MAC层协议

MAC层协议（共7篇）

MAC层协议 篇1

摘要：无线传感器网络是目前很热门的研究领域, 有着很广泛的应用前景, 但是由于较低的感应范围使得网络节点十分密集, 因此采用一种高效的媒体接入协议显得十分必要。本文首先列举出在设计MAC层协议时所需要考虑的一些关键特性, 然后具体描述各种MAC协议, 并指出它的优缺点, 得出结论。

关键词：MAC层协议,无线传感器网络,探究,融合

一、引言

随着硬件技术的发展, 低功耗的传感器节点可以仅由单独的芯片组成, 在这个芯片中将会集成内存、处理器和收发装置等。与其他的移动装置相比, 低的功率容量限制了传感器节点的通信范围和覆盖区域。因此, 在目标跟踪和实时监测等应用中, 传感器网络要有大量的节点才能覆盖目标区域。

与其他的无线网络相比, 在无线传感器网络中给其节点充电或更换电池是比较困难的, 也是不太实际的, 因此最大化地延长节点或网络的生命周期将是我们工作的主要目标。通常情况下, 节点的通信过程比其计算过程消耗能量更多, 所以要保证在网络正常运转的前提下使通信过程最小化。尽管如此, 在由多个低工作周期的节点所组成的密集网络中, 考虑到能量的效率, 媒体接入的方法仍是一个难以解决的问题。

在本文的第二部分, 将介绍无线传感器网络的特性及在媒体接入通信中所隐含的能量浪费的原因。第三部分是本文的主体, 将给出传感器网络中一些重要的MAC层协议, 并列举它们的优缺点。同时, MAC层和其他层融合的方法和相关协议也会在此部分进行探讨。

二、与传感器网络相关的MAC层协议特性

传感器节点的电量耗完后, 我们将会丢弃此节点, 因此传感器网络研究的主要目的就是使网络的存在时间最大化。在这种情况下, 所提出的MAC层协议就需要减少潜在的能量浪费。

1. 能量浪费的原因

(1) 当一个接收节点同时接收到多于一个的分组且有部分冲突发生时, 这些分组则被称为“有冲突的分组”, 发生冲突的所有分组都将会被丢弃或重新发送, 而这将导致能量消耗的增加; (2) 串扰, 即节点接收到发给其他节点的分组; (3) 控制分组的费用, 我们将尽量满足使最小数量的控制分组用于数据的发送; (4) 空闲监听引起的, 即监听一个空闲的信道以接收可能的信息量; (5) 当目的节点未准备就绪时, 信息的发送已经开始而引起的。在设计MAC协议时应避免以上5种能量浪费情况的发生。

2. 通信的方式

在无线传感器网络中定义了3种类型的通信方式:广播 (broadcast) , 汇聚播 (convergecast) 和本地传播 (local gossip) 。广播类型通常是由基站 (称为sink) 所使用, 它用来将一些信息传送给网络中的所有节点。广播信息包括有对传感器询问处理结构的询问, 节点的程序更新以及整个系统的控制分组。广播类型的通信方式不要和广播类型分组相混淆。对于前者, 网络中的所有节点都是接收者;而对于后者, 接收者则是那些在发送节点通信范围内的节点。

在某些情况下, 检测到网络中进入一个新的节点的传感器将会在本地互相进行通信, 这种通信方式被称作本地传播。传感器将在一定范围内发送一条消息给它的邻居节点们, 检测到有新的进入者的传感器需要将其所感知到的信息传送到信息中心, 这种通信方式又被称为汇聚播, 一组传感器将和一个特有的传感器进行通信。目的节点可以是数据汇聚中心、基站等。

3. 优良的MAC协议的特征

一是能量高效的协议有效地延长网络的生存时间;二是具有对于变化的可预测性和自适应性。网络大小、节点的密度和拓扑改变之后, 对于一个成功的自适应系统应该可以进行快速而有效的处理。其他要素, 如等待时间、吞吐量和带宽利用率等, 对传感器网络都是次要的。另外公平性在其他无线网络中会显得比较重要, 但在无线传感器网络中则不是设计的目标。因为所有的传感器节点都进行的是同样的工作。

三、常见的MAC层协议

针对无线传感器网络的特性, 已经提出了很多种MAC层协议。

1. Sensor-MAC (S-MAC)

该协议将时间分帧, 帧长度由应用程序确定, 帧内分为工作阶段和休眠阶段。2002年版本中, 工作阶段持续时间是固定的。2004年版本为了更好地支持数据突发, 协议将工作阶段改为长度可调, 在休眠阶段, 节点关闭射频模块, 缓存在此期间采集到的数据, 在工作阶段集中发送。通过同步消息, 相邻节点可以采用相同的工作/休眠策略, 新节点也可以加入进来, 这种机制在协议中称为虚拟簇。基于这些同步的本地化管理同步和周期性的工作/休眠策略形成了S-MAC协议的基本思想。相邻节点形成虚拟簇来建立一个共同的休眠策略。如果两个相邻节点位于两个不同的虚拟簇, 它们将在两个簇的工作阶段都处于唤醒状态, 这会导致更多的能量消耗。

S-MAC的一个很重要的特征是采用了消息传递技术, 很好地支持长消息发送。对于无线信道, 传输差错与包长度成正比。根据这一原理, 将长消息分为若干短包, 采用一次RTS/CTS握手, 集中连续发送全部短包, 既可以提高发送成功率, 又有效地减少了控制开销。

周期性的休眠可能会导致高的等待时间, 尤其是对于多跳路由算法, 因为所有的相邻节点都有它们自己的休眠策略, 它们可能会互相造成影响。由周期性休眠所引起的等待时间我们称之为休眠延迟。自适应的监听技术可以改善这种延迟。

该协议的扩展性较好, 可以适应网络拓扑结构的变化, 可以有效地改善由于空闲监听所导致的能量浪费问题;缺点是协议实现非常复杂, 需要占用大量的存储空间, 这在资源受限的传感器节点中显得尤为突出。

