自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議綜述

孫志國(guó) 魏萌 張春暉

【摘要】移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)屬于無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)，在軍用通信領(lǐng)域以及民用應(yīng)急通信領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議具有較好的網(wǎng)絡(luò)管理能力以及較好的業(yè)務(wù)資源分配能力，但是目前這種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)較大，本文首先對(duì)當(dāng)前熱門(mén)的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行總結(jié)，然后就集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議提出一種低開(kāi)銷(xiāo)的協(xié)議改進(jìn)方案以供大家參考。

【關(guān)鍵詞】自組織網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)鏈路層;TDMA

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06.001

按照是否具有通信基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)可以分為基于基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)與無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。這里所指的基礎(chǔ)設(shè)施包括交換機(jī)、路由器、基站等。但某些應(yīng)用場(chǎng)合不具備這些條件。比如，戰(zhàn)場(chǎng)上部隊(duì)快速展開(kāi)和推進(jìn)時(shí)，不可能架設(shè)專(zhuān)門(mén)的通信設(shè)施，但指戰(zhàn)員、車(chē)輛及各種軍事設(shè)備之間需要交換信息和保持聯(lián)系。在自然災(zāi)害或其它各種原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障或無(wú)法使用時(shí)，如何進(jìn)行應(yīng)急通信也是需要解決的難題。因此在這些情況下，一種不依賴(lài)于任何通信基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要，這種網(wǎng)絡(luò)只依靠無(wú)線(xiàn)終端之間的相互協(xié)作來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，這便是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。

1. 自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：

移動(dòng)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議屬于自組網(wǎng)的中層協(xié)議，位于物理層與網(wǎng)絡(luò)層中間，起到承上啟下的關(guān)鍵作用，主要為自組織網(wǎng)絡(luò)提供可靠的同步功能、公平的資源分配功能以及高速的接口功能。目前，自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可分為：基于競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議以及基于非競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議?；诟?jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議又分為隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議、預(yù)約/沖突解決協(xié)議?；诜歉?jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議一般涉及TDMA協(xié)議，主要分為集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與分布式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。下面就幾種典型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行分別介紹。

1.1 第一種是MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）協(xié)議，屬于預(yù)約/沖突解決協(xié)議。

這種協(xié)議采用兩個(gè)很短的信令消息RTS和CTS預(yù)約信道，例如節(jié)點(diǎn)A希望向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)RTS消息，給出隨后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;節(jié)點(diǎn)B收到RTS幀后向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)CTS幀，給出將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度;節(jié)點(diǎn)A收到CTS幀后，立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀。RTS幀和CTS幀就是為了通知附近節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)發(fā)送有可能發(fā)生，以減小沖突。假如有節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到RTS幀的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該退避推遲發(fā)送，直到CTS幀已經(jīng)被通信申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)接收。假如有節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到CTS幀也應(yīng)該退避推遲發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，直到通信過(guò)程完成。假如節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有收到任何節(jié)點(diǎn)的CTS幀，那么它將超時(shí)重發(fā)RTS幀，MACA一般采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法選擇重傳的時(shí)間。MACA解決了一部分的隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，但是并沒(méi)有完全解決。例如，ABCD4個(gè)節(jié)點(diǎn)按照下圖1所示方式進(jìn)行排列，

節(jié)點(diǎn)A希望向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)幀，首先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)RTS幀，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)了一個(gè)CTS幀，假如此時(shí)該CTS幀正好與節(jié)點(diǎn)D向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的RTS幀發(fā)生沖突。節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有感知到?jīng)_突的發(fā)生，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)D由于沒(méi)有收到節(jié)點(diǎn)C的CTS回復(fù)幀，向節(jié)點(diǎn)C重發(fā)了一個(gè)RTS幀，然后節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個(gè)CTS幀，該CTS幀在節(jié)點(diǎn)B處與A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀沖突。還有一種MACAW協(xié)議，采用RTS-CTS-DS-DATA-ACK五步通信機(jī)制，與MACA相比增加了DS和ACK步驟，DS幀可以通知鄰居節(jié)點(diǎn)通信的預(yù)約情況，減少?zèng)_突，ACK幀反饋數(shù)據(jù)幀的接收情況，便于重發(fā)。除此之外，該協(xié)議還增加了RRTS機(jī)制，可以大大縮短退避節(jié)點(diǎn)恢復(fù)通信的時(shí)間。

1.2 802.1 1 PCF協(xié)議，屬于異步隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議。

