（信息与通信工程专业论文）分布式无线网络mac协议的设计与分析.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 分布式无线网络由于无需固定基础设施支撑、组网快速、灵活，因而在军事 上和民用上都得到广泛应用。其中，媒体接入层协议( m a c 协议) 控制着节点之 间共享信道的规则，是提高分布式无线网络性能的关键因素之，是当前分布式 无线网络研究领域中的热点。 现在大部分无线网络m a c 协议的研究都假定节点配备全向天线，并且普遍基 于i e e e8 0 2 1 1d c f 。i e e e8 0 2 1 ld c f 采用二进制指数退避算法( b e b ) ，该算 法的信道利用率和公平性较低。本文分析了i e e e 8 0 2 1 ld c f 的接入机制原理及其 指数退避算法存在的缺陷，提出了一种改进的退避算法( m b e b ) 。仿真结果表明： m b e b 算法有效地提高了网络的吞吐量，降低了时延并改善了公平性。 与全向天线相比，定向天线能提高无线网络的空间复用率并增大节点的传输 范围，但是定向天线的引入也会带来新的挑战。本文详细地分析了定向天线中的 “隐藏 终端问题、“听不见刀问题和“队列头阻塞 问题，在此基础上，提出 了一种基于位置设定的t a - m a c 算法。该算法的改进有两个方面：( 1 ) 通过在 控制信道发送t o n e b e a c o n 控制帧有效地解决了“隐藏”终端问题和“听不见问 题；( 2 ) 通过改进m a c 层的队列管理和正确获得目的节点的位置很好地解决了 “队列头阻塞”问题。最后，在o p n e t 中，本文实现了t a - m a c 协议的天线建 模、管道建模，进程建模和节点建模。仿真结果表明：t a - m a c 算法的系统吞吐 量是i e e e 8 0 2 1 1 ld c f 的2 2 倍。 主题词：分布式无线网络m a c 协议退避算法定向天线 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k sr e q u i r en oi n f r a s t r u c t u r ea n dn o d e sa r ef r e et oj o i n , l e a v e ) o rm o v ei n s i d et h en e t w o r k sw i t h o u tp r i o rc o n f i g u r a t i o n t h e r e f o r e d i s t r i b u t e d w i r e l e s sn e t w o r k sh a v eg a i n e dal o to fa r e n t i o na n dr e s e a r c hc o n t e n ti nm i l i t a r ya f f a i r s a n dc i v i l i a n 吣e m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l ，w h i c hc o n t r o l sh o wn o d e sc a n s h a r et h ew i r e l e s sc h a n n e l ，i st h ek e yf a c t o ri ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd i s t r i b u t e d w i r e l e s sn e t w o r k sa n dah o t s l ti nt h ef i e l do f d i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k sr e s e a r c h m o s to ft h ee x i s t i n gr e s e a r c ho nw i r e l e s sn e t w o r km a cp r o t o c o l sa s s u m e st h a tt h e n o d e sa r ee q u i p p e dw i t ho i t l n i d i r e c t i o n a la n t e n n a sa n da r eb a s e du p o ni e e e8 0 2 1l d c f i e e e8 0 2 1ld c fa d o p t sb i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f fa l g o r i t h m ( b e b ) w h i c h p r e s e n t sl o wc h a n n e lu t i l i z a t i o na n dp o o rf a i m e s s t h i st h e s i sa n a l y s i st