（通信与信息系统专业论文）无线ad+hoc网络中基于dbtma的mac协议研究.pdf

摘要 媒体接入控制( m a c ) 协议是用来决定多个节点如何共享有限的信道资源 的机制，而协议设计首先要尽量保证节点公平占有信道；其次是要有较高的信 道利用率，能够充分利用有限的频率资源。在a dh o e 网络中，隐终端和暴露 终端的存在严重影响信道接入协议的性能。因此，论文主要是在分析双忙音多 址接入( d b t m a ) 机制的基础上，对如何有效解决隐终端和暴露终端问题进行 了研究，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。 首先介绍了无线信道存在的隐终端和暴露终端问题，对m a c 协议研究所 面临的问题和挑战进行了分析，并对目前m a c 协议中改善隐终端和暴露终端 问题的方法进行了分析和比较，指出了各种方法的优缺点及适用的场合，为其 实际应用提供了依据。 其次，在详细讨论了单信道r t s c t s 握手方法、多信道r t s c t s 握手方 法的基础上，深入研究了忙音检测方法，重点对基于d b t m a ( 双忙音多址接 入) 的m a c 协议进行了研究。论文对d b t m a 进行了性能分析，并与c s m a 技术进行了比较，仿真验证了d b t m a 在提高信道利用率上要优于c s m a 技术。 同时也指出d b t m a 并没有完全消除隐终端和暴露终端问题，因而从两个方面 对其提出了改进：第一是从协议的公平性着手，对双忙音检测方法进行了改进。 文中尝试去掉其中的发送忙音，这样做的目的是为了消除协议的不公平性，同 时也降低了协议复杂度，缩短了时延，改善了发送忙音带来的暴露终端问题。 仿真结果表明，虽然系统性能有轻微的下降，但却明显改善了协议的公平性； 第二是从双信道方法着手，对数据信道和控制信道的传输内容进行了改进。在 数据信道上传输数据报文和r t s 报文，在控制信道上传输两个忙音信号，并在 接收忙音上设定了两种传输波形b t c t s 和b t r 。仿真结果表明，这种改进有效 地改善了暴露终端问题，提高了网络吞吐量。 最后，论文介绍了正交频分复用( o f d m ) 的基本原理和技术基础，利用 o f d m 的实现复杂度低、应用广泛的特点，对改进后的d b t m a 协议进行了简 要的实现，在理论分析的基础上仿真验证了改进方案的有效性。 关键词：无线自组织网络，媒体接入控制协议，双忙音多址接入，公平性，退 避算法，正交频分复用 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e d i u mc o n t r o la c c e s sp r o t o c o li su s e dt od e c i d eh o wt os h a r et h ef i n i t e c h a n n e lf e s o u r c e f i r s t l yt h ep r o t o c o li sd e s i g n e dt og u a r a n t e et h ef a i r n e s s ，a n da l lt h e n o d e ss h a r et h ec h a n n e lf a i r l y ，a n ds e c o n d l yt h ee f f i c i e n c yo fc h a n n e lu t i l i z a t i o n s h o e db eh i g hc o m p a r a t i v e l y , a n di n s u r et h a tt h el i m i t e df r e q u e n c yr e s 0 1 u c cs h o u l d b em a d eu s eo fa d e q u a t e l y i na dh o en e t w o r kt h eh i d d e na n de x p o s e dt e r m i n a l p r o b l e m sh a v ea ns e v e r ei m p a c t0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo ft h em a cp r o t o c o l ，s os o m e r e s e a r c hb a s e do nt h ed u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ( d b t m a ) s c h e m eh a sb e e n p r e s e n t e dt os o v l et h eh i d d e na n de x p o s e dp r o b l e m s ，a n di n t e n dt oh a v eh i l 曲c h a n n e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , l o wd e l a ya n db e t t e rf a i r n e s sc o r r e s p o n d i n g l y , w h i c ha l et h e f o c u so f t h i sp a p e r f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i d d e na n