2. Timeout-MAC (T-MAC)

该协议工作方式是将时间分帧, 帧长度固定, 工作阶段长度可变。协议定义了5种事件和一个计时器TA, 以确定工作阶段的结束时间。5种事件分别为: (1) 帧长度超时; (2) 节点接收到数据; (3) 数据传输发生冲突; (4) 节点数据或确认发送完成; (5) 邻居节点完成数据交换 (如果在TA内, 射频模块没有侦听到这5种事件中的任何一种, 就认为信道进入空闲状态, 节点关闭射频模块, 转入休眠阶段) 。

由于T-MAC的实现机制与2004版的S-MAC基本相同, 它们的性能也很接近。

3. Traffic-Adaptive MAC (TRAMA)

TRAMA提出了在能量效率方面增加对TDMA的利用。时间被分为随机接入和预定接入。随机接入阶段用来建立两跳拓扑信息, 信道接入是基于竞争策略的。一个基本的假设是通过应用层传递的信息, MAC层能够计算出所需要的传输时间。

相比于那些基于S-MAC的协议, 该协议具有更长的休眠时间和更少的减少冲突的比例。因为预定的接收方是利用位图来显示, 通信方式很少采用多播和广播的形式。

4. Data-gathering MAC (D-MAC)

D-MAC的基本目标是达到较低的等待时间, 但同时也能够保证能量的效率。D-MAC分析了S-MAC和T-MAC协议的自适应工作/休眠策略, 发现了数据转发中断问题, 并提出了摆动唤醒策略来解决这个问题。从传感器节点到基站节点形成一棵数据汇集树, 树中的数据传输是单向的, 由子节点到父节点。节点采用工作/休眠状态转换。摆动唤醒策略调整树中每层节点的工作周期, 使子节点的发送时间与父节点的接收时间重合, 在最理想情况下, 数据转发会一直进行, 没有任何延迟。

5. MAC层与其他层的融合

在传感器网络中, 关于将网络中不同层间融合为一层及在网络层和MAC层之间进行跨层交互的问题, 目前所进行的研究还是很有限的。

S.Cui, R.Madan等曾经对MAC层与物理层之间的集成和网络/MAC/物理层之间集成的目标进行了研究, 并且提出了一种可变长度的TDMA方案。在这种方案中, 时隙的长度是根据最优化的能量耗费标准来进行分配的。在这些标准中, 最关键的值是每个节点所产生的通信量的信息和每个节点对之间的距离。根据这些值, 提出了一种线性可编程问题并加以解决, 同时还确定了在每个节点中最优化的时隙的数量以及相关的路由策略。然而这种方案需要庞大的计算量并且很难适应目前存在的系统。

多跳架构的网络结构是将MAC层和网络层集成的另一种方法。J.Ding, K.Sivalingam等人提出了一种分层的多跳网络结构, 在这种结构中, 到达基站的跳数相同的网络节点被归类于同一层。信道接入是基于TDMA并同时与CDMA或TDMA相关的MAC协议。路由协议是一个简单的多跳协议, 到达基站的每一个节点都会在其相邻层有一个转发节点。J.Ding等人还阐述了信道分配问题, 并提出了一个次最佳的解决方案。而且, 传感器节点的传输范围也是一个重要的参数, 因为它影响着网络的分层。这个MAC/网络系统的性能是优良的。不过, 还要注意的是, 范围参数的调整仍然是一项重要的任务, 它需要在系统初始化的时候决定。此外, 所有的转发节点的路径需要在启动时定义好, 并且定义为固定的, 因为节点的信道频率分配需要在启动时完成。

四、结论

目前针对传感器网络提出了许多的MAC层协议, 但是没有任何一个协议被作为标准, 原因是MAC层协议的选择主要是依靠应用的, 另一个原因是底层 (如物理层) 标准和传感器硬件的匮乏。仅仅通过链路层的性能是不能对整个系统性能进行正确评估的。因此, 对于最后的结论产生影响的层数越多, 系统的性能也就越好。另外, 网络协议的分层也会在每一层上产生额外的费用, 造成每个分组上更多的能量浪费。因此, 分层的融合将是今后一个值得深入研究的领域。

MAC层协议 篇2

无线分组网络又称为ADHOC或无线自组织网络—是一种具有无基础设施、自行组织、快速配置等特点的对等式网络。网络由协同传送信息的大量自组节点组成, 共同承担网络构造和管理功能。这些节点除了完成传统网络节点所涉及的所有功能外, 还起着路由器的信息转发作用, 具有对无线资源的空间复用能力。无线分组网络的组网灵活、分布实施、抗毁能力强、可快速组网等特点使得它成为无线网络和移动计算领域集中研究的热点, 具有广阔的应用前景, 可作为野战通信、公安、紧急搜救、会议会场、信息家电等的通信网络, 也可作为已有无线、有线网络的多跳扩展, 拓宽它们的覆盖范围。

2. MAC层改进协议

本文研究的MAC层改进协议的传输假设描述如下:

(1) 使用和PCMA协议一样的信道传输模型假设。

(2) 为了避免多个忙音信号的重叠, 本文研究的MAC层改进协议采用了周期性的忙音脉冲。只有1-2%的带宽用来发射忙音就可以达到最佳的性能。这样, 我们假设由忙音信号引起的开销可以忽略不计。

(3) 我们也假设不需要由接收端返回APTS分组, 发送节点就已知发送数据分组的传输功率值发送节点必须掌握接收端和自己的距离信息。为了帮助发端确定到达接收端的距离, 已经提出了很多位置可知的MAC协议, 例如通过全球定位系统GPS来确定, 也可以通过先验路由来估计。

(1) 双窗口的实现

不同于BEB的单窗口机制, DWDB采用两个窗口值CW1和CW2, 其随机退避时间是用下面的公式计算得到的:

其中, 为一个平均分布在[0, CW1]段上的伪随机整数。CWl为一个常整数, CW2是介于CW2min和CW2max之间的一个整数, rtime为重传次数, N为重传调整系数, 是一个在本文研究的MAC层改进协议中所设定的退避次数门限值B_Thresh以内的正整数。

(2) 重传机制

当节点重传次数rtime小于等于N时, 发送失败后CW2将被重新计算, 等于MIN (2×CW2, CW2max) , 节点将在一个更大的范围内选择随机整数, 再次发生冲突的可能性就减少。当节点重传次数大于N时, 节点将从[0, CW1]中选择随机整数, 由于其他节点都是从[CWl, CW2]中选择随机数, 一旦其他节点发送完数据帧, 该节点就能够尽快捕获信道。