h ep r i n c i p l eo f i e e e8 0 2 1ld c fa n dt h ed e f e c t so fi t sb a c k o f fa l g o r i t h m ，b a s e du p o nw h i c h ，t h i s t h e s i sp r o p o s e sa r li m p r o v e db a c k o f fa l g o r i t h m ( m b e b ) ，w h i c hi s p r o v e dt ob e e f f e c t i v ei ne n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k st h r o u g hs i m u l a t i o n c o m p a r e dt oo m n i d i r e c t i o n a la n t e n n a s ，t h ed i r e c t i o n a la n t e n n a sc a ni m p r o v et h e s p a 矗a lr e u s eo fw i r e l e s sn e t w o r k sa n de n l a r g et h et r a n s m i s s i o nr a n g e so fn o d e s ， h o w e v e r , d i r e c t i o n a la n t e n n a sa l s ob r i n gn e wc h a l l e n g e s t i l i st h e s i sa n a l y s i st h e p r o b l e m so fh i d d e nt e r m i n a l s ，d e a f n e s sa n dh e a do fl i n eb l o c k i n gw h e nd i r e c t i o n a l a n t e m a a sa r ea d o p t e di nw i r e l e s sn e t w o r k s ，a n dp r o p o s e st h et a - m a c ( t o n ea n g u l a r m a c ) p r o t o c o lw h i c hh a st w oa d v a n t a g e s ：1 ) i te f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e m so f h i d d e nt e r m i n a l sa n dd e a f n e s sb yt r a n s m i t t i n gt o n e b e a c o nf r a m ei n t h ec o n t r o l c h a n n e l ；2 ) i ts o l v e st h ep r o b l e mo fh e a do fl i n eb l o c k i n gb yi m p r o v i n gt h em a cl a y e r q u e u em a n a g e m e n ta n dc o r r e c t l yo b t a i n i n gt h el o c a t i o no ft h ed e s t i n a t i o nn o d e s f i n a l l y t h i st h e s i si m p l e m e n t st h ea n t e n n am o d e l i n g , p i p e l i n em o d e l i n g ，p r o c e s sm o d e l i n ga n d n o d em o d e l i n go ft a m a cp r o t o c o li n0 p n e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e t h r o u g h p u to f t a - m a ci s2 2t i m e sm o r et h a nt h a to f l e e e8 0 2 1ld c f k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k b a c k - o f fa l g o r i t h m m a cp r o t o c o i d i r e c t i o n a ia n t e n n a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 网络仿真参数1 5 表3 1 收到a - r t s 帧后节点的通信注册表3 0 表3 2 收到a - c t s 帧后节点的通信注册表3 2 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 平面结构( a ) 和分级结构( b ) 。