de x p o s e dp r o b l e m se x i s t i n gi nt h e w i r e l e s sc h a n n e l ，a n dg i v e sa na n a l y s i so nt h ep r o b l e m sa n dc h a l l e n g ew h i c ht h e r e s e a r c ho f t h em a cp r o t o c o l si si nf a c eo f d i s c u s s i o na n dc o n t r a s to f t h em e a n st o s o l v et h eh i d d e na n de x p o s e dp r o b l e m sh a v e b e e nm a d e t h es t r e n g t ha n dt h e w e a k n e s so fe a c hm e t h o da n dt h e i ra p p l i c a b l eo c c a s i o n sa f ep o i n t e do u t w h i c ha r e t h ef o u n d a t i o no f t h ea p p l i c a t i o n s e c o n d l y ，at h o r o u g hr e s e a r c ho ft h eb u s yt o n ed e t e c t i o ns c h e m eh a sb e e n p r e s e n t e db a s e do nt h ed e t a i l e dd i s c u s s i o no fr t s c t ss c h e m eo ft h es i n g l ea n d m u l t i - c h a n n e l ，a n dd b t m ap r o t o c o lh a sb e e nd i s c u s s e d e m p h a t i c a l l y t h e p e r f o r m a n c eo ft h ed b t m ap r o t o c o li sa n a l y s e d ，a n di m p r o v e do p i n i o n si nt w o a s p e c t sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w f i r s t ，a i m e da tt h ef a i r n e s si s s u e a ni m p r o v e m e n t o ft h eb u s yt o n ed e t e c t i o ns c h e m eh a sb e e np r e s e n t e d t h i sp a p e ra t t e m p t st og e tr i d o ft h et r a n s m i s s i o nb u s yt o n et og u a r a n t e et h ef a i r n e s so ft h ep r o t o c o l ，m e a n w h i l e r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t ya n ds h o r t e n i n gt h ed e l a yo ft h ep r o t o c 0 1 t h es c h e m ec o u l d i m p r o v et h ee x p o s e d - t e r m i n a lp r o b l e mm u s e db yt h et r a n s m i s s i o nb u s yt o n e t h e r e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es c h e m ei m p r o v e st h ee q u a l i t yo f t h ep r o t o c o lw i t h s l i g h tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n s c c o n d ，a ni m p r o v e m e n to f t h ed u a lc h a n n e lh a sb e e n a b s t r a c t p r e s e n t e dt os o l v et h eh i d d e n - t e r m i n a la n de x p o s e d - t e r m i n a lp r o b l e m s i nt h ed u a l c h a n n e ls c h e m e ，t h ed a t am e s s a g ea n dr t sm e s s a g ea r et r a n s m i t t e di nt h ed a t a c h a n n e l ，t h et w ob u s yt o n es i g n a la r et r a n s m i t t e di nt h ec o n t r o lc h a n n e l ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e , t w ok i n d so fs h a p eo fw a v eb t c r sa n db t ra l es e ti nt h er e c e i v eb u s y t o n e 1 1 1 er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t t h es c h e m e i m p r o v e s t h e e x p o s e d - t e r m i n a lp r o b l e ma n di n c r e a s e st h et h r o u g h p u t f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dt h ep r i n c i p a l t e c h n o l o g yo ft h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，a n dm a k e s t h ei m p r o v e dd b t m as c h e m er e a l i z es i m p l yi np h y s i c a ll a y e rb a s e do nt h eo f d m t e c h n o l o g y , w i t ht h eu s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h el o wc o m p l e x i t yo ft h e r e a l i z a t i o na n dt h ec o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n t h ev a l i d i t yo ft h ei m p r o v e ds c h e m e i sm o r ec o n f i r m e db yt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hb a s e do nt h e o r ya n a l y s i s k e yw o r d s ：w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ，t h em a cp r o t o c o l ，d b t m a ，f a i r n e s s ， b a c k o f f a l g o r i t h m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 塑堡苎兰二堂堡竺堡篓奎蒌堡垒! 望篓塑竺皇苎三呈! 型垒竺竺垒三丝垫竺窒 l ；= = z = ；_ _ = = _ e j _ _ | 目_ - 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带冲突避免的载波监 听多址接入 带冲突检测的载波监 听多址接入 清除发送 竞争窗口 数字音频广播 双忙音多址接入 分布式协调功能模式 缩略词对照表 d i f s d v b e 正d g p i t s g p s g s m h d t v i b b s i e e e i e t f l p l a n m a c m a c a m a c a w m a n e t m i l d n a v d i s t r i b u t e di n t e r f r a m e s p a c e d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g e x p o n e n t i a l i n c r e a s e e x p o n e n t i a ld e c r e a s e g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e h i 曲d i f i n i t i o n t e l e v i s i o n i n d e p e n d e n t b a s i c s e r v i c es c t i n s t i t u t ef o re l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c e n g i n e e r s i n t e r a c t e n g i n e e r i n g t 缸kf o r c e i n t e m e tp r o t o c o l l o c a la r e an e t w o r k m e d i u ma c c e s s c o n t r o l m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e m a c af o rw i r e l e s s l a n m o b i l ea dh o e n e t w o r k m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s e l i n e a rd e c r e a s e n e t w o r ka i l o c a t i o n v e c t o r v 1 1 分白式帧问日j 隔 数字视频广播 