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關(guān)鍵詞：Ad-Hoc MAC 無線網(wǎng)絡(luò)
Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無需固定網(wǎng)絡(luò)作為支撐的網(wǎng)絡(luò)形式。由于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快速靈活、抗毀性強、成本低廉等優(yōu)點，特別適用于軍事、搶險救災(zāi)、電子教室等領(lǐng)域。這種網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域中一種有效的通信網(wǎng)絡(luò)形式而且已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，如802.11系統(tǒng)、美軍海擊空一體化數(shù)字通信系統(tǒng)。
Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)可分為Ad-Hoc WLAN(Ad-Hoc Wireless Local Area Network)和Mobile Ad-Hoc兩類。AdHoc WLAN網(wǎng)絡(luò)是一種全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點與其它所有節(jié)點僅相距一跳范圍；Mobile Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，即MANET，是一種非全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點間的距離大于或等于一跳范圍。圖1為上述兩種網(wǎng)絡(luò)的拓撲示意圖。
1 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點
與現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)不同，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴固定網(wǎng)絡(luò)，將地理位置分散的無線電臺有效地組織在一起相互通信。由于沒有中心基站的支持，組網(wǎng)的重擔就落在各個無線電臺上，因此這種網(wǎng)絡(luò)也被稱為自組織網(wǎng)。在移動的環(huán)境下，各無線電臺間的通信鏈路是不固定的，甚至可能發(fā)生快速的變化。另外，應(yīng)用于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備大多為便攜設(shè)備或車載設(shè)備，設(shè)備體積不能很大，且功耗受限，因此這種網(wǎng)絡(luò)的單跳覆蓋范圍一般不會很大（軍事領(lǐng)域的某些應(yīng)用可能例外），而且雙工方式大多為TDD（時分雙工）。
對于Mobile Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，拓撲的局部連通性是一個十分重要的特點。正是該特點導(dǎo)致了Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中“隱藏終端”的問題。如圖1（b）所示，節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送信息時，節(jié)點C并不知道，這時如果節(jié)點C向B或D發(fā)送信息，會導(dǎo)致節(jié)點B處信號碰撞，無法正確接收信息。
2 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議
自從最早的ALOHA系統(tǒng)誕生以來，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。以往，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究重點主要集中在路由問題，對MAC協(xié)議的研究是近年來的熱點。早期的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的多址接入?yún)f(xié)議主要是ALOHA協(xié)議或CSMA（carrier sense multiple access）協(xié)議。由于CSMA協(xié)議較ALOHA協(xié)議性能優(yōu)良，而且實現(xiàn)簡單，因此取得了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無論是ALOHA協(xié)議還是CSMA協(xié)議都顯得有些力不從心。下面，就CSMA協(xié)議存在的問題進行簡要分析。
*CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通過率與歸一化的載波檢測時延密切相關(guān)，其公式如下：
β=τ·（C/L）
其中，τ為載波檢測時延，它由鏈路的傳播時延和物理層的檢測時延組成；C為信道傳輸速率；L為分組長度。由該公式可以發(fā)現(xiàn)：隨著傳播距離的增長、信道速率的提高、分組長度的縮小，β會相應(yīng)變大。當β達到0.2～0.3，甚至更高時，CSMA這類協(xié)議的性能就已經(jīng)較差了（對于非時隙的CSMA/CD而言，β=0.2時，系統(tǒng)的通過率不足45%），不易再采用CSMA多址接入?yún)f(xié)議。
*在Mobile Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于隱藏終端和暴露終端的存在，使得CSMA協(xié)議對信道的利用率不高。
*CSMA協(xié)議是一種基于“競爭”的多址接入?yún)f(xié)議，這樣的協(xié)議無法為每個節(jié)點保證傳輸帶寬，分組在網(wǎng)絡(luò)中的平均時延方差也會因此較大，不適合實時業(yè)務(wù)或需要QoS保證的業(yè)務(wù)要求。
