ESFRA移动网络媒体访问控制无线传感器网络(MAC)协议

ESFRA：移动网络媒体访问控制（MAC）协议文章共分为五个部分：1：综述无线网络中存在的问题。2：说明现在主流的MAC协议如何处理HS、ES、NC和MHS问题3：提出ESFRA协议4：说明ESFRA协议如何解决HS、ES、NC和MHS问题。并利用马尔可夫模型分析比较SFRA、IEEE802.11和ESFRA5：结论第一部分：概述移动通信设备的扩展需要一个可靠和有效的媒体访问控制协议。在本论文中，基于SFRA协议提出了ESFRA。ESFRA作用：协议的提出是为了通过相对位置的传送节点解决在移动网络和adhot网络中的移动隐藏终端问题。除了解决移动隐藏终端问题，ESFRA还能解决暴露终端问题和邻域捕获问题。移动隐藏终端问题：移动隐藏终端问题是移动网络中所特有的，也是无线网络中主要考虑的问题，它严重关系到无线网络的性能。分析方法：采用了马尔可夫模型对吞吐量、延迟和冲突的概率进行估算。通过马尔可夫模型对ESFRA协议和SFRA协议、IEEE802.11协议进行对比，分析结果表明，ESFRA协议明显减小通信延迟，增加吞吐量和降低冲突概率。比如，相对于IEEE802.11协议，ESFRA协议在数据吞吐量上提高了28%，而对SFRA协议提高了33%。相对于IEEE802.11协议来说，ESFRA协议性能的提升是以牺牲同步性为代价的，而对于SFRA协议来说没有额外的成本。移动网络会产生一个特殊的问题：移动隐藏终端问题MoblieHiddenStation（MHS）移动隐藏终端严重影响了网络性能，扩展滑动帧预约Aloha（ESFRA）协议的提出就是为了解决移动隐藏终端问题。除了解决移动隐藏终端，ESFRA协议还可以解决隐藏终端HiddenStation（HS），暴露终端ExposedStation（ES）和邻域捕获问题NeighborhoodCapture（NC），这些问题都会显著影响到无线网络环境中数据传输的速率和延迟。特别是NC问题，在一个多节点网络环境中，一个节点被其他附近节点长时间剥夺信道访问。如图所示：如果节点A与节点K进行通信，节点C与节点I进行通信，那么节点B和节点F就将面临NC问题。HS问题可以通过请求发送消息（RTS）和清除发送消息（CTS）来解决，但RTS/CTS会带来暴露终端ES问题。SFRA协议只能解决HS问题和ES问题，但不能解决MHS问题。ESFRA协议可以同时解决MHS、NC、HS和ES四类问题，可以促进移动网络资源的利用。第二部分：现有MAC协议对HS、ES、NC和MHS问题的解决现状IEEE802.11协议以及它的修改版本可以通过请求发送消息和清除发送消息（RTS/CTS）能够解决HS和ES问题，但不能解决诸如移动隐藏终端MHS的移动性问题，也没有解决诸如NC的阻塞问题。SFRA协议是一种基于同步预定的MAC协议，SFRA协议可以通过滑动帧的行为来解决HS和ES问题，也能够解决NC问题和减少MHS冲突，但不能完全解决MHS问题。O.Tsigkas,F.-N.Pavlidou,ProvidingQoSsupportatthedistributedwirelessMAClayer:acomprehensivestudy,IEEEWirelessCommunications15(1)(2008)22–31.一文中提出了M-ary树算法ATPB，而这种算法完全参照请求发送消息和清除发送消息RTS/CTS，所以它只能解决HS和ES问题，而不能解决MHS问题。Z.J.Haas,J.Deng,Dualbusytonemultipleaccess(DBTMA)-amultipleaccesscontrolschemeforadhocnetworks,IEEETransactionsonCommunications50(6)(2002)975–985.P.Wang,H.Jiang,W.Zhuang,ADualBusy-ToneMACSchemeSupportingVoice/DataTrafficinWirelessAdHocNetworks,in:Proc.ofIEEEGLOBECOM,SanFrancisco,USA,December,2006.