指数增加指数减少 通用无线报文业务 全球定位系统 全球移动系统 高清晰度电视 独立基本服务集 电气和电子工程师学 会 i n t e r n e t 工程任务组 网络协议 局域网 媒体接入控制 多址接入冲突避免 应用于无线局域网的 冲突避免 移动a d h o e 网络 乘性增加线性减少 网络配置矢量 河海大学t 宁硕十宁侍论文 无线a dh o c 网络中摹丁d b t m a 的m a c 坍议研究 o f d m p c f p d a p r n e t q o s r t s s i f s t c p w c d m a w l a n o r t l a o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n p e r s o n a ld i g i t a la s s i t a n t p a c k e tr a d i on e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e r e a d yt os e n d s h o r ti n t e r f r a r a es p a c e t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k v i 正交频分复用 点协调功能模式 个人数字助理 无线分组网络 服务质量 请求发送 短帧问间隔 传输控制协议 宽带c d m a 无线局域网 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 曩每弓其刁b 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：幽 一 叼年 3 月2 7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在过去十多年的时间内，无线网络技术迅速发展，而无线a dh o c 网络是其 中发展最快的技术之一。无线网络川通常分为两种类型，第一种是蜂窝无线网络， 又称为单跳无线网络，它是由移动节点、固定基站和有线主干网组成；第二种就 是移动a d h o c 网络【2 l 又称为移动自组织网络或无线分组网络，具有无中心、自组 织、可快速展开、可移动和多跳及动态拓扑结构等特点，使得移动a dh o e 网络应 用在战场、救灾等特殊场合的应用同渐受到人们重视。尤其是在野外或是地震等 意外情况下，通信无法依赖固定或预设的网络设施进行，a dh o c 单独组网的能力 和自组织的特性，能够在短时f h j 内迅速组建临时的网络供紧急通信的需要。无线 a dh o c 网络的特殊性，使其成为近来研究的熟点。 媒体接入控制协议，又称为信道接入协议，是用来决定多个节点如何共享有 限的信道资源的机制，对于无线数据通信网的性能有着较大的影响。传统网络信 道接入技术是基于一跳共享的广播信道，即一个节点发送，所有节点都可以监听 到，因此报文冲突是全局事件；而无线a dh o c 网络是多跳共享的广播信道，即一 个节点发送，只有邻节点可以监听到，其报文冲突只是局部事件，并非所有节点 都能感知到。在i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准中，详细地定义了媒体接入控制 ( m a c ) 和物理层( p h y ) 层规范。在i e e e8 0 2 1 l 协议中，基本的媒体接入控 制( m a c ) 协议是分布式协调功能( d i s t r i b u w ac o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) d c f 基于带冲突避免的载波监听多路检测协议( c s m a c a ) ，采用二进制指数 回退( b e b ) 算法避免冲突。但是由于i e e e8 0 2 1 1m a c 协议本身是针对单跳网 络而设计的，当应用于多跳的a dh o c 网络时，将产生一系列的问题，如隐终端问 题、暴露终端问题和公平性问题等等。隐终端和暴露终端问题严重影响信道接入 协议的性能，进而降低了信道的利用率，因而需要专门设计适用于a dh o c 网络 的信道接入协议，以便在无线网络中获 ：导较高的信道利用率、较低的时延和较好 的公平性。 1 2 本论文的章节安排 本论文的章节安排如下： 第一章是绪论。介绍研究背景及各章节安排。 第二章是对a dh o c 网络的一个比较完整的综述。它首先介绍了a dh o c 网络的 河海大学t 学硕十宁付论文无线a d h o c 网络中荩丁- d b t m a 的m a c 协议研究 定义、特点、应用和发展历史；然后总结了当前a d h o c 网络研究中的主要难点和 热点问题，并着重说明了本论文的重点就是研究无线a dh o c 网络的m a c 协议， 有效解决无线a dh o e 网络中存在的隐终端和暴露终端问题，使得无线信道的带 宽资源能够得到充分的利用。 第三章主要介绍了a dh o e 网络中的m a c 协议。首先概迷了无线信道的特点 及存在的问题，并着重分析了m a c 协议中存在的隐终端和暴露终端问题，然后 指出m a c 层协议研究所面临的问题和挑战，随之介绍了几种典型的m a c l 办议， 最后对双忙音多址接入( d b t m a ) 协议进行了重点介绍，为下一章对d b t m a 协议的深入分析做了铺挚。 第四章对基于双忙音的多址接入( d b t m a ) 协议提出了改进方案。