近年來，寬帶化是通信系統(tǒng)的一個發(fā)展方向，而CSMA協(xié)議的通過率會隨著信道速率的提高有所下降，顯然不適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展。利用有限的信道資源，盡可能傳輸更多的信息或者為更多的用戶提供服務(wù)一直是學者或工程師們追求的目標，而CSMA協(xié)議的信道利用率不高，尤其是在Mobile Ad-hoc的網(wǎng)絡(luò)中，這是無法忍受的。另外，現(xiàn)代通信對多媒體業(yè)務(wù)的需求已經(jīng)越來越大，可CSMA協(xié)議無法為實時業(yè)務(wù)（話音業(yè)務(wù)或視頻業(yè)務(wù)）提供服務(wù)，這顯然是要被淘汰的。
目前，在學術(shù)領(lǐng)域中，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議主要分為兩類，即基于競爭的MAC協(xié)議和無競爭的MAC協(xié)議。前面提到的ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議都是基于競爭的MAC協(xié)議。由于這種協(xié)議在重負載下系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致了無競爭MAC協(xié)議的出現(xiàn)。常見的無競爭MAC協(xié)議有四類：基于FDMA或TDMA的固定多址協(xié)議、基于節(jié)點輪循（polling）的協(xié)議、基于令牌傳遞（tokenpassing）的協(xié)議、基于動態(tài)預(yù)約（dynamic reservation）的協(xié)議。
在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點體積功耗的限制，TDMA協(xié)議比FDMA協(xié)議更適合。但是，對突發(fā)業(yè)務(wù)模型，TDMA協(xié)議會造成較大的信道浪費，而且對于節(jié)點數(shù)目隨時變化的TDMA系統(tǒng)，對時隙的管理會更加復(fù)雜。基于節(jié)點輪循或令牌傳遞的協(xié)定雖然較TMDA協(xié)議避免了許多信道浪費，但是依然存在信道不必要的空閑或信息傳輸中不必要的延時。在上述情況下，動態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議看來會成為最佳的選擇。
動態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議結(jié)合了基于競爭的MAX協(xié)議和無競爭的MAC協(xié)議的優(yōu)點。動態(tài)預(yù)約的對象在目前已有的協(xié)議中主要有兩類：一類是預(yù)約傳輸分組的權(quán)利，另一類是預(yù)約調(diào)度傳輸?shù)臋?quán)利。將這兩類協(xié)議分別標記為第一類DR-MAC協(xié)議和第二類DR-MAC協(xié)議。
第一類DR-MAC協(xié)議比較典型的有：MACA、MACAW、FAMA、802.11、RAMA、BB Contention等。這類協(xié)議基本思想都是節(jié)點在傳輸前通過RTS/CTS握手信號預(yù)約信道，預(yù)約到后，再無沖突傳輸。如圖1（b）所示，A向B發(fā)送信息前，先發(fā)出RTS預(yù)約分組，B收到RTS分組后，應(yīng)答CTS分組，允許發(fā)送。同時A的隱藏終端C也可得到通知，于是在A向B發(fā)送信息期間，C不會發(fā)送信息，AB間的信息傳輸自然是無沖突的。第一類DR-MAC協(xié)議的區(qū)別在于如何應(yīng)對RTS分組的碰撞。例如MACA協(xié)議采用基于分組幀聽的方法，而FAMA協(xié)議采用基于載波幀聽的策略。第二類DR-MAC協(xié)議有DQRAP、CARMA-NTG、GAMA等。
近年來，如何在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中采用動態(tài)預(yù)約的TDMA協(xié)議一直是一個研究熱點。由于這種協(xié)議預(yù)約的同樣是傳輸分組的權(quán)利，因此將其也歸為第一類DRMAC協(xié)議。這樣的協(xié)議有：D-TDMA、E-TDMA、FPRP等。這些協(xié)議關(guān)注的焦點都是如何預(yù)約信道，不同的預(yù)約策略可為業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量，占用的信道開銷當然也不會相同。然而，對于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，如何實現(xiàn)全網(wǎng)同步是實現(xiàn)上述系統(tǒng)的難點所在。從全網(wǎng)同步的角度出發(fā)，又可將Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)分為有中心的網(wǎng)絡(luò)和無中心的網(wǎng)絡(luò)。對于有中心的網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點都與中心節(jié)點直接相連，因此全網(wǎng)的同步信息可由中心節(jié)點發(fā)布，其它節(jié)點都以中心節(jié)點為基準，與其保持時隙同步。對于無中心的網(wǎng)絡(luò)（大多數(shù)的Mobile Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)都是無中心的）如何實現(xiàn)全網(wǎng)同步一直是一個難點。目前解決該問題的主要方法是以GPS定時信號為基準，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點的粗同步，再通過對訓練序列相關(guān)運算尋找相關(guān)峰，計算定時偏差，并自適應(yīng)調(diào)整實現(xiàn)節(jié)點間的精確同步。
通過對上述多址接入?yún)f(xié)議的研究可以看到，用于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議應(yīng)具備如下特點：
*協(xié)議要能夠適應(yīng)拓撲的動態(tài)變化，即自適應(yīng)拓撲變化；
*協(xié)議要能夠適應(yīng)不同業(yè)務(wù)對帶寬的需求，保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS，即自適應(yīng)業(yè)務(wù)變化；