两篇论文中提出了一种异步和分布式的方案，即双忙音媒体接入（DBTMA），将带宽划分为三个频道，其中一个用来发送数据，另外两个用来通知附近发送节点和接收节点忙音。所以，DBTMA最大限度地为两个发送节点创造了无碰撞区。因此它不能解决NC问题和MHS问题。交错MAC协议是一种分布式的方案，它使用两个频道，一个用来传输RTS和数据，一个用来传输CTS和ACK应答信息，因此它能够解决HS和ES问题，也能够减小由于NS问题产生阻塞的概率，但它不能解决MHS问题。GCR使所有节点同时释放信道，而且所有节点有同等的机会去竞争信道，GCR能够像IEEE802.11那样解决NC、HS和ES问题，但不能解决MHS问题。K.A.Rahman,K.Am.Rahman,M.Lott,K.E.Tepe,CharacterizationoftheadverseeffectofneighborhoodcaptureinMANETandonthewaytoaremedy,in:Proc.ofIEEEEIT2009,Windsor,ON,Canada,June2009,pp.344–348.作者提出了一种扩展R-Aloha协议的方案（ERA），ERA是一种同步预约的方案，在通信范围内的两个站使用相同在连续的不同帧中的时隙，当任意两个帧使用同一个时隙，他们会保存这个时隙为将来所使用。ERA解决了HS、ES和NC问题，也能够减小MHS冲突。第三部分：ESFRA协议ESFRA协议是在SFRA协议基础上提出的。在SFRA协议中，信道时间被划分为时隙，并归类为一个帧，每个帧被假定包含N个时隙，协议的基本原理包括以下几点：1）开始阶段，每个节点获取一个时隙作为它的基础信道发送数据包，数据包括有效荷载和帧信息Frameinformation（FI）2）在节点活跃期间储存这个信道，SFRA协议通过FI分配各个节点时隙状态的信息，不管这个时隙是忙碌还是空闲。每个节点记录先前N个时隙的状态，叫做SF。3）在每一个时隙，接收到的帧信息（FI）被用来更新N个时隙的状态。在这种方式下，一个节点知道两跳距离的节点通信状态。所以，确定位置的节点至少三跳的距离才可以重用忙碌的时隙。SFRA协议通过这些解决隐藏节点和暴露节点问题。4）当节点关闭或者退出其他活跃节点的传输范围，时隙将自动释放。SFRA协议的原理：如图所示，随着传输节点的增加，MHS冲突的概率也是增加的，所以SFRA协议不能解决MHS问题。ESFRA协议的提出ESFRA协议是在SFRA协议的基础上进行设计，用来解决MHS问题。ESFRA协议通过FI通知相对位置的节点，通知的内容不包括时隙的状态。ESFRA协议主要在SFRA协议上做了以下修改：1）节点学习那些属于最直接的邻居节点或者2跳和3跳距离节点的忙碌时隙。2）允许移动节点争夺空闲时隙，在争用期会产生冲突，但这些冲突只会在空闲时隙产生，而不会在忙碌时隙产生。ESFRA协议相比SFRA协议的优势竞争节点能在一个很小时间内感知到空闲时隙。这是通过一个后退计时器做到的。具有较低价值的竞争节点可以优先获取空闲时隙的权利。如果有冲突，将再次重置后退计时器。为了使接受节点在数据传输开始阶段避免不必要的损失，有必要知道接受节点是空闲还是忙碌。当一个节点有一个数据包发送给另一个节点，它将发送RTS信息以获取接收节点的状态。如果接收节点是空闲的，那么接收节点将发送CTS信息给发送节点。发送节点通过保存的时隙传输数据包。RTS/CTS握手只能在新传输任务的开始阶段完成。通过ESFRA协议，发送者可以推断出接收者随后保存的时隙。在一个很小负载的网络中，任何节点能保存额外可用的时隙，以便用于更多数据的传输。