本章首 先把d b t m a 协议与i e e e8 0 2 1 1 杯准的c s m a 协议进行了性能比较，通过理论分 析及仿真验证，显示了d b t m a 协议的良好性能：然后讨论了d b t m a 协议存在 的缺点及不足之处，并提出了相关的改进方法和措施，并通过仿真实验验证了改 进方案的有效性。 第五章将o f d m 系统引入到a dh o e 网络的研究中。本章首先扼要地概述了 o f d m 系统，讨论了o f d m 系统的基本原理和技术特点，说明了为什么o f d m 系 统能有效解决d b t m a 协议在物理层上实现的阀题；然后将改进后的d b t m a 协 议同i e e e8 0 2 1 l a 协议的o f d m 系统结合，提出了一种综合接入方案，这样在 i e e e8 0 2 1 1 a 物理系统的基础上得到个新系统称为d b t m a o f d m 系统。该系 统利用忙音在整个通信期间幅值保持恒定的特点，通过对d b t m a 进行改进，利 用在补零点上传输忙音信号的方法，实现了控制信息在控制信道上的同时收发。 分析表明，论文提出的方法在对现有的i e e e8 0 2 1 l a 协议的o f d m 物理传输系统 进行简单修改的基础上，使得d b t m a 协议在实际的物理系统上得到实现，且获 得了很好的网络性能。 第六章对本论文的研究成果进行了总结，并从技术和经济方面对未来a dh o e 网络的研究工作提出了一些展望。 2 第一二章a d h o c 网络概述 第二章a d h o c 网络概述 2 1a dh o e 网络的历史和发展现状 a dh o c 技术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事领域【3 】1 4 l 国防部高级研究计划 局( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 资助研究的“战场环 境中的无线分组数据网p j ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p 鼢咂t ) ”项目中产生的一种 新型的网络构架技术。d a r p a 当时所提出的网络是一种服务于军方的无线分组 网络，实现基于该种网络的数据通信。后来，d a r p a 6 1 1 7 j 又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分 别资助进行了抗毁可适应性网络( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k 。s u r a n ) 和全 球移动信息系统例9 】| 1 0 1 ( g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ，g l o m o ) 两个项目的研究， 以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。a dh o c 技术就是吸 取了p 鼢厄t 、s u r a n 及g l o m o 等项目的组网思想而产生的一种新型的网络构架 技术。随着移动通信、移动终端技术和计算机技术的高速发展，a dh o c 技术不 但在军事领域中得到了充分的发展，而且也在民用移动通信中得到了应用。尤其 是在一些特殊的工作环境中，通信无法依赖固定或预设的网络设施进行，用户之 间的信息交流已经协同工作就需要利用a dh o c 技术完成通信网络的立即部署，满 足用户对移动数掘通信的需求。 2 2a d h o c 网络的特征 a dh o c 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目 标、事件或局势而不为其他的”的意思。无线a dh o c 网络是一种特殊的对等式 网络。它使用无线通信技术，网络中的节点相互作为其邻居节点( 即在直接通信 范围内的节点) 的路由器，通过节点转发实现节点之f b j 的通信。它又被称为多跳 网络或自组织网络。a dh o c 网络具有自组织、无中心、多跳、可移动和可快速 展开等特点。这些特点使得它在战场、救灾等特殊场合的应用日渐受到人们的重 视。 与其他通信网络相比，a dh o e 网络具有以下特征： 第一，网络自组性。a dh o e 网络不依赖于任何预先建立的基础设施和集中 式的管理。所有节点都以对等方式运行，它们既是终端又是路由器。 第二，多跳路由。在a dh o c 网络中，不存在默认的路由器，每个节点都可以 作为路由器，为其它节点转发报文，使它们能够实现信息共享。 第三，动态变化的网络拓扑结构。在a dh o c 网络中，节点可以自由地任意移 河海大学t 学硕十学付论文无线a d h o c 网络中荩丁d b t m a 的m a c 坍议研究 动、自由地加入或离歼网络，此外无线传播条件也随时间和空i 日j 不断改变。这 些因素使网络拓扑结构( 通常为多跳) 发生频繁丽不可预测的改变，导致路由变 化、网络的分离和可能的报文丢失，甚至便网络中同时报文含单向和双向链路。 第四，有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使a dh o e 网络的网 络带宽相对有线方式要低得多，另外还要考虑到无线信道竞争、隐终端和暴露终 端问题所带来的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声干扰等因素，使得实际可用带宽要 小得多。 第五，能量受限地运行。