l 图1 2 分布式无线网络的应用场景2 图2 1i e e e 8 0 2 1 1m a c 层逻辑结构8 图2 2c s m a c a 侦听过程流程图1 0 图2 3 隐藏终端与暴露终端问题。1 1 图2 4i e e e8 0 2 1 1d c f 接入机制15 图2 5 改进的算法接入机制1 5 图2 6 改善的算法与b e b ，e i e d 的饱和吞吐量比较1 6 图2 7 饱和吞吐量下，改善的算法与b e b ，e i e d 的时延比较1 6 图2 8 非饱和吞吐量下，改善的算法与b e b ，e i e d 的时延比较1 7 图3 1 可切换波束定向智能天线( a ) 和自适应定向智能天线( b ) 。1 9 图3 2 基于发送者的冲突模型2 0 图3 3 未听到r t s c t s 引起的隐藏终端问题2 3 图3 - 4 增益的非对称性引起的隐藏终端问题。2 4 图3 5 “听不见问题2 5 图3 6 队列“头阻塞 问题( a ) 以及解决方案流程图( b ) 2 6 图3 7 干扰判定2 7 图3 8r t s 帧格式( a ) 和c t s 帧格式( b ) 2 8 图3 9 通信注册表格式2 8 图3 1 0 节点a 发送a i 汀s 帧。2 9 图3 1 l 节点b 发送a - c t s 帧31 图3 1 2 空分复用3 3 图4 1 全向天线( a ) 和方向天线( b ) 3 7 图4 2 节点模型3 8 图4 3t a m a c 算法的有限状态机图。3 9 图4 4t a - m a c 进程模型。4 1 图4 51 a m a c 数据帧格式4 3 图4 6 网络场景模型。4 4 图4 7t a m a c 与i e e e 8 0 2 1 1d c f 吞吐量比较4 5 图4 8t a - m a c 与i e e e 8 0 2 1 1d c f 延时比较4 5 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。- 与我- n _ r _ 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：佥盔盎丕绫圈鳌必屋边这鲍遮盐复佥堑 学位敝储张拉止魄吁月厂日 l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 嗍：哗7 月而 弘。7 年7 m 上日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 无线通信和网络技术的迅猛发展加速了信息交流，极大地促进了人类社会的 “全球化，深刻改变了社会的经济、政治和生活面貌。人们对于无线通信的要 求也越来越高，逐渐接近于移动通信的最终目标一任何入( w h o e v e r ) 在任何时间 ( w h e n e v e r ) 可以与任何地点( w h e r e v e r ) 的任何人( w h o e v e r ) 进行任何方式 ( w h a t e v e r ) 的通信【1 1 。 1 1 论文研究的背景和意义 无线通信技术的迅速发展，促使无线网络得到广泛的应用。传统的移动通信 主要以蜂窝网络的形式出现( 如g s m 、u m t s 、g p r s 等) ，无线终端之间的连 接需要借助于固定的基础设施，为了实现移动通信，往往需要花费大量的时间和 较高的代价去建立必要的基础设施。与无线蜂窝式网络相比，分布式网络具有不 可比拟的优点： 1 ) 不需要固定的基础设备，分布式无线网络可以随时地建立。 2 ) 适合在没有其它通信设施，或者由于保密、费用、安全性等原因使一些设 备不能被使用的情况下得到应用。 3 ) 分布式无线网络不受固定拓扑结构的限制，网络具有整体的移动性和很强 的容错性。 o 族员口族头。族 ( b ) 图1 1 平面结构( a ) 和分级结构( b ) 分布式无线网络一般有两种结构【2 】：平面结构和分级结构。平面结构如图1 1 ( a ) 所示，其中所有节点的地位平等。平面结构的网络比较简单，网络中所有节 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差： 每个节点都需要知道到达其它所有节点的路由。维护这些动态变化的路由信息需 要大量的控制信息。当平面结构网络的规模增加到某个程度时，所有的带宽都可 能会被路由协议消耗掉。分级结构如图1 1 ( b ) 所示，在分级结构中网络被分为 族。每个族由一个族头和多个族成员组成。这些族头形成高一级的网络，在高一 级的网络中，又可以分为族，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结 构中，族头节点负责族间数据的转发，它可以预先制定，也可以由节点使用算法 选举产生。 基于分布式无线网络具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等 特点，同时结合未来战术移动通信的作战需求，分布式无线网络特别适用于军事 战术通信。