基于CSMA機(jī)制，每當(dāng)有節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，都要事先監(jiān)聽(tīng)信道，當(dāng)信道空閑時(shí)，或者使用RTS-CTS幀預(yù)約發(fā)送機(jī)制，或者不使用預(yù)約機(jī)制。當(dāng)使用預(yù)約機(jī)制時(shí)，發(fā)送端發(fā)送RTS幀，里面攜帶通信需要的總時(shí)間;隨后接收端發(fā)送CTS幀，同樣攜帶通信需要的總時(shí)間;發(fā)送端收到CTS幀后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并等待確認(rèn)幀;接收端收到數(shù)據(jù)幀后，發(fā)送一個(gè)ACK幀進(jìn)行確認(rèn);若發(fā)送端定時(shí)器超時(shí)，重復(fù)以上過(guò)程，重發(fā)該幀;監(jiān)聽(tīng)到RTS幀和CTS幀的節(jié)點(diǎn)均退避一定的時(shí)間。該協(xié)議具有復(fù)雜的一套幀間距規(guī)則來(lái)保障它的功能。802.11PCF協(xié)議具有較好的動(dòng)態(tài)性能，且不要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步前提。但是當(dāng)鄰居中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)要占用信道時(shí)，碰撞沖突大大增加，效率較低。

1.3 基于固定分配的TDMA協(xié)議，屬于分布式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

既然屬于TDMA范疇，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步一定是充分條件。整個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示，

由圖2可以看出，整個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)分為四個(gè)階段：第一輪時(shí)隙請(qǐng)求階段、第二輪時(shí)隙請(qǐng)求階段、同步建立＼維護(hù)階段以及數(shù)據(jù)時(shí)隙階段。第一輪時(shí)隙請(qǐng)求階段將時(shí)隙請(qǐng)求擴(kuò)散到一跳鄰居范圍內(nèi)，而第二輪時(shí)隙請(qǐng)求階段將時(shí)隙請(qǐng)求擴(kuò)散到兩跳鄰居范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)兩輪時(shí)隙請(qǐng)求階段，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)也就掌握了所有兩跳范圍內(nèi)鄰居的時(shí)隙請(qǐng)求，然后根據(jù)事先預(yù)置的“優(yōu)先級(jí)表”分布式地計(jì)算時(shí)隙分配結(jié)果，該結(jié)果在數(shù)據(jù)時(shí)隙階段執(zhí)行。該協(xié)議幾乎完美地解決了隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送沒(méi)有任何沖突，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，但是獲得公平的“優(yōu)先級(jí)表”非常難。

1.4 集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議整個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖3所示

由圖3可以看出，集中式TDMA協(xié)議的時(shí)隙結(jié)構(gòu)分為五個(gè)階段：拓?fù)浣ⅲ芫S護(hù)階段、時(shí)隙請(qǐng)求階段、同步建立＼維護(hù)階段、時(shí)隙下發(fā)階段以及數(shù)據(jù)時(shí)隙階段。在拓?fù)浣ⅲ芫S護(hù)階段，建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，用于路由與排列時(shí)隙請(qǐng)求階段和時(shí)隙下發(fā)階段的時(shí)隙順序。在時(shí)隙請(qǐng)求階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)向時(shí)隙管理節(jié)點(diǎn)匯聚自己的時(shí)隙請(qǐng)求，在該階段和時(shí)隙下發(fā)階段，時(shí)隙順序?qū)⒏鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)情況動(dòng)態(tài)變化。在同步建立＼維護(hù)階段，建立與維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)。在時(shí)隙下發(fā)階段，時(shí)隙管理節(jié)點(diǎn)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，計(jì)算下發(fā)時(shí)隙分配結(jié)果。時(shí)隙分配結(jié)果在數(shù)據(jù)時(shí)隙階段執(zhí)行。該類(lèi)協(xié)議具有較好的多重業(yè)務(wù)管理能力，但是動(dòng)態(tài)性能較差，且協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)較大。為了減小協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，本文提出一種改進(jìn)的集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，將同步幀融合進(jìn)拓?fù)鋷?、時(shí)隙請(qǐng)求幀和時(shí)隙下發(fā)幀。由于時(shí)隙請(qǐng)求幀和時(shí)隙下發(fā)幀的發(fā)送順序是動(dòng)態(tài)變化的。本文提出一種策略來(lái)減小不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求幀與時(shí)隙下發(fā)幀的沖突，即時(shí)隙管理節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前在網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)集合，時(shí)隙請(qǐng)求幀與時(shí)隙下發(fā)幀順序排列只涉及在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)隙位置，例如在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)只有節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3時(shí)，那么時(shí)隙請(qǐng)求階段的時(shí)隙排布如圖4所示，

圖4中灰色時(shí)隙為不可用時(shí)隙，這樣的話(huà)就可以減小協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)并極大降低時(shí)隙請(qǐng)求階段和時(shí)隙下發(fā)階段的時(shí)隙沖突。

本文將現(xiàn)有的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)歸納，并就集中典型協(xié)議進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，最后就集中式TDMA數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議提出了改進(jìn)方案。

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