当节点成功发送完一帧后, CW2被设置为初始窗口值CW2suc, 节点就在[CW1, CW2suc]中选择一个随机数等待发送下一帧

字段CW的值反映了节点冲突的情况。通过交换窗口值, 节点可以了解到网络当前状况, 并根据网络状况动态地调整CW2suc。M为网络状态平衡因子, 用于在冲突环境下保持吞吐量, 以及体现对网络状态变化的灵敏度。这样就使得短程不公平现象发生时, 节点都有机会发送数据帧。

3. 仿真实现

在测试环境下, 本文使用了无线信道网络层和物理层的默认设定值。网络中的比特流从总体上服从Poisson分布并且到达率为, 这里只使用10s以后的数据来避免系统的瞬时现象。

本文研究的MAC层改进协议公平性模型的仿真结果图如图1所示:

总结

本文通过对MAC层改进协议的公平性及吞吐量进行仿真测试, 表明了本文研究的MAC层改进协议的有效性。

参考文献

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MAC层协议 篇3

国外方面,美国最先入手无线传感器网络方面的研究,尤其是其军方投入大量人力物力、与高校合作,对其进行相关的研究工作。随后,欧美一些发达国家,包括亚洲地区的韩国、日本,也都开展了对无线传感器网络相关的研究工作。

国内来说,随着国际研究方向,也逐步开展了对无线传感器网络的研究。尤其是在物联网技术飞速发展的今天,无线传感器网络作为物联网技术的关键,首次被放到了国家发展战略的高度。

2 MAC层协议简介

无线传感器网络协议栈包括物理层、介质访问控制层MAC、网络层。而MAC层,是协议栈的底层架构,由它来分配相应的信道资源,决定无线通信信道的使用方式。MAC层协议的分类也有很多种。通常衡量MAC协议的指标为业务量、吞吐量和平均传输延迟。

3 MAC协议现状

目前很多MAC层协议存在同步过程杂乱、能耗大等缺陷。而如何解决存在的这些问题,就需要对MAC层协议进行优化设计。比如基于竞争的MAC协议存在发数据延迟的现象;基于调度算法的MAC协议又有同步时间开销太大、可扩展性差的缺陷。

4 优化策略

本文提出的A(awaken)-MAC协议,通过自身调整传感器每一个节点的占空比,让节点在不同流量下使用不同的占空比工作,这样就能根据流量决定时间,从而降低能耗,而能耗恰恰是MAC协议首先要考虑的因素。并且,A-MAC协议针对负载的不同,提出了睡眠算法。图1所示为协议的周期睡眠图。

使用如上机制的MAC协议,可以通过减少节点的工作时间也降低能耗。相邻节点尽量保持同时睡眠,可达到同步交换数据包。而节点之间的调度,是通过SYNC包来实现的。

数据竞争信道会发生碰撞的问题,可以采用截断二进制回退的方式解决。如有竞争,发送竞争请求后,以ACK应答信号为标识,若收到ACK则表明竞争解决过程完毕;若没有收到,则代表数据信息丢失,便重新发送新的数据,重复即可。以往的协议栈里,如果数据信息较长、数据包较大,传输过程中若数据包出错,就需要重新传送,时间的消耗随之增加。A-MAC为避免这样的现象出现,将消息分成若干小段,根据节点上数据的平均延迟,来改进占空比,从而便于数据包的传送。

若有睡眠命令发出,则所有节点空闲,避免了包含睡眠命令数据包的丢失;整个过程时间很短;节点睡眠和唤醒的时间不同,即传感器节点不能同时睡眠或者同时唤醒,避免了竞争碰撞现象;最重要的是降低了能耗。此外,还可通过对路由器的参数改变,来进行传输功率的控制。

5 仿真

使用NS仿真软件,对A-MAC协议进行模拟。NS集编程、扩展与一体,可以模拟各种网络环境,如TCP/IP。

参数设置:数据传输率1Mbps;传感器节点500个;无线设备传输功率100m W;数据包大小固定512B,每间隔100ms发送。重复测试。

如图2所示,采用A-MAC协议在数据流上实现了稳定的时间延迟。

6 总结

传统网络协议对有线网络是成功的,在无线环境中,竞争冲突、能耗大的缺陷过于明显,无线传感器的发展前景极为广阔,所以网络的性能及其协议的优化也就成为人们关注的焦点。如何设计出良好的MAC层协议,降低能耗和时间延迟,就成了棘手的问题。

本文提出的A-MAC协议采用睡眠算法,对原有MAC协议进行了优化设计,以此协议进行数据通信,竞争碰撞现象大大减少,更重要的是降低了能耗。通过设置参数,进行协议仿真,也表明A-MAC协议可以实现稳定的时间延迟。

摘要：随着物联网技术的发展,无线传感器网络的应用越来越广泛,它由传感器节点组成,相互协作,采集、发送数据。而MAC层协议主要是优化网络吞吐量,实现高效的通信机制。本文主要研究对MAC层协议的优化设计。

关键词：协议,无线传感器网络,优化设计

参考文献

[1]刘化君.计算机网络原理与技术[J].电子工业出版社,2005.

[2]刘善平,林亚平,周四望.一种低耗延时的无线传感器网络MAC层协议[J].计算机应用,2006(2).

[3]黄奕铭.基于IEEE802.11MAC层协议优化与实现[D].南京邮电大学,2015.