其原因有：首先固定的网络节点易被敌方侦听和攻击，同时军事通信 需要随时随地能快速建立起来的网络，并且可以在使用结束后自动消失；其次战 术前沿需要具有高抗干扰于抗毁性，并具有自愈能力的分布式控制网络；最后， 战术移动环境下的作战军队需要整体同步移动的通信网络，以适应作战部队的移 动和快速展开。如图1 2 所示，这是一个典型的分布式无线网络分级结构的军事应 用场景。在该场景下，分布式无线网络结构由三个层次组成： 广1 i 第一层i i 一 图1 2 分布式无线网络的应用场景 1 ) 位于地面的分布式无线网络节点构成第一层网络。该层节点主要由便携式 单兵节点组成。 2 ) 在军事作战中，坦克、装甲车、通信车可以作为骨干节点，并由它们组成 网络的第二层，它们可以借助定向天线技术构成高速的点到点的无线连接。 3 ) 由战斗机、预警机等空中节点组成网络的第三层。该层主要用来维护距离 较远的第二层网络之间的通信，并且在地面骨干节点失效时可以充当地面骨干网 第2 页 回 回 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 络的备份通信设施，来提高整个网络的性能。 这种3 层体系结构配置简单灵活，便于管理网络中的移动节点和协议各种节 点之间的通信。此外，这种结构可以根据实际需要和设备的能力自适应地组织， 具有很强的通用性和可靠性。因此，这种分布式无线网络体系结构有一定的实用 价值，并能对军队数字化通信网络的建设起到积极的作用。 除此之外，分布式无线网络还可以应用于如下领域： 1 ) 地震、水灾或偏远地区的救援行动由于缺乏固定的通信设施，也是分布式 无线网络的传统应用领域。在本地范围内，笔记本和掌上电脑也可以采用分布式 无线网络的方式在会议中发布和共享信息。 2 ) 传感器网络：传感器可以工作在危险的环境( 如化学有害物质泄漏现场) ， 通过在传感器上装备位置指示器，信息收发器等，将传感器所在现场的信息传送 到危险现场以外，收集和辨别事故信息，避免救援人员进入现场。 3 ) 个人通信：个人局域网( p a n ) 是a dh o c 网络技术的又一应用领域，用 于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构建虚拟 教室和讨论组等崭新的移动对等应用。 尽管分布式无线网络在军事上和民用上具有诱人的潜在应用前景，但由于环 境复杂多变，天气恶劣异常，数字化的设备快速移动、网络的不稳定因素很多， 网络可靠性很难保证。所以在设计网络时，必须考虑满足带宽、功率、速度等多 种约束条件。对于分布式无线网络，如何解决多个用户高效、合理地共享有限的 无线信道资源这一问题是重中之重，它直接影响到网络的吞吐量和时延等特性。 由于分布式无线网络具有无网络基础设施、拓扑动态变化、分布式调度、随机业 务性等特点，使得m a c 协议的设计极具挑战性。本文主要从带宽因素着手，试图 设计出在有效带宽的条件下，尽量提高系统的性能的m a c 层协议。这对于在特定 环境下较好地维持分布式无线网络的稳定性和有效性具有现实意义和较高的应用 价值。 1 2 分布式无线网络m a c 协议研究现状 目前，学者们已经对移动分布式无线网络提出了很多m a c 协议。根据信道接 入机制，大致可分为两类：基于竞争的载波侦听多路复用访问机制和基于信道固 定分配的多路访问机制。 基于竞争机制的m a c 协议有：c s m a 3 1 、m a c a ( 4 1 、m a c a w 5 1 、i e e e8 0 2 1 1 d c f 6 1 、f a m a t 7 】等。载波侦听多址接入( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 协议将载波侦听技术引用到竞争机制中，即在传输报文之前确定信道是否空闲。 虽然c s m a 协议可以减少报文冲突问题，但是仍然解决不了分布式无线网络中隐 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 藏终端和暴露终端问题。m a c a ( m e d i u ma c c e s sw i t hc o n t e n t i o na v o i d e n c e ) 协议 通过采用r t s c t s 握手机制，当发送节点在发送数据之前，它首先向对方发送r t s 请求帧，该帧中包含要发送的报文的长度。当接收节点收到r t s 帧后，将回送一 个捎带长度信息的c t s 请求回应帧。收到r t s 帧的其它节点要延长一段时间以保 证发送节点能够接收并响应c t s 帧，听到c t s 帧的非源节点知道由一个节点在接 收一定长度的报文，并实施退避算法，延迟发送来避免冲突。发送节点只有在收 到c t s 后才能发送数据，否则执行二进制指数退避算法( b e b ) ，延迟重发r t s 帧从m a c a 的工作机制可以看出，m a c a 协议有效地解决了隐藏终端问题，并 在一定的程度上提高了信道的利用率。