移动节点常常依靠电池来提供能量，能量有限，使 节点的处理能力有限，进而使它们只能提供有限的服务和应用。在a d h o c 网络中， 节点一方面是终端系统，另一方面又是路由器( 需要消耗能量来为其它节点转发 路由) ，使如何节省能量的问题变得更加突出。 第六，有限的安全性。与有线网络相比，无线a dh o c 网络存在更加严重的安 全性问题。在设计网络时，需要仔细考虑窃昕、欺骗和拒绝服务攻击等。 除了上述几中特征，a dh o e 网络还具有生存时日】短、可扩展性不强等特点。 2 3a dh o c 网络的研究难点 由于无线a dh o e 网络自身的特点：无中心、自组织、节点的移动性、带宽 有限、节点电池能量有限等，使得无线a dh o c 网络的许多问题具有很强的挑战 性，如m a c 机制，路由协议。服务质量、能量消费、安全性问题等。 第一，路由协议l i l j 【j 2 j f l 3 】【。拓扑结构商度动态变化的a dh o c n 络决定了传 统的距离向量和链路状态路由协议并不适用。在以多跳为基本特点的a d h o e 网络 中，如何能寻找到一条理想的路径进行数据报文的转发是这类网络最重要的问题 之一。因此路由协议问题是a d h o c 网络研究中最活跃的问题之一。理想的路由协 议应该具有以下性能：分御式运行；无环路：按需运行；考虑安全性：高效地利 用电池能量；支持单向链路；维护多跳路由。 第二，能量利用问题。由于a dh o e 网络是由许多无线终端构成的，需要用 电池供电，如何采用一种有效的能量利用方式就成了a dh o c 网络可用性的一个 重要问题。 第三，安全问题。同有线网络相比，解决无线a dh o c 网络存在安全问题面临 许多新的困难。首先，由于信息以无线方式传输，因此，信息偷听、欺骗和篡改 更容易；其次，由于无线a dh o e 网络无固定通信设施、无中心，节点间的关系 对等且动态变化，这使得传统的基于身份认证和在线服务器的安全方案难以实 现；最后，新的路由协议的引入也会带来新的安全问题。 第四，m a c 协议。在无线a dh o c 网络中，无线信道由多个节点共享，控制 4 第二章a d h o c 网络概述 节点对信道的访问是m a c 需要解决的问题。同有线网络相比，无线信道的带宽 资源相对贫乏，设计好的m a c 协议不仅能使无线信道资源得到充分利用，同时 m a c 还会影响上层协议的性能，如t c p 的性能、路由协议的性能等，也是无线 a dh o c 网络支持q o s 的关键。因此，研究无线a dh o c 网络的m a c 协议具有重要 的意义。无线a dh o c 网络分布式的特点需要相应的m a c 协议分布实施，有效解 决无线a dh o e 网络中存在的隐终端和暴露终端问题，并能充分利用无线信道的 带宽资源，这也是本论文的研究重点。 2 4 本章小结 本章是对a dh o c 网络的一个比较完整的综述。它首先介绍了a dh o e 网络的定 义、特点、应用和发展历史；然后总结了当f i ；f a dh o e 网络研究中的主要难点和热 点问题，并着重说明了本论文的重点就是研究无线a dh o e 网络的m a c 协议，有 效解决无线a dh o c 网络中存在的隐终端和暴露终端问题，使得无线信道的带宽 资源能够得到充分利用。 第二章a d h o c 网络中的m a c 协议 第三章a d h o c 网络中的m a c 协议 在a dh o e 网络中，媒质( 无线信道) 是一种共享和稀缺的资源，有效而且公 平地控制无线节点的信道接入成为一个相当复杂的任务。为此，人们付出了大量 的努力，提出了许多m a c 协议。目前，i e e e8 0 2 1 1m a c 协议是无线局域网 ( w l a n ) 中的标准协议，也几乎用于所有研究无线多跳a d h o e 网络性能的测试 床和仿真试验中。 无线网络中共享无线信道的竞争和冲突问题往往比有线网中的类似问题要 难勰决得多，因此无线网络中的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议对于a dh o e 网络的正常运行起到了至关重要的作用。当前无论在学术界还是工业界，i e e e 8 0 2 1 lm a c 层协议【”l l l 6 l 都是a dh o e 网络中最流行和常用的一种m a c 层协议。 令人遗憾的是，当应用于多碡j a dh o e 网络时，8 0 2 11 m a c 协议存在很多问题， 主要原因是这个协议本身并不是针对多跳网络设计的。尽管它能够支持某种a d h o e 网络的体系结构，这种网络也只是相对于集中式网络而言的一种分布式网络， 即独立的基本服务集( i b s s ) ，它实际上仍然只是一种单跳网络。因此，近年来 出现了大量改善多跳a dh o e 网络中i e e e8 0 2 1i m a c 协议的性能的研究，其中由 于隐终端和暴露问题的存在严重影响了网络的通信能力，而成为研究热点之一 a dh o e 网络是共享无线传输媒体的多点多跳网络，其m a c 层协议的功能是控制 节点的报文传输对无线媒体的占用，保证网络的整体性能。由于a dh o e 网络具有 的特殊网络组织形式，且信道的动态变化以及分布式控制等特点，设计适用于 a dh o e 网络的m a c 层协议，成为a dh o e 网络的研究热点之一 3 1 无线信道的特点及存在的问题 目前几乎所有的a dh o e 网络信道接入协议都使用随机接入技术。a l o h a 、 时隙a l o h a 和c s m a 系列都是经典的随机接入技术。