【小凡实验室】WLAN中MAC子层接入技术的研究

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【小凡实验室】WLAN中MAC子层接入技术的研究

WLAN都以多路复用信道作为通信的基础，这样与采用点到点连接的网络相比，存在一个关键的技术问题：当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。在WLAN中完成该功能的是数据链路层DLC的介质访问控制MAC(medium access control)子层。可以说，WLAN的网络性能(吞吐量、时延等)完全取决于MAC子层的接入协议。所以，制定适当的MAC子层规范，根据网络业务特征有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量，是未来WLAN研究的重要课题。

二. MAC接入机制的分类

MAC层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配信道资源。多个终端共享同一信道资源的方法称为信道接入方式，或称多址方式。在无线局域网中MAC子层常用的多址机制可以分为以下三类：

1.随机竞争类，如Aloha系列。随机竞争类的协议一般使用公共信道，连接在这条信道上的终端都可以向信道发送广播信息。如果终端需要发送，它以某种方式竞争信道的使用权，一旦得到使用权立即发送，所有的终端都能接收到发自任一终端的信息，如果检测到是发给自己的就接受，否则抛弃。

2.按需分配类(或称预约类、无竞争类)，如token ring等。这种方法的原则是网络按某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送，如果有则立即发送，否则网络立即转向下一个终端。轮询的特点是各分站可以公平地获取信道访问控制权，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况。这种多址方式操作简单易于实现，在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛应用。

3.固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA等;它们的原则是把共享的一条信道分割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配给一个或多个用户专用。

以上三类多址接入技术分别适用于不同的通信业务。对于以话音业务为主，通信量稳定的网络，固定分配类可以提供可靠的服务,同时又保持很高的信道利用率。按需分配类，不存在信息的碰撞，但是通常需要一个专用信道，所有的用户在该信道上以固定分配或随机接入的方式提出呼叫申请，适用于通信业务量随机变化且难以预测的情况。固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务，而随机竞争类更适用于间歇性工作的用户发送非时延敏感性的业务。

三.各类多址方式的优劣浅析

固定分配方式如时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)等，固定地将信道划分为不同的子信道分配给各个用户。这种分配方法是面向信道的，适用于比较连续的流业务，如语音业务，而当用户不发送信息时，分配给它的信道将白白浪费。

CDMA是固定分配方式和随机分配方式的结合，它有着一些显著的优点，如零信道接入时延，带宽利用率高和良好的统计复用特性，而且使用CDMA技术能够在很大程度上降低隐藏终端问题的影响。但是它的缺点是传输速率限制和基站复杂性高。

随机接入方式是一种竞争方式的多址接入技术，适合于强突发性业务，ALOHA是一种简单的随机接入方式，当业务量较重时，容易发生业务流碰撞。而载波侦听多址访问CSMA技术使整个信道带宽为所有用户共享，只有当信道空闲时，才允许用户发送信息，这种方式降低了碰撞发生的概率。而CSMA/CA将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个终端发送，实现了网络系统的集中控制。但必须看到，时延、隐藏终端和暴露终端是WLAN固有的问题，目前主要的解决方法是采用RTS/CTS(Request To Send/ Clear To Send)短信息握手机制。像多址接入冲突预防协议MACA(Multiple Access Collision Avoidance)、MACAW(MACA的改进型)、FAMA(Floor Acquisition Multiple Access)等主流的MAC子层协议都使用了RTS/CTS短分组。

按需分配方式为用户保留了带宽，用户考虑到自己对带宽的需求向网络提供明确信息。网络根据用户业务的数据长度分配带宽，当用户处于空闲期时，分配给该用户的带宽将分配给其它的用户。通过按需分配带宽，网络带宽资源的浪费减少到最小，也没有由于资源竞争而浪费的带宽以及由此产生的时延，从而可以达到很高的信息吞吐率。一种简单的按需分配方式是由中央控制器轮流询问各个用户，当用户需要发送信息时，由中央控制器分配带宽，这就要求中央控制器的稳定性相当高。

必须指出，多址方式还与网络的通信方式密切相关。预分配方式或争用方式对点对点(只有一个目的终端)的通信方式较适用，但单纯的争用方式对广播型(有多个目的终端)的通信方式并不适用，因为一次争用信道，难以保证多个目的终端都能顺利接收，但若采用争用和预约相结合的办法就可行了。

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