MAC层协议 篇4

无线传感器网络是一种由许多传感器节点协同组织起来的特殊的ad hoc网络，其目的是通过无线通信方式使这些传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络潜在的应用非常广泛，包括环境监测，医疗系统以及机器人探索等。传统无线网络MAC协议设计的主要目标是最大化吞吐量并最小化时延，而无线传感器网络MAC协议设计首要考虑的是传感器节点的电池能量限制。

为了提升能量有效性，延长电池的使用寿命，竞争型无线传感器网络MAC层协议主要通过牺牲吞吐量和时延来换取能量的节省。本文提出了一种可以节省能耗，还能提高吞吐量并降低时延的竞争型无线传感器网络MAC层协议———BS-MAC(Bidirectional-Sensor-MACprotocol)。

文献[1]把双向传输引入了IEEE802.11协议的分布式协调功能(Distributed Coordinated Function)，文献[2]提出了DCF下数据包的双向传输模式。BS-MAC把双向传输引入了无线传感器网络MAC层协议的设计，使得无线传感器网络性能得到了很大的提高。

1 竞争型无线传感器网络MAC层协议介绍

IEEE802.11的DCF是当前无线网络的主流协议之一。DCF基于载波侦听多址接入/冲突避免(CS-MA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法，采用了二进制时隙退避策略。DCF包括两种握手机制，分别是请求发送/允许发送(RTS/CTS)机制和数据/确认(DATA/ACK)机制，有效地避免了冲突。可是，由于没有采用有效的节能措施，DCF中不必要的空闲侦听———数据节点在没有接收到有效数据的情况下持续监听信道，占据了节点运行中的大部分时间，浪费掉了大量的能量。研究表明[3]：DCF空闲侦听耗能占总接收耗能的50%～100%，所以DCF不适合应用于无线传感器网络。

S-MAC(Sensor-MAC)[4]是DCF的改进协议。S-MAC将时间分为帧，每一帧包括活跃期和休眠期两部分。节点空闲时可以定时转换为休眠状态，以减少空闲侦听，节省能耗。其活跃期基本工作模式(RTS/CTS)如图1所示。为了避免隐藏终端的影响，一次数据传输中，发送方发送请求RTS，接收方回应CTS后建立数据传输连接。接收方在正确接收发送方的数据包后立即返回ACK包。如果发送方在规定时间内没有收到ACK则重传该数据包。S-MAC有着显著的节能效应，但是网络性能比较有限。其它站点由于过度侦听更新自己的网络分配矢量(NAV)，避免在此时间内发送，以减少网络冲突。

B-MAC(Berkeley-MAC)协议[3]采用信道估计和退避算法分配信道，通过链路层保证传输可靠性，利用低功耗技术减少空闲监听，实现低功耗通信。WiseMAC协议[5]在数据帧前加入了唤醒前导，并且在数据确认分组中携带了下一次信道监听时间，节点可以获得所有邻居节点的信道监听时间。在发送数据时可以将唤醒前导压缩到最短。但是由于节点需要存储邻居节点的信道监听时间，会占用大量存储空间，并增加协议实现的复杂度，对于高密度的无线传感器网络，该问题较为突出。

2 BS-MAC协议

本文提出的BS-MAC在S-MAC的基础上引入数据包的双向传输。与S-MAC类似，在BS-MAC中，时间被分为帧，每一帧包括活跃期和睡眠期两个部分。所有的节点在运行中保持时间同步。节点之间通过定时交换一个SYNC包来保持同步[4]。SYNC包很短，其中包含了发送节点的地址和下一次睡眠时间。节点收到一个不同的睡眠时间，就会把自己的时间与收到的时间同步。每个节点都拥有所有邻节点的睡眠时间表，具有同样睡眠时间的节点被称为一个虚拟簇。介于两个或多个虚拟簇之间的节点会拥有两个或多个时间表。

在传统的竞争型无线传感器网络MAC层协议中，比如说S-MAC协议，侦听期一次数据传输中的接收方在正确接收发送方的数据包后立即返回ACK包。如果发送方在规定时间内没有收到ACK则重传该数据包。

为了进一步提高系统性能，BS-MAC引入了数据包的双向传输。在BS-MAC中，接收方收到发送方的数据包之后会做一个判断，就是通过检查自己的上层数据缓冲区里的所有数据包来判断是否有目的地址为发送方的数据包。如果有，则会在发回的ACK中包含这个数据包。也就是说，接收方会发送一个同时包含数据和确认(DATA+ACK)的数据包来作为对接收数据包的确认。如果缓冲区内没有这样的数据包，那么接收方将发回ACK控制包。

如果发送方收到DATA+ACK数据包，就会判断自己的数据包发送成功，并立刻返回一个ACK包来结束这一次的发送过程。而如果收到ACK控制包，则会判断发送成功，并结束这次发送。

如果发送方没有收到ACK控制包，或者DA-TA+ACK数据包，则会重新发送自己的数据包。而如果接收方在发送了DATA+ACK数据包后，没有收到发送方的ACK或者再次收到了发送方同样的数据包，则会重新发送DATA+ACK数据包。

整个传输过程如图2所示，D表示发送方的数据包，U表示接收方的DATA+ACK数据包。其它节点在收到RTS、CTS和U之后都会更新NAV。

3 BS-MAC性能分析

因为BS-MAC处于休眠期时不存在数据包发送/接收的过程，本文分析S-MAC在侦听期系统饱和(即各站点始终有数据发送)时的性能。考虑n个站点，假设各站点每次发送数据帧时数据帧的碰撞概率为p，与过去的碰撞次数无关，即碰撞概率恒定且相互独立。本文采用二维Markov链{s(t),，b(t)}以描述某个站点的竞争过程[6,7]，如图3所示：

s(t)和b(t)分别表示该站点在时刻t的退避级数和退避时隙计数器的取值。s(t)∈[0,m]，m代表最大退避级数;b(t)∈[0,Wj-1]，Wj=2j W0,j∈[0,m]。由图3可得：

不论退避级数是多少，只要退避计数器为零，该站点就发送数据，因此该站点在任意时隙的发送概率为：

该站点发送数据帧的时候，如果剩余n-1个站点中至少有一个站点也发送数据，则该数据帧将发生碰撞，所以数据帧的碰撞概率为：

求解式(4)、(5)构成的二维非线性方程组，可以得到τ和p。

在稳态下，各站点的发送概率都为τ,所以在一个时隙中至少有一个站点发送数据的概率为：

在有数据帧发送的条件下，有且仅有一个数据帧发送的概率为：

因此，一个时隙可能包括三种状态：信道空闲(概率为1-Ptr，时间为σ);成功传输数据帧(概率为PtrPs，平均传输时间为Ts);数据帧碰撞(概率为Ptr(1-Ps)，平均时间长度为Tc)。由图2可以得到，在BS-MAC中