在SFRA协议中，一个节点知道两跳距离之内的节点通信状态，而ESFRA协议可以向三跳距离的节点发布状态信息。ESFRA协议FI中包含三个连续节点的预定信息，当节点处于至少4跳距离的时候将重新使用时隙。ESFRA协议中FI包含时隙的状态信息，这些信息被定义为BUSY-1时隙，BUSY-2时隙和FREE时隙。忙碌时隙是已经被预定的时隙，空闲时隙是可以使用的时隙。1）如果一个节点发现任何节点正在使用一个时隙用来传输，那么它不再使用这个时隙，而这个时隙在它的FI信息中被记录为BUSY-1。2）如果一个节点在接收到的FI中发现任何时隙的状态都是BUSY-1，它不再使用这个时隙，而这个时隙在它的FI信息中被记录为BUSY-2。3）如果一个节点在接收的FI信息中发现任何时隙状态都是BUSY-2，它不再使用这个时隙，在它的FI信息中这个时隙将被定义为FREE。这个空闲的时隙将被总是定义为FREE。图片展示了ESFRA协议的工作流程。S1发送数据给S2，S4移动至S3。S3是相对于S1的隐藏节点，S5是相对于S1的暴露节点，S4是相对于S1的移动隐藏节点。“BUSY-1”被标记为“B1”，“BUSY-2”被标记为“B2”，“FREE”被标记为“FR”。使节点S1、S2、S3、S4预定时隙1、2、3、4，分别作为他们的信道，他们使用属于自己的信道传输FI信息和数据信息。图片显示S2记录了S1的预定作为BUSY-1，同样S3记录了S1的预定作为BUSY-2，S2的预定作为BUSY-1，S4的预定作为BUSY-1。因此，这种改进的协议将时隙状态分配到三跳的距离。第四部分：分析1：ESFRA协议如何解决NC问题假设所有节点采用IEEE802.11协议，如图所示，S1向S5发送数据，S2向S6发送数据，S3向S4发送数据。S2首先进行数据传输，当S2结束传输后，信道处于空闲状态。当S3向S4发送数据，S2不能占用信道，因为S2在S3的通信范围之内。但是S1能够使用信道进行数据传输，因为S1在S3的通信范围之外。S1开始向S5发送数据，如果此时S2想要传输数据，必须等待S1和S3同时都释放信道。因此S2严重受到其邻域节点的影响，这就是使用IEEE802.11协议所产生的问题所在。当使用ESFRA作为MAC协议时，每个节点允许预定一个时隙，S2知道节点S1和S3的预定时隙，当信道没有被S1和S3占用的时候，S2可以与其他节点进行通信。这就论证了S2不受到NC问题的影响。2：ESFRA协议如何解决MHS问题当任何节点移动到S4的位置附近时，它将接收到S3的FI信息，并知道S1的预定，从而避免使用时隙。所以，ESFRA协议可以解决移动隐藏节点问题。3：ESFRA离散时间马尔可夫链模型4：使用马尔可夫模型分析MHS问题的结论通过比较ESFRA与SFRA、IEEE802.11吞吐量、延迟和冲突概率对MHS问题所产生的影响。图Fig.8显示了ESFRA、SFRA和IEEE802.11产生冲突概率的对比。在吞吐量方面，ESFRA协议也有很大的改进在延迟方面，ESFRA协议的延迟有明显的减小。当移动节点为14时，ESFRA、SFRA和IEEE802.11对比第五部分：结论在这篇论文中，ESFRA协议是一个适用于移动网络的新颖的MAC协议。ESFRA是用来解决MHS问题的MAC层协议。论文分析论证了MHS会严重影响移动网络MAC层协议的性能，ESFRA协议提供了一个MHS的解决方案。并运用马尔可夫模型分析ESFRA、SFRA和IEEE802.11的性能指数。基于马尔可夫模型的论证，相对于SFAR和IEEE802.11，ESFRA协议能够产生提供更小的冲突概率，更高的吞吐量和更低的延迟。随着无线网络的发展，MAC层协议必须要以解决移动隐藏节点MHS问题来进行设计。ESFRA协议能够提供有竞争力的解决办法，而ESFRA协议只需要在不同节点之间做到同步性。通过类似于GPS的可靠位置定位系统，这个同步性问题就能被有效解决，