但是，它不能解决控制包之间的冲突问题 以及暴露终端问题。同时，它不具备链路确认机制，当发生冲突需要上层超时重 发时，效率很低。 m a c a w ( m e d i u ma c c e s sc o n t e n t i o na v o i d e n c ew i r e l e s s ) 协议在m a c a 基 础上进行了一些改进，采用r t s c t s d a t a a c k 四次握手机制。如果发送节点没 有收到来自目的节点的c t s 帧，它超时重发r t s 帧；如果目的节点没有正确收到 d a t a 帧，它回应c t s 帧；如果正确接收到d a t a 帧，它认为c t s 帧被发送节 点正确接收，回应a c k 帧。重发r t s 时，如果没有收到任何数据，退避计数器 增加：若收到a c k 帧，退避计数器减少；若收到c t s 帧，退避计数器不变。采 用这种方法能够进一步提高信道的利用率。同时，m a c a w 协议规定在r t s c t s 握手成功后，发送节点需发送一个简短的d s 消息，来通知其它节点此时保持沉默， 这样可以有效解决节点“饿死 问题。但是其主要缺点就是通信中控制信息交互 次数太多，导致效率偏低。i e e e 8 0 2 1i d c f 采用了虚拟载波侦听有效地解决了隐 藏终端问题，但是暴露终端问题仍然存在。f a m a ( f l o o ra c q u i s i t i o nm u l t i p l e a o c e s s ) 是对m a c a 和m a c a w 作了进一步改进。它由载波侦听和源目的节点 之间的r t s c t s 交换两部分组成。在一个节点发起传输之前，它先向其目的节点 发起一次r t s c t s 对话。任何时候，如果它是唯一的一个发起r t s c t s 交换的节 点，那么信道就被动态地分配该节点。然后，载波侦听确保该节点在传送完数据 包的整个过程中不发生任何分组冲突。因此，f a m a 协议能避免隐藏终端和暴露 终端问题。f a m a 是基于单信道的分布式无线网络信道接入协议中较成功的一种。 基于信道固定分配机制的m a c 协议有：s t d m a 8 1 、t s m a t 9 1 、f p r p 1 0 1 、r b r p 1 1 】 等。s t d m a ( s p a i t i a lr e u s et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e ) 不仅可以保证每个节点的传输 均是无冲突的，而且能有效地利用空间复用机制来充分利用无线信道，但是由于 其采用集中式的调度算法，需要知道较为详细的全网拓扑信息。t s m a ( t i m es p r e a d m u l t i p l ea c x , e s $ ) 协议采用了一种利用有限域理论来构建时隙调度方案的分布式调 度算法，但由于此协议基于拓扑透明，而拓扑透明协议在构建时隙调度方案时往 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 往需要引入一定量的冗余时隙，因此降低了网络性能。f p i 冲( f i v e p h a s e r e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 由一个基于竞争方式的五阶段预留处理过程来实现，它允许预留过程在 网络中的不同部分同时执行，而不要求节点必须按照一定的顺序进行预留，因此 适应于大型网络及动态拓扑的要求。r b r p ( r o b u s tb r o a dr e s e r v a t i np r o t o c 0 1 ) 解 决了由于预留死锁和节点移动引起的数据分组丢失的问题。 上面提到的这些协议的研究主要是关注分布式算法的设计，使节点能够以更 高信道利用率完成信息传输，提高信道吞吐量。这些协议主要是基于使用全向天 线，并且解决了一些重要的无线媒体接入协议的潜在问题。然而，随着天线技术 的不断提高和创新，波束形成天线单元的小型化，自适应算法与数字信号处理技 术的不断进步，其体积与成本已大大减少，作为分布式无线网络重要的组成部分 广泛应用于便携式电脑、p d a s ( 个人数码助理) 等手持设备上。目前很多研究机 构已在这方面取得了初步夺的研究成果，例如美国国防部先进技术研究局 ( d 6 时a ) 在全球移动信息系统工程( g l o m o ) 中就强调了移动智能天线的研究 与开发，已完成供演示的原型机，具有基本的波束形成，分集合并和信号跟踪能 力。利用波束形成天线对分布式无线网络性能的提高是显著的，波束形成天线( 又 称定向天线，本文其余部分都以定向天线称之) 直接通过对目的节点进行波束形 成，能够有效提高信号增益，减少外部干扰。但同时，它也给m a c 协议的设计带 来了新的挑战。