数据帧包括帧头和有效载荷，假设发送方和接收方数据帧的平均有效载荷分别为EU和ED，则归一化的网络吞吐量定义为：

由于帧碰撞、控制帧和帧头带来的附加网络开销，吞吐量与每次帧交换传输的有效信息紧密相关。每次帧交换传输的有效信息越大，则吞吐量也越大。S-MAC在侦听期只支持有效信息的前向传输，每次帧交换传输的有效信息只包括发送方数据帧的有效载荷;BS-MAC支持有效信息的双向传输每次帧交换传输的有效信息包括发送方和接收方数据帧的有效载荷。显然，BS-MAC的吞吐量优于S-MAC。

4 仿真结果

本文用OPNET进行仿真测试了BS-MAC的性能，并与S-MAC的性能进行了比较。尽管DCF并不适用于传感器网络，但是仿真中认为它是一种最浪费能量的情况并把它列为比较对象之一。仿真采用理想信道，未考虑隐藏终端以及捕获效应，参数设置见表1。为简便起见，在仿真中只考虑基本的DATA/ACK访问机制。

仿真中传感器节点固定为25个，为简便起见，让所有节点处于一跳的范围内，各节点间可以自由通信。所有节点的数据包到达率服从Poisson分布，根据传感器网络的特点，泊松分布的参数设置较小，使得数据包平均到达率较低。在仿真刚开始的时候只有5个节点有数据包到达，系统处于非饱和状态。随后每过50秒就会有另外5个节点开始有数据包到达，在所有的25个节点都开始参与信道竞争时，网络达到饱和状态。250秒以后，每过50秒就会有5个节点停止数据包的到达，直到450秒仿真结束。

仿真中分别按时间统计了S-MAC、BS-MAC和DCF的吞吐量、时延和平均能量消耗，如图4、图5、图6所示：

从仿真结果可以看出，在非饱和状态下，三者吞吐量比较接近。而在饱和状态下，由于BS-MAC通过较少的握手次数可以完成更多的数据传输，而且双向传输更充分的利用了信道，吞吐量高于S-MAC，最多超过S-MAC一倍以上。在每个节点的到达率相对较低的情况下，周期性的休眠对BS-MAC吞吐量的影响相对较小。

此外，与S-MAC相比，BS-MAC的时延明显降低。在饱和状态下，只有S-MAC的1/10。DCF由于不需要周期性的休眠，在时延方面，明显优于BS-MAC和S-MAC。

在能量消耗的对比中，BS-MAC和S-MAC耗能比较接近。由于在同样负载的情况下，BS-MAC握手次数更少，则所需的发送次数也更少，这样就有效的减少了发送数据所需要的能量。所以BS-MAC的耗能略小于S-MAC。而DCF存在大量的空闲侦听，耗能方面明显大于前两者。

5 结论

与竞争型MAC层协议在一次发送过程中数据只能单向传输相比，BS-MAC由于引入了数据的双向传输，增加了信道利用率，提高了系统性能。相比于S-MAC,BS-MAC最多可以提高一倍的吞吐量，并且最低只有S-MAC 1/10的时延，而同时能量损耗相对较低。仿真结果符合理论分析结论。

摘要：无线传感器节点对电池能量的依赖性很强,用最少的能量完成网络通信是无线传感器网络的研究重点。竞争型无线传感器网络MAC协议(如S-MAC)主要通过牺牲吞吐量和时延来节省能量。文章提出了一种全新的无线传感器MAC协议——BS-MAC。BS-MAC在S-MAC休眠/侦听制的基础上实现了数据的双向传输,提高了系统性能。理论分析和仿真结果表明,BS-MAC在维持合理的能量损耗的前提下,可以增加系统吞吐量,降低时延,性能优于S-MAC。

关键词：双向传输,无线传感器网,竞争形,MAC

参考文献

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系统网络端MAC层测试研究 篇5

基于3GPP的核心规范, LTE一致性测试规范和TTCN测试代码的编辑工作陆续展开, 引导着终端认证和互操作测试工作, 推动着TD-LTE产品的实现和功能性能的完善[1]。所以在研制时分-长期演进无线终端综合测试仪的过程中从越来越多的通信测试软件中找到一种方便且精准的协议一致性测试方法显得尤为重要。

文章从网络端媒体接入控制 (MAC) 协议实现入手, 着重介绍一种竞争随机接入测试系统。采用TelelogicTau集成软件, 首先编写规范描述语言, 再编写树表结合表示法, 最后使用协仿真来检测实现的系统与协议规范的一致性。

1 网络端MAC协议的实现

根据协议规范, 设计实现网络端MAC状态迁移4个大状态。如图1所示分别是NULL、IDLE、ACC和CON状态, 它们之间通过定义原语触发状态跳转。根据状态转移图可以帮助用C编程语言对协议进行开发并在测试过程中发现问题。

1.1 竞争随机接入过程

根据协议规范设计出了如图2所示竞争随机接入过程流程。第一步随机接入前导序列接收:UE (终端) 通过发送随机接入前导码序列发起随机接入。网络端的物理层在PRACH信道上接收随机接入前导, 并将接收到的前导上报给MAC层。第二步随机接入响应的发送:当eNB (演进型NodeB) 检测到UE发送的前导序列, 就会在DL-SCH (下行共享信道) 上发送一个响应。如果UE没有收到任何RAR消息, 或者RAR消息中的前导序列索引与自己的不符, 则认为此次的随机接入失败[2]。

第三步消息3的接收:Msg3中传输的是RRC-ConnectionRequest。UE在发完Msg3消息后就立刻启动竞争消除定时器mac-ContentionResolution-Timer, 而且随后的每一次重传Msg3都要重启这个定时器, UE需要在定时器时间内监听eNodeB返回给自己的冲突解决消息, 其中最大重传次数为max-HARQ-Msg3Rx。

第四步竞争解决:如果UE接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息中携带的UE ID与自己在MSG3中上报给eNodeB的相符, 那么则认为UE随机接入成功。否则的话, UE认为此次接入失败。

2 一致性测试的实现

对网络端MAC层竞争随机接入过程进行流程验证使用的测试软件是TelelogicTau4.0。利用TAU工具的强大图形化建模能力, 可以对系统进行设计和建模, 并可验证系统行为, 确保设计按照正确的方向进行。TelelogicTau集开发、测试和仿真于一身的软件, 包括SDL、TTCN和UML。