由于a dh o e 网络的多跳特 性，单纯使用c s m a 技术会产生隐终端( h i d d e nt e r m i n a l ) 问题和暴露终端( e x p o s e d t e r m i n a l ) 问题i i7 1 s l 。 从网络通信的角度来看，无线信道具有开放性、共享性的特点。开放性意味 着在通信距离范围内的所有节点都具有获取信息资源的能力，而共享性意味着网 络中的所有节点都具有占用信道带宽、发送信息的权限。无线信道的开放性和共 享性会导致隐终端和暴露终端问题。 隐终端问题如图3 1 所示，a 、b 、c 、d 共4 个点分布位置如下：节点b 在节 点a 的通信覆盖范围之内，节点c 在节点a 的覆盖范围之外。当节点a 有数据需要 7 河海大学t 宁硕 学付论文无线a d h o c 网络中基于d b t m a 的m a c 协议研究 发送给节点b 时，节点a 先向节点b 发送r t s 帧。由于节点c 不在节点a 的通信覆 盖范围之内，不可能监听到节点a 发出的r t s 帧。所以，此时如果节点c 向节点d 发送数据，就会干扰节点b 对r t s 帧的接收。这种情况下，称节点c 为隐终端。 暴露终端问题如图3 2 所示。节点b 、c 之b 可以通信，节点a 处于节点b 通信 覆盖范围之内，处于节点c 通信覆盖范围之外，节点d 处于节点c 通信覆盖之内， 但处于节点b 通信覆盖范围之外。在理想情况下，如果节点b 向节点a 发送数据， 节点c 也可以向节点d 发送数据，此时节点a 应该能正确收到节点b 发柬的数据， 图3 1 隐终端问题 图3 2 暴露终端问题 因为节点a 远离节点c ，它不会受到节点c 的干扰；同理，节点d 也应该能收到节 点c 发来的数据，因为节点d 远离节点b ，它不会受到节点b 的干扰。但是在某些 协议中，节点b 、c 却不能同时发送数据。例如在c s m c a 协议中，当节点c 昕 到了节点b 正在发送数据，就会启动退避算法，暂缓向节点d 发送数据，这就增 加了节点c 到节点d 的数据传输时延。在这种情况下，称节点c 为暴露终端。 从以上分析可知，由于无线信道的特点和信道接入协议在设计上存在的缺 陷，导致出现了隐终端和暴露终端问题，降低了网络的效率。 3 2m a c 层协议研究所面临的问题和挑战 a dh o e 网络是一种多跳移动网络，很难保持全网同步，与单跳的蜂窝网络有 本质的不同，这使得a dh o c 网络中m a c 层协议的设计面临新的问题和挑战【2 0 】。 第= 章a d h o c 网络中的m a c 协议 第一，a dh o e 网络的多跳共享性。多跳共享广播信道带来的直接影响是报文 冲突与节点所处的地理位置相关。发送节点和接收节点感知到的信道状况的不一 致性，会带来隐终端、暴露终端等一系列的问题。( 隐终端是指在发方的通信范 围之外，而在收方通信范围之内的节点。暴露终端是指在发方通信范围之内，而 在收方通信范围之外的节点。一般地，隐终端的存在可能造成数据的冲突，而暴 露终端的出现使得网络资源无法得到充分的利用。 第二，存在单向信道。绝大多数m a c 层协议通常认为底层的通信信道是双 向的。但在a d h o e 网络中，由于发射功率或地理位置等因素，可能存在单向信道， 这将会对m a c 层协议的性能带来严重影响。 第三，能量有限。a dh o c 网络中的设备绝大多数靠电池供电，能量不等且有 限，所以如何节能也是m a c 层协议设计必须考虑的因素。 第四，无线带宽有限。移动：自组网一般工作在i s m 频带，由于无线信道本 身的物理特性，它所能提供的网络带宽比有线信道要低得多。如果考虑到无线信 道产生的碰撞、信号衰减、噪声干扰、用户问干扰等因素，节点的实际可用带宽 远远小于理论值。 第五，q o s 很难保证。a dh o c 网络的固有特性，很难满足一定的q o s 的保证， 这也是应该重点考虑的m a c 层协议的分类描述经过长期广泛的研究，研究人员 提出数十种a dh o e 网络m a c 层协议。由于m a c 层协议与传输信道相关，因此不 同的m a c 层协议具有不同的设计目标。即使未来a dh o e 网络实现标准化，不同 传输环境的m a c 层协议也是不同的。 移动自组网的诸多特点( 无中心、多跳、快速移动以及无线信道) ，使m a c 层协议的设计面临巨大的挑战。m a c 层涉及多个方面，它的目标是共享信道的 多个节点在尽可能公平和无冲突的条件下协调地接入信道，以提高网络性能。文 章对现有的m a c 层协议进行了研究和分析，在此基础上层望了未来m a c 层协议 研究的若干方向。 3 3 几种典型的m a c 协议分析 经过长期与广泛的研究，研究人员已提出了数十种a dh o c 网络信道接入协 议。由于m a c 协议与传输信道相关，因此，不同的信道接入协议具有各自不同 的设计目标，可使用各种不同的信道复用技术，它们所适用的应用环境也是多种 多样的。即使未来a dh o e 网络实现了标准化，不同传输环境的信道接入协议也足 不同的。 根据a dh o c 网络信道协议使用的信道数目，可划分为( 1 ) 是基于单信道的 信道接入协议；( 2 ) 是基于多信道的信道接入协议。 9 河海大学t 学硕十学付论文无线a d h o c 网络中基丁d b t m a 的m a c 西议研究 3 3 1 单信道接入协议 单信道接入是无线数掘通信网中常用的接入形式。在单信道条件下，节点的 发送和接收只占用一个信道，工作于半双工方式。常用的单信道接入协议主要有 a l o h a 、c s m a c