在分组通信网络中，发送或接收数据分组时，定向天线必须获得 与目标节点对应的权矢量( w e i g h tv e c t o r ) 以进行波束形成，但由于网络中节点的 移动性，分组的突发性以及多跳分布式的网络结构，仅依靠定向天线本身难以简 便、快速、准确地实现上述目标，所以必须提供一套快速、准确的机制以支持定 向天线的应用( 即适应物理层的变化) ，尤其是与物理层紧密相关的多址接入协 议。因此近几年来，一些基于定向天线的媒体接入协议相继出现。 v a i d y a 提出的d m a c t l 2 】协议是最早基于定向天线的m a c 协议之一。它规定 一个节点对它附近的其它节点间的通信进行侦听，然后确定选择定向或全向模式 对目的节点进行初始化通信。当使用定向天线时，节点可以无干扰地向正在进行 通信的方向传输。它的关键之处在于使用定向天线传输r t s 帧。因此减少了听到 r t s 的节点区域，减轻了暴露终端问题。但是正因为如此，隐藏终端问题加重了， 此外它假设节点通过g p s 定位已知目的节点的方位。o r t s o c t s 1 3 】协议使节点摆 脱了依靠外在设备确定目的节点位置的缺陷，它采用全向发送r t s c t s 的方式， 并利用d o a ( d i r e c t i o no f a r d v a l ) 算法一即根据接收功率最大的波束方向确定目的节 点的位置。该协议只是最小限度的利用了定向天线的优点，仍然取得了较好的性 能提高。从文献的仿真数据来看，相比于8 0 2 1 1d c f ，该协议使网络吞吐量提高 了近一倍。d r t s d c t s 1 4 】协议规定控制包和数据包都采用定向传输，这样做充分 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 利用了定向天线的优点，但是在不知道目的节点的情况下，节点不得不依次在每 一个天线方向上发送r t s ，在节点快速运动的背景下，这将带来很大的额外开销。 在o r t s o c t s 、o r t s d c t s 和d r t s d c t s 三类协议中，理论已证明采用 d r t s o d c t s 类协议可以获得最大的吞吐量。 1 3 论文的研究内容 从上述对分布式无线网络m a c 协议的研究现状可以看出，已提出的m a c 协 议可根据其支持的天线类型分为：全向天线m a c 协议和定向天线m a c 协议。本 文分别对这两种类型中的典型协议进行了详细分析，针对存在的问题，提出了一 些改进的算法和协议，并利用o p n e t 仿真软件对改进的算法和协议进行仿真。 本文的主要工作如下： 1 ) 在分析了i e e e 8 0 2 11 d c f 的工作原理的基础上，提出了一种改进的算法协 议。其具体思想为：通过减少系统的一些不必要的d i f s 、i f s 开销和快速解决系 统冲突来提高性能。最后，仿真结果表明改进的算法较i e e e8 0 2 1 1 d c f 在性能上 有一定的提高。 2 ) 介绍了方向天线的种类以及优缺点，并从理论上推导证明了方向天线可以 成倍地提高系统的吞吐量。其次重点分析了方向天线带来的问题，如：隐藏终端 问题、“听不见问题、增益的非对称问题以及队列“头阻塞问题，并介绍了 一些解决问题的方案。 3 ) 在分析使用定向天线带来的问题基础上，提出一种改进的t a - m a c 算法。 它通过改变r t s c t s 控制帧的角色，使用注册表，m a c 层的队列管理和在控制 信道发送t o n e b e a c o n 有效地解决了上述问题。最后在o p n e t 中，对t a m a c 算法进行了天线建模，信道建模，进程建模和节点建模。仿真结果表明t a m a c 算法解决了全向天线中吞吐量的“瓶颈 问题。 论文共分四章，各章的组织结构如下： 第一章：围绕论文的研究背景，介绍了分布式无线网络m a c 协议的研究现状， 并阐述了论文的主要研究内容和组织结构。 第二章：由于对基于全向天线或定向天线的m a c 协议机制的原理分析都是以 i e e e 8 0 2 11 d c f 为基础，并都将系统性能与之进行比较，所以首先介绍i e e e s 0 2 1 1 d c fi 作机制。其次，分析了存在的隐藏终端问题和暴露终端问题的形成原因， 介绍了相应的解决方案。最后，在前面分析的基础上提出了一种改进的退避算法。 仿真数据结果和相关计算表明，改进的算法在吞吐量、时延和公平性的性能指标 上都较i e e e s 0 2 1ld c f 有一定提高。 第三章：将定向天线引入到无线分布式无线网络中去，理论证明了定向天线 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的引入可以成倍地提高系统吞吐量性能，但同时也指出了使用定向天线会带来一 些新的问题。其次根据前面的分析，提出了一种改进的t a - m a c 算法，具体分析 了算法的工作机制和如何解决前面由定向天线的使用所带来的问题。 第四章：详细地讨论了在o p n e t 仿真软件中如何对t a - m a c 算法进行仿真 建模，并将t a - m a c 算法与i e e e 8 0 2 11 d c f 在吞吐量和时延性能上作对比，结果 表新算法大大提高了网络性能。