中进行跳频。例如，一个节点可以在100个10kHz的信道中进行跳变。基本的跳频模式有两种；一种叫做快速跳变，这种模式在一次标记（Symbol）中完成两次或多次跳变；另一种叫做慢速跳变，这种模式在每跳中完成两次或者多次标记。

DS-CDMA是一种多址接入技术，在这种技术中，多个独立用户通过调制签名波形同时接入一个信道，它被称为伪噪声（Pseudo Noise，PN）序列或者扩频码（Spreading Codes）。这一过程称为扩频（Spreading）。接收端的接收信号是这种信号的叠加。接收者通过使用和发送者相同的扩频码解调和解码接收到的信号。这一过程被称为解扩频（Dispreading）。

扩频过程如图4-2所示，这里数据传输率为1/T_d，扩频序列传输速率为1/T_c，扩频序列传输速率被称为码元速率（Chip Rate）。由于T_d是T_c的10倍，例子中的码元速率是数据传输速率的10倍。当数据流和扩频序列相乘时，得到的信号的传输速率和扩频序列的相同。换句话说，源比特流被转换为拥有码元速率的另一比特流。因此我们将数据扩散到了一个更大的频谱。如果将得到的信号再一次和扩频序列相乘，则刚好能获得原始信号。这是最好的情况，因为没有其他传输的干扰。当存在干扰时，只要干扰不太强烈，仍然可以解扩频接收到的信号，并将其和原始数据进行关联。因此，CDMA拥有干扰受限的软容量（Interference-limited Soft Capacity）。所有减少干扰的行为都能增加其容量。感兴趣的读者，可参阅http：∥www.umtsworld.com/technology/cdmabasics.htm，以获得更详细的信息。

图4-2 扩频过程

另一类无冲突MAC方案被称为令牌传输（Token-passing）技术。在这种技术中，一个单一（逻辑的或物理的）的令牌将在用户中间进行传递，只允许令牌的拥有者进行传输，从而确保了无干扰。令牌环和令牌总线就是这种类型的实例。由于基于令牌的MAC方案在当前的系统和协议栈中使用得越来越少，我们将不再对它们作详细介绍。

在混合MAC方案中，信道会被按需分配，因此恰巧空闲的节点将不会浪费信道资源。这些方案始于当节点宣布它的传输意图时的一个基于竞争的分配时段。在这些通知的基础上，资源被分配给节点，获得资源的节点就会在分配给它们的信道上传输信号。分组预约多址接入（Packet Reservation Multiple Access，PRMA）和动态TDMA（D-TDMA）是基于预约的协议的例子。

常见的MAC协议概述

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