（信息与通信工程专业论文）ad+hoc网络中的混合类mac协议研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 a dh o c 网络由于无需固定基础设施支撑、组网快速、灵活，因而受到人们的 广泛关注和研究。其中，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定了节点接入共 享无线信道的方式与所能获得的信道资源，其性能的优劣直接影响a dh o e 网络的 整体性能，是当前a dh o e 网络研究领域中的热点。 针对于此，本文将研究重点集中到如何改善a dh o e 网络中的m a c 协议性能， 旨在设计可以在一定网络环境下较好地保持稳定性与有效性的混合类m a c 协议， 主要研究工作和成果包括以下几个方面： 1 对混合类m a c 协议的退避算法进行了研究，提出了基于节点密度的b e b m 算法( n o d e d e g r e e b a s e db e b mb a c k o f fa l g o r i t h m ，n b e b m ) 。该退避算法主 要包括竞争节点数估计和初始退避窗口计算两个部分，能根据当前所估计的竞争 节点数来动态调整初始退避窗口，从统计上改变了混合类m a c 协议的初始退避窗 口，进而改善了混合类m a c 协议中所使用的竞争机制性能。 2 对a dh o c 网络中的时隙分配问题与基于拓扑依赖特性的m a c 协议进行了 研究，提出了采用动态时隙分配策略的基于拓扑依赖特性的混合类m a c 协议 ( t o p o l o g y d e p e n d e n th y b r i dm a cp r o t o c o l ，t d h m ) 。该协议无需精确地预先估 计网络的拓扑信息，当节点有发送需求时，可以有效地根据节点当前两跳范围内 的邻节点信息为其获取合适的分配时隙与帧长，同时能及时地释放不再被其使用 的分配时隙供其他节点使用，充分利用空闲时隙以及有效解决节点分配时隙之间 的冲突，因此能够较好地适应a dh o e 网络的拓扑与负载变化。仿真表明，相对于 典型的采用固定时隙分配策略的混合类m a c 协议而言，所提出的t d h m 协议可 以更加有效地利用无线信道资源，获得较大的性能提升。 3 对a dh o e 网络中基于拓扑透明特性的m a c 协议进行了研究，提出了基于 拓扑透明特性的混合类m a c 协议( t o p o l o g y t r a n s p a r e n th y b r i dm a c p r o t o c o l ， t t h m ) 。该协议将t d h m 协议与基于拓扑透明特性的时隙分配算法有效地相结 合，不仅可以尽可能地保证节点周期性地接入无线信道，还克服了基于拓扑透明 特性的m a c 协议信道利用率较低的缺点。当节点有发送需求时，可充分利用分配 时隙与空闲时隙，从而能够更好地适应a dh o c 网络的拓扑与负载变化。仿真表明， 相对于当前典型的基于拓扑透明特性的m a c 协议而言，t t h m 协议可以更加有效 地利用无线信道资源，获得一定的性能提升。 4 针对m i m o 技术的应用，提出了基于m i m o 技术的混合类m a c 协议 ( m i m o - b a s e dt o p o l o g y t r a n s p a r e n th y b r i dm a cp r o t o c o l ，m i m o t t h m ) 。该协 议将t t h m 协议与m i m o 技术相结合，不仅具有拓扑透明特性，还拥有并行数据 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 流传输与干扰抑制能力，可一定程度地缓解节点获取时隙使用权时所遇到的冲突， 从而能更加有效地利用分配时隙与空闲时隙。仿真表明，相对于t t h m 协议而言， m i m o t t h m 协议更加适用于采用m i m o 技术的a dh o e 网络。 主题词：a dh o e 网络，媒体接入控制，退避算法，动态时隙分配，拓扑依赖， 拓扑透明，节点密度，川m 0 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t a dh o cn e t w o r kr e q u i r e sn 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 oe n t e r 1 e a v e o r m o v ei n s i d et h en e t w o r kw 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 ，a dh o cn e t w o r kh a s g a i n e dal o to fa t t e n t i o na n di t sr e s e a r c hc o n t e n ti sa b r o a d a sw ek n o w t h em e d i a a c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lc o n t r o l sh o wt h en o d e sa c c e s st h ew i r e l e s sc h a n n e la n d i n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea dh o cn e t w o r kg r e a t l y c o n s e q u e n t l y ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e st h em i n do nh o wt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h em a cp r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot l l er e q u i r e m e n to ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r so ft h ea dh o cn e t w o r k s o m en o v e lm e t h o d st o r e s e a r c ha n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i dm a c p r o t o c o l st h a to f f e rs c a l a b l e a n de f f i c i e n tp e r f o r m a n c ea c r o s ss o m er a n g e so fa dh o cn e t w o r ko p e r m i n gc o n d i t i o n s a r ep r e s e n t e d t h em a i nr e s e a r c hp r o d u c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 w es t u d yt h eb a c k o f fa l g o r i t h mo ft h eh y b r i dm a c p r o t o c o la n dp r o p o s ea n o d e - d e g r e e b a s e db e b m ( n b e b - m ) b a c k o f fa l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f c o m p e t i n gn o d e se s t i m a t e df r o mt h ei n f o r m a t i o no ft h eo n eh o pn e i g h b o r i n gn o d e s ，t h e p r o p o s e dn b e b mb a c k o f fa l g o r i t h mc a nd y n a m i c a l l ya d j u s tt h ei n i t i a lc o n t e n t i o n w i n d o wt os u i tt h ec u r r e n tn e t w o r ke n v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y 。