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章基于全向天线的m a c 协议设计 在分布式无线网络研究初期，m a c 协议主要是针对全向天线( o m n i d i r e c t i o n a l a n t c r m a ) 设计的。由于分布式无线网络是无中心、自组织的对等网络，节点采用正e e 8 0 2 1 1 的c s m a c a ( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 竞争机 制接入信道，通过r t s c t s 控制包做虚拟信道预留，较好的解决了在无线环境下 使用c s m a 技术所遇到的隐藏终端问题( h i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ) 和暴露终端问 题( e x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e m ) ，大大提高了公共信道的效率。 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议 2 1 1i e e e 8 0 2 1 1 的逻辑结构 i e e e 8 0 2 1 1 标准的逻辑结构【b l 如图2 1 所示，每个节点所应用的8 0 2 1 1 标准 的逻辑结构包括一个单一媒体接入控制层m a c 和多个物理层p h y 。 l l c 层在m a c 层的支持下为共享媒质p h y 提供访问控制功能( 如寻址方式、 访问协调、帧校验序列生成的检查，以及l l cp d u 定界等) 。m a c 层在l l c 层 的支持下执行寻址方式和帧识别功能。i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层有两种工作方式， 即分布式协调功f l 皂d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和点协调功能p c f ( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 方式类似于传统的分组网，支持异步数据传输等异 步业务，所有要传输数据的用户拥有平等接入网络的机会。p c f 是基于接入点控 制的轮询( p o l l ) 方式，主要用主要用于传输实时业务。m a c 子层由d c f 和p c f 两部分功能组成。d c f 功能直接位于物理层之上，由图可以看出，d c f 向上提供 争用服务。 l l c p c f d c f ( c s m a c a ) 跳频 p h y 扩频 p h y 红外 嗍 图2 1i e e e 8 0 2 1 1m a c 层逻辑结构 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 2i e e e8 0 2 。1 1d c f 功能 由于p c f 使用集中控制的接入算法( 一般由接入点a p 实现集中控制) ，它 只支持i n f r a s t r u c t u r e 网络结构，因此本文不予介绍。d c f 是i e e e8 0 2 1 l 最基本的 媒体访问方法，其包括载波侦听机制( c 8 ) 、帧间间隔i f s ( i n t e r - f r a m es p a c e ) 、 随机退避( r a n d o mb a c k - o f f ) 、r t s c t s 握手机制，以及恢复机制。 第一，帧间间隔。为了尽量避免碰撞，i e e e8 0 2 1 l 的m a c 层规定所有节点 在完成发送后，必须再等待一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间统称为帧 间间隔i f s 。帧间隔的长短取决于该节点发送的帧的类型。常用的几种帧间隔如下： ( 1 ) 短i f s ( s i f s ，s h o r ti f s ) 。s i f s 是最短的帧间间隔，用来分割属于一次 对话的各帧，一个节点应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 s i f s 的帧类型有a c k 帧、c t s 帧、过长的m a c 帧分片后的数据帧等。 ( 2 ) d c f 的i f s ( d i f s ) 。d i f s 由工作在d c f 方式下的节点使用，以发送 数据帧m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ) 和管理帧( m m p d u ) 。 ( 3 ) 扩展的i f s ( e s ) 。只要p h y 向m a c 指示帧已开始发送，并且此帧 会引起具有正确f c s 值的完整m a c 帧的不正确接收，那么节点就使用e i f s 。 