2.1 SDL流程

SDL作为一种描述系统行为的语言, 越来越多地被应用于标准的有效测试。系统与环境之间可以通过交换信号来通信。在SDL中进程接收信号处理的归一化, 一个状态所能够接收的信号的处理集中化。系统行为由系统内所有进程实例对应的有限状态机协同工作以及与环境的信息交互来实现[4]。

SDL系统分为多个层次, 每个层次下有多个功能块, 功能块之间也用信道相连, 每个功能块有多个进程, 进程实例是基本单位。在对TD-LTE无线终端综测仪MAC竞争随机接入实现的过程中, 设计了如图3所示的SDL进程。当在IDLE状态下网络端MAC从与物理层接口接收到原语PHY_RAC-H_RECE_IND, 随后指示物理层发送RAR和开启接收Msg3定时器并进入ACC状态。

在ACC状态下的进程中可接收多条原语并触发MAC实体不同的动作, 包括对原语进行分析、发送原语给环境以及状态的跃迁。当竞争随机接入完成后, MAC跃迁至CON状态。

2.2 TTCN设计

TTCN是一个现代的且灵活的语言, 通过广泛的接口用于描述许多类型的系统测试。TCCN的平台独立性和其特殊的测试能力使得被被广泛应用于定义通信系统的正式测试集。

TTCN Suite由5部分组成 (总览部分、声明部分、约束部分、动态部分和模板部分) [5]。在测试例中所有构建的数据类型、数据结构以及原语都必须与被测的C代码中所定义的完全一致。在创建上下观测点也必须和SDL图中的服务节点一致。创建约束部分在测试例中用适配值‘*’来表示不关心的成员 (比如本文测试例中Timing_Advance、rese-rved等) , 对关心的成员 (比如本文测试例中RNTI) 进行数值约束。模板部分是方便简捷地较为复杂的测试例而编写的, 它把需要重复几步的工作定义为一步从而直接在测试例中调用。对TD-LTE无线网络端MAC进行测试时, 我们定义PHYMAC_SAP下观测点 (LT) 用来对MAC软件实现信息交互。

构造第一个随机接入拒绝试例中, 首先由环境通过PHY与MAC之间的接口向被测实体发送原语, 表示网络端收到随机接入消息1;随后网络端MAC通过原语PHY_DL_TASK_REQ要求物理层给UE回消息2;PHYMAC_SAP下观测点发送PHY_UL_RECE_IND通知MAC消息3已经收到并要求MAC做出回应, 在cs_PHY_UL_RECE_IND约束条件中置crc_flag为零, 表示物理层crc解码失败来触发被测实体拒绝消息3的接收;TTCN环境继续通过发送约束crc_flag为0的原语PHY_UL_RECE_IND重复5次。由于在C代码中maxHARQ_Msg3Rx为5, 这是达到了消息3的最大接收次数, 检查环境是否能从PHY与MAC之间接口收到原语PHY_REDECODE_REQ (通知PHY表示UE随机接入失败) ;RRC对MAC和PHY进行IDLE配置, 在测试例的最后一步在Verdict加上pass。如果对测试例进行编译没有错提示, 则该测试例构造完成。

在第二个随机接入拒绝测试例中, 测试的开始和第一个测试例的开始是一样的, 首先MAC由ILDE状态跃迁到ACC状态;网络端MAC要求物理层给UE回消息2时开启20ms的延时, 延时在TTCN Test Step部分定义为测试步Wait_20ms, 相对应的在SDL中定义了接收消息3 (MAC层收到PHY_UL_RECE_IND) 定时器10msT;由于环境等了20ms没有对测试实体发送原语, 超过了流程设计的10ms, 所以随机接入过程也以失败而告终。

在构造竞争随机接入成功TTCN测试例时, 设计步骤如下:第1步, 环境通过PHY与MAC之间的接口向被测实体发送PHY_RACH_RECE_IND原语, RRC随后得到CMAC_ACC_IND应与MAC都跃迁到ACC状态。第2步, MAC向PHY与MAC之间的接口发送原语PHY_DL_TASK_REQ。第3步, 与上述第2个拒绝测试例中不同的是在cs_PHY_UL_RECE_IND约束条件中置crc_flag为1并且没有延时。最后按照如图2所示过程仿照前几步进行后续约束和设计。在编写过程中特别要注意行为描述前一步和后一步的先后顺序的位置, 以及约束各数据成员的意义和正确性。若编译没有错误, 则可以进行TTCN整体代码的生成。

3 测试仿真过程

网络端各层处于空闲状态, UE使用RA-RNTI为65加扰发起竞争随机接入过程, 网络端被触发进行相关进程;用TTCN和SDL协仿真模拟环境和提供被测实体平台来验证设计的正确性, 包括接入成功和失败等多种环境;如果出现异常情况, 网络端可通过链路建立失败原语通知随机接入过程取消并附相应的原因值。

3.1 验证步骤

与开发代码和设计流程相结合, 按照如图4所示步骤进行操作, 建立起完整的测试系统。在测试时, 需要检查测试例是否正常运行, 当测试例出现异常时需要定位错误。一般有以下几种途径来检查: (1) 检查test case运行的情况, 查看TTCN的log; (2) sdl simulator UI界面上是否出现异常; (3) 检查跟踪的msc图; (4) 检查trace.txt文件;发现问题需反复调试直到测试例正确通过。

3.2 仿真结果

网络端MAC实体开机运行直接进入初始状态。在图5中右边的MSC图是通过约束crc_flag为0, 消息3重发五次后随机接入失败;在图5左边的MSC图开始是网络端MAC在接受消息3定时器内没有收到消息3, MAC回到IDLE状态, 紧接着是随机接入成功的MSC图, MAC进入CON状态。通过MSC图、TTCN测试例和图3设计流程的对比, 三者之间设计和仿真完全符合MAC协议规范。

4 结论

结合其他各层代码用RealView编译软件在ARM上运行, 通过比对交互的数据和网络端MAC状态验证了文章提出的测试方案的准确性, 同时也验证无线综测仪开发中网络端MAC协议实现的正确性。文中主要对竞争随机接入正常和拒绝的测试研究和仿真, 对以后相关的工作有着重要的意义。

