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基于 WiFi 的远程网络的 TDMA MAC 协

议

WiFi 已被广泛研究以超出其最初的短距离通信目的来使用它。由于其大量生产和成本效益，

刺激了这种努力。基于 WiFi 的长途（WiLD）网络设想改变农村通信情况，尤其是在不发

达国家。然而，发现 CSMA / CA（WiFi 的事实 MAC 协议）不适用于 WiLD 网络。结果，

在文献中提出了各种基于 TDMA 的 MAC 协议，以替代 CSMA / CA。在这种情况下，建议

的协议已显示出显着的性能改进。在本文中，我们基于其主要特征提出了 WiLD MAC 协议

的分类框架。使用分类框架，对针对 WiLD 网络提议的 MAC 协议进行了调查。通过指出

TDMA MAC 协议在 WiLD 环境中的优点和缺点，对其进行了严格的检查。此外，本文提

出了该领域中一些最新的开放研究挑战。

一般条款：

农村网络，MAC 层，无线通信

关键字：

CSMA / CA，MAC 协议，TDMA，WiFi，WiLD 网络

1.引言

近年来，WiFi 通过使用长距离链接为偏远欠发达地区提供 Internet 连接变得非常流行。

但是，WiFi 最初旨在支持无线局域网（WLAN）进行短距离通信。 WLAN 的广泛标准

（在 2.4 GHz 频带中运行的 IEEE 802.11b / g）是最受欢迎的无线标准之一。 ISM 频段

中的免许可证操作以及各种可用的低成本 IEEE 802.11 硬件商品使 WiFi 成为农村使用的

有吸引力且经济可行的通信替代方案。各种研究成果还确定了 WiFi 的可行性，将其作为长

距离通信的实用解决方案。

WiLD 网络通常由长距离 WiFi 链路组成，这些链路由覆盖数十公里的高增益定向天线启用。

下一节将说明农村地区的典型 WiLD 网络架构。包括研究测试台在内的许多 WiLD 网络都

部署在世界的不同角落。鲜为人知的现实生活中的 WiLD 部署包括印度北方邦的数字恒河

平原，印度泰米尔纳德邦的 Aravind 远程医疗网络，秘鲁亚马逊丛林的长途网络（用于远

程医疗和电话）以及 Akshaya 网络（用于印度喀拉拉邦的电子政务）。最近还建立了几

个研究试验台。 MIT 的 Roofnet，位于加利福尼亚州纳帕县的 Quail Ridge Reserve 的

QuRiNet，位于印度孟买的 IIT 的 FRACTEL 和 VillageNet 是一些重要的 WiLD 网络研究

测试平台，旨在提高网络性能，为各种设想的应用提供支持，尤其是实际应用时间应用程

序，例如电子学习，电子政务，远程医疗和电话。

WiLD 网络的可行性面临许多挑战。由于信号衰落和干扰等因素限制了整个网络的性能，

因此长距离无线链路高度不可靠。此外，WiLD 网络的多跳性质极大地影响了端到端的吞

吐量和延迟。 WiLD 网络研究的一些潜在目标是进一步改善长距离通信中的网络性能，特

别是通过改善频谱使用率来提高网络吞吐量，减少延迟。

介质访问控制（MAC）协议在最佳利用共享传输介质中起着关键作用，该介质直接影响整

体网络性能。它解决了能源浪费问题的主要来源，例如冲突，空闲监听，监听和控制数据

包开销。诸如时分多址（TDMA）之类的基于计划的协议为流量关联，严重冲突，争用和

偷听问题提供了良好的解决方案，这些问题通常出现在基于争用的信道访问协议中。在文

献中已经提出了许多用于 WiLD 网络的基于 TDMA 的 MAC 协议，以解决与继续使用商品

802.11 硬件的长距离通信中的性能增强有关的问题。但是，单点故障，可感知干扰的调

度，避免拥塞，QoS 设置，多跳支持，网络可靠性等问题仍未解决或部分解决。

在本文中，我们首先定义一个分类框架，以基于网络控制，同步，调度机制，时隙大小等

因素对不同协议进行分类。然后，我们对针对 WiLD 网络提出的基于 TDMA 的 MAC 协议

进行了系统的调查。。通过指出它们的优缺点，讨论了基于 TDMA 的 MAC 协议的独特功

能。最后，列出了未解决的研究问题，并提出了可能的解决方案的建议。

本文的其余部分安排如下。在第 2 节中，描述了使用 WiLD 链接的基本农村网络体系结构。

第 3 节讨论了为什么标准 CSMA / CA 协议不适用于 WiLD 网络，而首选 TDMA。第 4 节

介绍了用于 WiLD 网络的基于 TDMA 的 MAC 协议分类和比较的不同标准。第 5 节对

