无线网络MAC层协议的分析与仿真研究

摘　要：随着通信技术，特别是无线网络技术的高速发展，MAC作为访问控制技术具有越来越重要的地位，是实现网络信道稳定、高效共享的基础。论文系统的研究了无线网络的MAC层协议，并对其仿真技术做了论述。

关键词：无线网络；MAC；共享信道
1.引言
　　近年来，随着通信技术的不断发展，特别是无线网络技术的不断成熟，越来越多的领域开始采用无线网络技术。特别是随着嵌入式技术发展带来的众多便携式产品，它们大都采用无线网络技术实现上网功能。由于涉及到不同的应用场合以及其它的一些要求，产生了众多的无线网络技术。在众多无线网络技术中，基本的协议框架都是类似的，主要是细节的不同。在无线网络的众多技术中，MAC层至关重要。MAC作为介质接入控制协议，其主要的作用就是控制各个通信节点对信道的访问，解决冲突，实现高效的共享。论文将系统的研究常用的无线网络技术中的MA C层协议，并对其进行仿真。
2. 无线网络MAC层协议的研究
　　无线网络技术众多，满足不同距离、不同层次的需求，本论文主要研究与我们生活紧密联系的3类无线网络技术。它们分别是无线局域网、无线个人区域网和无线传感器网。其中，无线局域网主要应用于类似校园这样的近距离区域，它具有组网灵活、布线费用少、不受线路限制等多个方面的优点，应用十分广泛。无线个人区域网主要是应用于从几米到10米左右空间内的高效数据传输，是普通网络电缆的替代品。无线传感器网是近年来才兴起的，由大量价格低廉、低功耗的传感器节点所构成的无线网络系统。其传输速率较低。
　　由于上述3类无线网络应用的场景不同，所以采用的协议也有很大的区别。大多数无线局域网采用的协议包括IEEE802.11系列标准和HiperLAN标准；无线个人区域网一般采用的协议是蓝牙、HomeRF及IEEE 802.15系列标准；而无线传感器网络采用的是IEEE 802.15.4标准。
　　从上面的研究可以看出：不同的无线网络技术采用的协议相差很远，但作为实现网络信道共享的MAC层的功能都是一样的，那就是通过对每个试图对信道进行访问的设备进行控制来实现信道的共享。一般都采用多址接入技术。从这个角度看：MAC层协议主要包括：以FDMA、TDMA、CDMA为代表的固定分配类型，以CSMA/CA为代表的随机竞争类型以及以中心控制MAC层协议和分布控制MAC层协议为代表的按需分配类型。其中，固定分配类型采用的多址接入方案是将一条共享的信道划分为多个相互孤立的子信道，并将每个子信道分配给一个访问节点使用。主要应用于语音网络，由于网络数据传输具有突发性的特点，所以该类协议很少应用于数据传输。随机竞争类型是为了满足网络数据传输突发性的特点而设计的，所以它采用的接入策略是随机接入，并辅助一些冲突避免的方法。故它主要应用于数据传输网络。按需分配类型采用的策略是循环询问每个节点，若有数据，则发送，若无，则转向下一节点。
　　从上述的研究中，可以看出不同类型的MAC层的协议采用的控制策略是不同的，自然其应用场合也有很大的区别。现在，我们对应用于低速无线网络的IEEE 802.15.4标准涉及到的内容进行研究，从而对常用的MAC层协议有一个整体的认识。在该标准中，其MAC层协议采用的控制策略是随机竞争类型的CSMA/CA。其中，CSMA/CA分为两种类型一种是应用于星型网络的带时隙的CSMA/CA；另一种就是无时隙的CSMA/CA。带时隙的CSMA/CA在星型网络中主要是通过中心节点的超帧来实现对网络信道的控制。其中，超帧具有两个类型的周期，一个是网络中每个访问节点都可使用CSMA/CA控制策略的活动周期；另一个就是所有访问节点都处于休眠情况的非活动周期。超帧的活动周期分为三个部分:信标、竞争访问期和竞争空闲期。其中，若采用信标，那么MAC层在超帧的竞争访问期间采用带时隙的CSMA/CA策略，否则采用无时隙的CSMA/CA。在这两种状态下，均采用随机退让的冲突避让机制。在CSMA/CA策略中，当一个数传输请求到达时，MAC层随机延迟一个时间，然后对物理层请求信道状态检测。在带时隙的CSMA/CA系统中，信道状态检测和数据传输都被安排在时隙边界。在非时隙CSMA/CA系统中，信道状态检测将立即开始。
3. 无线网络MAC层协议的仿真
　　由于笔者主要研究了IEEE 802.15.4标准的MAC层协议，那么我们的仿真研究也针对它进行。我们采用的仿真工具是NS-2仿真软件，该软件在网络拓扑结构、网络传输的研究中具有很好的效果。在NS-2中仿真MAC层协议的主要步骤是：1.采用C++在NS-2中实现MAC层协议；2.定义分组及包头类型；3.绑定C++和Tcl中的相应类；3.编译连接；4.设置仿真场景和通信模型；仿真；6.文件分析，输出结果。由于篇幅原因，在此就不详细列出仿真具体的实现过程。通过在NS-2中进行仿真，我们就能清晰的看到MAC层协议的整个过程，并能对在具体网络中的其它内容进行分析，例如可以对其能量情况进行分析。
4.结论
　　MAC层协议在整个无线网络中具有十分重要的作用。由于应用环境的不同，在不同的无线网络环境中采用的MAC层协议具有很大的区别。论文系统的论述了MAC层协议涉及到的相关内容，并对其仿真技术进行了说明。可以预见由于便利性的需要，覆盖不同层次、不同距离的无线网络技术将会得到快速的发展，其MAC控制策略也将发生巨大的变化，所以深入的研究MAC协议具有十分重要的现实意义和理论价值。

参考文献：
[1] 张太，张晓敏，李莉.IEEE802.11 MAC层协议解析.山东大学学报.2oo2(6):22-26
[2] 柯欣，孙利民.无线传感器网络MAC协议研究.计算机科学.2004
[3] 于海斌，憎鹏，王忠锋.分布式无线传感器网络通信协议研究.通信学报.2004 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/txlw/261248.html