此外，还有p c f 帧间隔( p i f s ) 。p i f s 只能由工作在p c f 方式下的节点使用。 第二，载波侦听机制。d c f 的基本工作方式是c s m a c a ，其实质是两次握手 的c a 机制。它根据媒体特性提出了两种载波检测方法：一种是物理层的直接载波 检测c s ，从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道 的忙闲状态，基本的c s m a c a 就是利用物理层的直接c s 信号的；另一种是m a c 层的虚拟v c s ( v i s u a lc a r r i e rs e n s e ) 方式，它通过网络分配向量( n a v ) 在网络 中传输实现。n a v 值保存了无线媒质将要被其它节点占用的时间值。m a c 侦听 所有m a c 帧的持续时间段，如果侦听到的时间值大于当前节点的n a v 时，则更 新n a v 值。n a v 就像一个计数器，开始值是最后一次发送帧的持续时间字段值， 然后倒计时到o 。当n a v _ o 且物理侦听信道空闲时，节点就可以发送帧。流程图 如图2 2 所示。算法【1 6 】如下： ( 1 ) 发送节点侦听信道，如果信道空闲时间达到d i f s ，节点立即发送数据帧。 ( 2 ) 如果信道忙，则等待信道空闲时间达到d i f s 以后，进入退避过程。 ( 3 ) 节点根据退避算法选择一个退避时间，并设置退避时间计数器。信道空 时隙退避时间计数器减1 计数，信道忙时则停止计数。 ( 4 ) 在退避时间计数器减少到o 后，节点立即发送数据帧。 ( 5 ) 发送数据帧后，如果在规定的时间内没有收到a c k 帧，表明数据帧发 送失败，进入重传等待退避过程，回到( 2 ) 。 如果在规定的时间内收到a c k ，表明数据帧发送成功，将退避窗口恢复为默 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 认值。 图2 2c s m a c a 侦听过程流程图 第三，随机退避过程。当信道从忙变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时， 不仅都必须等待一个d i f s 间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间， 以便再次重新试图接入信道。当多个节点都打算占用信道时，采用退避机制可以 减少发生碰撞的概率。 随机退避时间的计算方法如下： 退避时间( b a c k - o f f t i m e ) = i n t ( c w * r a n d o m 0 ) * s l o tt i m e 式中，i n t 表示取整。c w ( c o n t e n t i o n w i n d o w ) 是竞争窗口参数，取值为c 睨i n 到c 之间的一个整数( 其中c 是最小竞争窗口值，c 是最大竞争窗口 值) 。s l o tt i m e 是规定的时隙单位，其值的大小取决于物理层，是发射机打开、 空中传播时延与媒质检测响应时间之和。i e e e 8 0 2 1 1 使用二进制指数退避b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f f ) 算法，即第f 次退避就在2 i + 1 个时隙中随机地选出 一个值作为节点需要退避的值。 第四，r t s c t s 握手机制。在d c f 机制中，为了增强c s m a c a 算法对异步 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数据业务传输的可靠性，i e e e 8 0 2 11 协议建议在c s m a c a 算法基础上采用a c k 确认机制。为了进一步减少数据帧的碰撞概率，i e e e 8 0 2 1 l 提出了一种改进的方 法，源节点和目的节点在发送数据帧之前交换简单的控制帧，即r t s c t s 帧。 第五，恢复机制。节点在发送过程中，由于碰撞、干扰等原因，使传送序列 发送错误，如发送r t s 帧，却收不到c t s 帧。这就需要差错恢复机制。节点发送 帧并等待一段时间间隔后，收不到目的节点的响应信息，则重新退避发送。这一 过程称为自动重复求( a r q ) 。为了控制重发次数，m a c 协议对短帧和长帧区别 对待。对短帧，重发次数最大为r t st h r e s h o l dl i m i t 值。对长帧，最大重发次数 为l o n gr e t r yl i m i t 值。 2 2 影响m - a c 协议性能的因素 2 2 1 隐藏终端问题 所谓隐藏终端【1 7 1 ，通常就是在接收节点通信范围之内，而在发送节点范围之 外的节点。隐藏终端因侦听不到发送节点正在发送，而错误地认为信道空闲并可 能向同样的接收节点发送数据包，造成数据包在接收节点处发生冲突，冲突后发 送 节点重传冲突数据包，从而降低信道的利用率。 二，：、：- 一 - 。 。 ： ： ； 。 ：