摘要：协议一致性测试方式的选择对MAC协议实现过程是非常重要的, 在设计TD-LTE (时分-长期演进) MAC层协议实现的基础上运用了一种SDL (规范描述语言) +TTCN (树表结合表示法) 的测试方式对其随机接入过程多种情况进行测试, 最后用ARM芯片集成项目代码对测试的结果进行了正确验证。

关键词：一致性测试,演进型分组系统媒体接入控制,随机接入,规范描述语言,树表结合表示法

参考文献

[1]陈珺, 王海燕等.TD-LTE终端一致性测试标准化进展.电信网技术, 2011, (7) :34

[2] 3GPP TS 36.523-1 V9.0.0.Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA) and evolved packet core (EPC) ;User equipment (UE) confor-mance specification, 2010

[3] 3GPP TS 36.331V9.1.0.Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA) radio resoure control (RRC) orotocol specification, 2009

[4]宋茂强.通信软件设计基础.第二版.北京:北京邮电大学出版社, 2008

LTE系统中MAC层状态研究 篇6

长期演进(Long Term Evolution,LTE)是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准,改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量,降低系统延迟,是3G与4G技术之间的一个过渡[1,2,3]。

媒体接入控制(Media Access Control,MAC)子层对LTE系统数据传输和资源配置起着重要的作用。笔者介绍了用户端MAC层在协议分层中的位置,分析了MAC完成的功能。在终端通信的过程中,提出此过程中MAC状态划分的方案,并给出了状态转移图。

2 MAC层结构

E-UTRA定义了两个MAC实体,一个在用户端,一个在E-UTRAN。MAC实体在这两处的作用是不同的,图1描述的是用户端(User Equipment,UE)MAC的结构。MAC层位于数据链路层,向下直接与物理层连接,向上直接与无线链路控制(Radio Link Control,RLC)层连接。从结构图中可以看出MAC主要完成逻辑信道的控制、不同逻辑信道的复用和逻辑信道到相应传输信道的映射[4]。

3 MAC的功能

UE选择合适的小区进行正常的小区驻留时,即在收到寻呼或是高层发起呼叫之前,MAC主要功能是监听广播信道,维护更新服务小区的系统信息,执行邻近小区的测量,当发现一个更好的小区或者满足小区重选标准时就进行小区重选,MAC收到高层配置的连接建立请求消息或者需要进行业务请求,此时MAC主要功能是进行自动重传,解读网络端的随机接入响应消息[5,6,7]。

4 MAC层状态划分实现方案

基于终端,MAC层从开机到呼叫结束分为5个状态:空(NUL)、小区选择(SEL)、空闲和小区重选(IDL)、随机接入(ACC)、连接(CON),这几个状态之间是相互转换的。

4.1 NUL状态

UE在刚开机、找不到任何可以驻留小区或者收到非接入层的去激活指令时,MAC都会处于NUL状态。直至RRC请求读取广播消息为止,MAC将一直处于NUL状态。UE需要合适的小区进行正常的驻留,高层就要激活低层,使各个子层处于激活状态。MAC收到来自RRC的激活请求,就会进入SEL状态。找不到任何可以驻留的小区,RRC要求MAC进入NUL状态,此时MAC层释放资源。

4.2 SEL状态

当MAC激活就会进入正常的SEL状态,在该状态下,MAC主要向高层传输物理层解析的系统消息。为了找到一个合适的小区进行驻留,需要在指定频点或全频段进行搜索,寻找可用的PLMN,并在可用的PLMN上选择合适的小区驻留,从而进入IDL状态。RRC收完MAC发送的系统信息,就会将物理小区ID和MAC主配置发送给MAC,并指示MAC进入IDL状态,在SEL状态下,如果RRC要求MAC进入NUL状态,则MAC会释放低层资源,回到刚开机时的NUL状态。图2是MAC在SEL状态下的状态转移情况。

4.3 IDL状态

IDL是正常的驻留状态,此时如果收到物理层发来的邻近小区测量值优于当前小区,UE则会在测量值较好的邻近小区中驻留,此时,RRC会重新配置MAC层,MAC不发生状态跃迁,如图3所示。

UE正常驻留,收到高层业务请求或是网络端向UE发起的寻呼,都要进行RRC连接建立,RRC向MAC发出随机接入请求,建立上行同步。MAC收到RRC的随机接入请求消息,也会向物理层传输此消息,MAC发完该消息进入随机接入状态,随机接入请求消息中包括随机接入公共配置和专用配置信息、上行同步信息、随机接入前导信息、上行最大传输功率等。

演进分组系统移动性管理(EPS Mobility Management,EMM)丢失覆盖,同时服务小区没有邻近小区信息或者由丢失覆盖引起的小区重选失败,RRC发送去激活消息给MAC,要求MAC释放低层资源,进入NUL状态。

4.4 ACC状态

随机接入失败,MAC会重新回到IDL或者进入NUL状态,下面分别说明MAC回到两种状态的条件:

1)MAC由ACC回到IDL的情况

(1)网络没有收到UE端的RRC连接建立消息。网络端无法将RRC连接建立响应消息传给UE,则随机接入失败。

(2)UE没有收到随机接入响应消息。随机接入响应失败,物理层则会发出随机接入失败消息,当MAC收到物理层指示,就会发出一条消息给RRC,指示随机接入失败。

(3)随机接入响应成功,但竞争解决失败的话,即UE没有收到来自网络端的RRC连接建立消息,则物理层会发出一条随机接入响应失败消息,用来指示随机接入竞争失败,MAC收到该消息就会向RRC发出,说明低层随机接入竞争解决失败。

这三种情况下,MAC都会由ACC状态到IDL状态,然后重新进行随机接入,直到达到最大次数,终止随机接入,进入NUL状态,如图4所示。

2)MAC由ACC到NUL的情况

(1)UE高层发起突然中断连接请求,高层由于丢失覆盖等原因造成的中断连接请求。

(2)定时器T30X(X=2,3,5)正在运行的时候发生小区重选。

(3)定时器T300超时,UE在规定的时间内没有收到网络的连接建立或连接拒绝消息时,T300就会超时,此时MAC也会回到NUL状态。

如果随机接入成功,RRC就会要求MAC进入正常连接状态,RRC会配给MAC小区、RB标识和上行共享配置。

4.5 CON状态

随机接入成功,UE进入正常的连接状态。在正常的连接状态下,用户的移动性可能造成小区间的切换,当有切换存在时,RRC重新配置MAC,使其仍然处于正常的连接状态,连接重配置成功,RRC也会重新配置MAC。