WiLD 网络的不同基于 TDMA 的 MAC 协议进行了分析和比较。第 6 节强调了针对 WiLD

网络的基于 TDMA 的 MAC 协议的开放研究问题。最后一部分介绍了本文的结论。

2.基于 WIFI 的农村网络体系结构

基于 WiFi 的乡村网络由高增益定向天线支持的长距离点对点（ P2P ）和点对多点

（P2MP）链路组成。这样的链接通常范围从几公里到几十公里，以覆盖农村地区的长途

路程。 WiLD 网络中的网关节点通常位于区域总部，该区域总部通过光纤或其他通信介质

连接到高速 Internet。农村网络的骨干网由多个中间节点组成，通常通过使用约 25 至 50

米高的高塔形成。节点通过长距离 P2P 无线链路与高增益（23-27dBi）定向天线和大约

80 的波束宽度相连。Bhagwat 等人。通过设置一对 100mW 发射器来实现 38 公里的

WiLD 链路，该发射器连接到位于两端高楼（40m）塔顶上的 23dBi 网格抛物线形定向天

线。村节点通过中间节点连接到网关，这些村节点又使用 P2MP 链路为村接入点提供连通

性。在 P2MP 无线链路中使用的扇形天线通常具有约 17-19dBi 的增益和约 300-900 的

波束宽度。网络中的每个节点都配备有多个无线电接口，这些接口可以通过此类链路进行

多跳流量传输。这种网络的端点具有短距离（本地访问）链接，这些链接配有扇区或全向

天线，作为最终用户分发网络。

由 FRACTEL 提出的典型 WiLD 网络架构如图 1 所示，其中考虑了一个包括长距离和短距

离本地访问链路的网络。长距离链接将连接性从称为网关的有线连接点扩展到每个村庄的

特定点。另一方面，使用本地网关上的扇形天线通过 P2MP 链路提供到乡村接入点的连接。

该架构是基于这样的假设，即可以通过几步之遥即可从其地区总部到达大多数村庄。单跳

距离约为 1-40 公里。本地访问链接将连接性从此点（称为本地网关）扩展到附近的多个

位置。这些附近的位置可能包括个别建筑物，例如学校，保健中心，社区中心，住宅建筑

物等。

3 适用于野生网络的 MAC 协议

MAC 协议大致分为基于争用和无争用的协议。在 WiFi 中，CSMA / CA 是基于事实竞争的

MAC 协议，而基于 TDMA 的 MAC 协议属于广泛使用的无竞争协议。

CSMA / CA 是一种信道访问机制，最初旨在解决室内条件下的争用。在 CSMA 机制中，

节点在传输数据之前会在指定的时间段内争夺共享信道，从而确保信道空闲。仅在确保信

道空闲之后，节点才开始其传输。如果感觉到信道繁忙，则节点将延迟其传输，直到其变

为空闲。通过尝试在冲突域内可用的所有传输节点之间公平地共享信道，避免冲突用于提

高 CSMA 方法的性能。

TDMA 信道访问方法用于在公共传输范围内可用的节点之间共享媒体。通过将传输时间划

分为多个离散时隙，它允许多个站共享同一频道。在 TDMA 机制中，信道由超帧结构限制，

该超帧结构由协调器分配的多个时隙组成。连续的时隙间隔很短的时间，称为保护时间。

保护期用于确保站点之间的不重叠传输。同步时间小于保护时间的两个站点可以成功通信

而不会发生任何冲突。时隙根据它们的业务需求在竞争节点之间分配，即，只要节点有数

据要发送，就获得一个时隙。由于 TDMA 是基于调度的 MAC 方案，因此节点可以在空闲

时间关闭无线电以节省能量。此 MAC 方案的正确运行需要所有节点及时同步。

表 1 中提供了基于 CSMA 和 TDMA 的信道访问机制之间的比较。

TDMA 有效利用可用带宽，因为可以组合使用某些数量的时隙，直到某些特定应用所需的

最大数量为止，以增加数据吞吐量。同样，在 TDMA 的情况下，由于协调器节点对网络资

源具有绝对控制，因此可以支持的流量很高。

基于 CSMA / CA 的网络比 TDMA 更具可扩展性。这是由于以下事实：增加网络中的节点

数需要在每个帧中增加时隙，从而导致每个节点的传输延迟更长。为了在每个帧中容纳更

多的时隙，时隙的长度也需要缩小。尽管基于 CSMA / CA 的网络比 TDMA 具有更高的可

扩展性，但是基于 CSMA / CA 的网络的整体效率随着流量负载的增加而下降。为了避免

时隙重叠，基于 TDMA 的协议要求严格的同步，而基于 CSMA 的 MAC 协议不需要在节点

之间建立任何同步。基于 TDMA 的 MAC 协议在功耗方面表现更好，因为每个节点都可以

在其他节点的时隙期间关闭其无线电，以节省功率，否则这些功率会争用繁忙的信道。

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