*協(xié)議要能夠為不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量QoS（如緊急業(yè)務(wù)的優(yōu)先級要高于實時業(yè)務(wù)，實時業(yè)務(wù)的優(yōu)先級要高于非實時業(yè)務(wù)）；
*協(xié)議要盡可能地避免信道的碰撞和不必要的空閑，同時減小控制開銷，提高對信道的利用率。
3 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)多址協(xié)議的開發(fā)
對無線通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)是一個復(fù)雜的工程，尤其是在條件有限的實驗室內(nèi)。筆者的開發(fā)思想如圖2所示。
整個通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺由MAC協(xié)議開發(fā)平臺、物理層模擬平臺和信道模擬器三部分組成。通信軟件開發(fā)平臺和物理層模擬平臺為一個節(jié)點平臺。
3．1 MAC協(xié)議開發(fā)平臺
MAC協(xié)議開發(fā)平臺主要由嵌入式微處理器、存儲系統(tǒng)及相關(guān)各種接口組成。對該平臺的設(shè)計主要集中在嵌入式微處理器的選型上。在這里，筆者最關(guān)心的是處理器的處理速度能否滿足系統(tǒng)參數(shù)的需求。雖然，各種處理器都提供了相關(guān)的處理能力指標（如ARM9處理器在200MHz的頻率下，處理能力為220MIPS）給用戶以參考，但是最終的軟件執(zhí)行時間還與軟件自身的設(shè)計及編譯器的編譯效率等因素有關(guān)。因此，這個問題很難有一個明確的結(jié)論。
筆者在設(shè)計中采用了ARM處理器運行MAC協(xié)議軟件。對ARM處理器的選擇是通過下述方法確定的。首先，設(shè)計并編寫處理時間敏感的軟件，然后在AXD調(diào)試工具下調(diào)用ARMUL調(diào)試內(nèi)核，對編寫的軟件進行實時分析。在調(diào)用ARMUL調(diào)試內(nèi)核時，應(yīng)根據(jù)使用處理器的特點（如是束帶有MMU功能）、系統(tǒng)的時鐘頻率、存儲器的訪問時間等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。運行軟件時，調(diào)用Debugger Internals工具，就可以看到運行整個軟件所需要的時鐘周期及對總線上各種時序的統(tǒng)計。由此可以判斷這部分軟件的運行時間，以及選擇處理器能否滿足需要。另外，在選擇處理器時，應(yīng)注意給處理器留下一定的余量（一般，應(yīng)留下30%的處理余量）。
3．2 物理層模擬平臺
物理層模擬平臺主要由FPGA實現(xiàn)。該平臺可作為一個設(shè)備直接掛在上述處理器的總線上，也可以通過串口、USB口或其它接口與MAC協(xié)議開發(fā)平臺相連。這應(yīng)根據(jù)實際工程需要選擇，筆者選擇的是前者。物理層模擬器的平臺框圖如圖3所示。
對信道的模擬采用5線制，分別是：發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線、發(fā)送指示線、接收指示線和地線。將發(fā)送數(shù)據(jù)線和接收數(shù)據(jù)線分開，是為了避免模擬碰撞事件發(fā)生時可能造成的對器件的損壞（例如將兩個節(jié)點對連，且同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況）。由于收發(fā)數(shù)據(jù)線只有“0”或“1”這兩種狀態(tài)，無法區(qū)分信道有無數(shù)據(jù)，因此增加了收發(fā)指示線。同時，通過這兩條線可以方便處理器判斷信道是否發(fā)生磁撞。
在物理聲能設(shè)備2個發(fā)送緩存和2個接收緩存可以提高協(xié)議的性能。MAC層與物理層的數(shù)據(jù)交換采用“乒乓”方式，即當物理層操作緩存A時，MAC層可操作緩存B，這樣MAC層與物理層的數(shù)據(jù)交換就不會占用信道時間。
3．3 信道模擬器
因為是對鏈路層的通信模擬，所以物理信道的多徑干擾、同道干擾等因素可以完全忽略掉。而在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中，通信鏈路的那些特點會對MAC層及高層的處理造成影響�？偨Y(jié)出如下幾點：
*傳播時延；
*隨機錯誤（對于突發(fā)錯誤，完全可以通過交織技術(shù)離散為隨機錯誤）；
*網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化。
信道模擬器可由FPGA和單片機實現(xiàn)，所需要模擬的鏈路事件有：傳播時延、信道碰撞、信道出錯、拓撲改變。
對傳播時延的模擬可由移位寄存器完成，移位寄存器的輸入時鐘等于信道波特率，移位寄存器的級數(shù)可由單片機動態(tài)控制。對信道碰撞的模擬可由邏輯與門（或邏輯或門）和收發(fā)狀態(tài)指示線共同完成。對信道出錯的模擬可由單片機運行與實際信道特性相符的隨機錯誤產(chǎn)生自滿，改變移位寄存器上某一位或某幾位的狀態(tài)來實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)拓撲的改變可由單片機控制，按預(yù)先設(shè)置或按鍵輸入動態(tài)改變。
4 幾點說明
�。�1）對MAC層的協(xié)議設(shè)計與物理層及工作的物理環(huán)境是密不可分的。因此，在開發(fā)MAC層協(xié)議及軟件時，對物理層模擬平臺的設(shè)計和信道模擬器的設(shè)計應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的最終工作環(huán)境及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。
�。�2）按照上述開發(fā)方法所開發(fā)的MAC層軟件可直接應(yīng)用于最終的系統(tǒng)上。按照這樣的思路，各通信層面上的軟件開發(fā)都可通過建立相應(yīng)的鏈路模擬平臺來并行開發(fā)，縮短開發(fā)周期。
�。�3）在對處理器的選擇的討論中沒有考慮操作系統(tǒng)的影響。如果考慮操作系統(tǒng)，那么處理器的處理能力按照經(jīng)驗只能折算為以前的1/3。
�。�4）如果需要開發(fā)的系統(tǒng)是全網(wǎng)同步的，如TDMA系統(tǒng)，那么物理層模擬器的設(shè)計將更為復(fù)雜。