在正常的连接情况下,连接重配置失败、完整性失败或者切换失败都会造成UE重新回到小区SEL状态,RRC就会指示MAC释放低层资源回到NUL状态。CON状态转移如图5所示。

5 小结

对用户端MAC状态进行了研究,UE从开机到呼叫结束,MAC经历了5个状态。笔者详细分析了各个状态相互转换的条件,便于MAC数据传输和资源管理,为RLC到物理层正常过渡提供了桥梁,有助于LTE系统功能实现。

摘要：MAC层位于LTE系统中的数据链路层,是保证通信建立的关键子层。介绍了MAC主要功能,提出了通信过程中MAC层状态划分的方案,分为5个状态,详细分析这些状态并给出了各个状态之间的转换图,此方案为RLC层和物理层状态研究提供了基础。

关键词：LTE,RRC,MAC子层,随机接入,状态转移

参考文献

[1]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]沈嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[3]LESCUYER P,LCUIDARME T.演进分组系统(EPS):3G UMTS的长期演进和系统结构演进[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]3GPP.TS 36.321 V8.7.0,3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;Evolved UniversalTerrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)protocol specification[S].2009.

[5]3GPP.TS 36.300 3GPP.TS 36.300 V8.7.0,3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;EvolvedUniversal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)[S].2008.

[6]3GPP.TS 36.331 V8.7.0,3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;Evolved Universal TerrestrialRadio Access(E-UTRA)Radio Resource Control(RRC)[S].2009.

MAC层协议 篇7

Ad Hoc引申为专用的、特定的, 即移动Ad Hoc网络为一种特殊用途的多跳 (网段) 临时性无线通信网络。它不依赖于任何固定的基础设施, 由一组无线收发装置的移动终端设备所组成[1]。与其他移动网络不同的是, 该网络中的移动终端设备具有路由功能, 可以通过无线网络的连接构成任意类型的网络拓扑结构, 并且这种网络既可以独立运行, 也可以与其他网络连接协同工作, 如蜂窝网络、Internet等。

在移动Ad Hoc网络中, 通常采用多个网段来连接各个节点间的路由, 即多跳, 而对于无线传输无法覆盖节点间的通信一般需要设置多个中间节点来实现, 因而这种网络又被称为多跳网络。相比于其他移动网络, 移动Ad Hoc网络具有自组织、动态拓扑结构、多跳路由、无中心等几个突出的特点。

二、移动Ad Hoc网络MAC及路由节能技术

2.1基于空时预留需求和功率控制的MAC技术。由于已有空时预留需求缺乏对功率控制的考虑, 而功率控制对移动Ad Hoc网络拓扑结构、节点通信等多方面均有着巨大的影响, 因此需要对空时预留需求进行相应的改进和优化。所谓空时预留需求就是指空间预留信息和时间预留信息。根据STR-PC协议, 空间预留范围被干扰区域所覆盖, 这意味着其他节点间的通信只要在干扰覆盖区域外就不会对干扰区域内的节点通信造成干扰[2]。同时, 根据相关公式计算, 在正在通信节点与干扰距离成正比的前提下, 当各通信节点间距离越小, 则其干扰范围就越小, 而STR-PC的空间预留效率和移动网络无线信道空间利用率也就越高。因此, 将已有基于802.11协议的空间预留改变为基于STR-PC协议的空间预留需求可以有效提高信道空间利用率。

功率控制是移动Ad Hoc网络MAV中一种重要的节能技术, 特别是对于一些发送数据量较大的网络, 该技术所发挥的节能作用对降低网络能源消耗具有重要的意义。这种技术主要是通过调整节点信号发射功率、减小相邻节点之间的通信干扰来提高通信信道的空间复用度, 进而提高整个网络的容量, 达到降低能量消耗的目的。根据网络通信节能要求, 将功率控制技术应用在移动Ad Hoc网络MAC层中, 在保证正在通信节点继续正常通信的情况下, 降低其他节点的发射功率, 此时网络信号覆盖范围也会相应的缩小, 使得某些节点处于其他节点的网络覆盖范围之外, 这样该节点就无法对网络内节点的通信造成干扰。由此可见, 功率控制技术可以有效降低移动Ad Hoc网络节点发射功率, 提高信道空间复用率。

2.2基于最大最小能量的多径多跳路由协议技术。虽然目前已设计出多种路由来降低移动Ad Hoc网络的能量消耗, 如多路径多跳路由、按需多路径路由等, 但每种路由技术均存在较多的缺点, 难以有效满足网络的节能需求。本文在吸取每种路由技术优点的基础上, 设计出一种最大最小能量的多路径路由协议技术, 目标是均衡每个节点的能量消耗[3]。为保证该技术切实能够达到明显的节能效果, 需要对每条路径的剩余能量等相关参数进行计算和排序, 从而通过找出其中最优化路径来实现对网络节点能量消耗的降低。

三、总结

综上, 空时预留需求和功率控制是移动Ad Hoc网络MAC目前两种主要节能技术, 能量有效与负载均衡是移动Ad Hoc网络路由层目前采用的主要节能技术。虽然这些技术能够较好地满足网络节能需求, 但随着移动Ad Hoc网络的不断发展与节能需求的越来越高, 相关技术人员还需要积极探索更为有效的节能技术。

摘要：移动Ad Hoc网络以其高可靠性、便捷性和高灵活性等优点在当前移动网络构建中得到了良好的运用, 并成为IT及其相关领域研究的重点对象。随着节能要求的越来越高, 提高移动Ad Hoc网络中的节能技术水平已成为一个重要课题。本文主要阐述了移动Ad Hoc网络的概念, 移动Ad Hoc网络MAC及路由层中的节能技术。

关键词：移动Ad Hoc网络,MAC,路由层,节能技术

参考文献

[1]邵琳.移动Ad Hoc网络基于稳定域的节能路由算法[D].浙江工业大学, 2011.

[2]顾超.移动Ad Hoc网络中路由协议的研究[D].南京邮电大学, 2014.