o u rp r o p o s e dn b e b m b a c k o f fa l g o r i t h mc a i li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t e n t i o ns c h e m ei n c l u d e di n t h eh y b r i dm a c p r o t o c 0 1 2 i no r d e rt ou t i l i z et h el i m i t e dw i r e l e s sb a n d w i d t he f j f i c i e n t l y w es t u d yt h es l o t a s s i g n m e n tp r o b l e mo ft h ea dh o cn e t w o r ka n dp r o p o s eat o p o l o g y - d e p e n d e n th y b r i d m a c p r o t o c o l ( t d h m ) w h i c ha d o p t sad y n a m i cs l o ta s s i g n m e n tp o l i c ya n dah y b r i d c h a n n e la c c e s ss t r a t e g y o u rp r o p o s e dt d h mp r o t o c o ld o e sn o tn e e dt oe s t i m a t et h e i n f o r m a t i o no ft h en e t w o r kt o p o l o g ya c c u r a t e l yi na d v a n c ea n dc a na s s i g nas u i t a b l e f r a m el e n g t ha n da s s i g n e ds l o tt ot h en o d eb a s e do nt h ei n f o r m a t i o no fi t sn e i g h b o r i n g n o d e su pt ot w oh o p sa w a yp r o v i d e di th a sd a t at ot r a n s m i t m o r e o v e r ，t h et d h m p r o t o c o lc a nr e l e a s et h ea s s i g n e ds l o t sw h e nt h e ya r en om o r eu s e db yt h en o d e s ，u t i l i z e t h ei d l es l o t sa n ds o l v et h ec o n t e n t i o nb e t w e e nt h e a s s i g n e d s l o t se f f e c t i v e l y c o n s e q u e n t l y ，t h et d h mp r o t o c o lc a na d a p tt ot h ev a r i a t i o n so ft h en e t w o r kt o p o l o g y a n dt r a f j f i c1 0 a d 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 ep e r f o r m a n c eo f0 1 1 1 p r o p o s e d t d h m p r o t o c o li sm u c hb e a e rt h a nt h ee x i s t i n gc o n v e n t i o n a lh y b r i dm a cp r o t o c o l s w h i c ha d o p taf i x e ds l o ta s s i g n m e n tp o l i c y 3 i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e so ft h et o p o l o g y - t r a n s p a r e n tm a c p r o t o c o l u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，w ei n t r o d u c eat o p o l o g y - t r a n s p a r e n th y b r i dm a c p r o t o c o l ( t t h m ) w h i c hc o m b i n e st h et o p o l o g y t r a n s p a r e n ts l o ta s s i g n m e n tp o l i c ya n dt h e t d h mp r o t o c 0 1 i nt h ep r o p o s e dt d h m p r o t o c 0 1 n o d e sw h i c hh a v ed a t at ot r a n s m i t 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c a nu t i l i z et h ea s s i g n e ds l o t sa n di d l es l o t se f f e c t i v e l y c o n s e q u e n t l y ，t h et t h m p r o t o c o lc a na d a p tt o t h ev a r i a t i o n so ft h en e t w o r kt o p o l o g ya n dt r a f f i cl o a db e t t e r m o r e o v e r ，w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dt t h mp r o t o c o la n dt e s t i f yo u r a n a l y s i sb ys i m u l a t i o n s 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 ep e r f o r m a n c eo fo u r p r o p o s e dt t h mp r o t o c o li sb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gc o n v e n t i o n a lt o p o l o g y t r a n s p a r e n t m a c p r o t o c o l s 4 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u ei s k n o w nt o p r o v i d e e x t r e m e l yh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y i nt h e m u l t i p a t h c h a n n e lb ys i m u l t a n e o u s l y t r a n s m i t t i n gm u l t i p l ei n d e p e n d e n td a t as t r e a m si nt h es a m ec h a n n e l i no r d e rt oe x p l o i t t h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i e so fm i m oa dh o cn e t w o r k s w ep r e s e n tam i m 0 一b a s e d t o p o l o g y t r a n s p a r e n th y b r i dm a cp r o t o c o l ( m i m o t t h m ) f o rm i m oa d h o e n e t w o r k sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h et o p o l o g y t r a n s p a r e n tc h a r a c t e ra n dt h em i m o t e c h n i q u ec h a r a c t e r b ye x p l o i t i n gt h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo v e rm i m ot e c h n i q u e ， t h ep r o p o s e dm i m o t t h mp r o t o c o lc a nc o n t r o le a c hn o d et ou t i l i z ei t sa s s i g n e ds l o t s a n dt h ei d l es l o t se f f e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s e dm i m o - t t h m p r o t o c o lc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em i m oa dh o cn e t w o r k sa sc o m p a r e dw i m t h et t h m p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：a dh o cn e t w o r k s ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，b a c k o f fa l g o r i t h m ， d y n a m i cs l o ta s s i g n m e n t ，t o p o l o g y d e p e n d e n t ，t o p o l o g y t r a n s p a r e n t ，n o d e d e g r e e ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博_ 上学位论文 表目录 表2 1 i d 与节点密度列表。2 7 表3 1时隙状态表5 2 表4 1t s m a 协议选取分配时隙的伪码7 1 表4 2t s m a 协议选取参数的伪码7 2 表4 3t t s m a 协议选取参数的伪码7 3 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图目录 多跳通信示意图2 依赖于局部网络环境的信道竞争状况。4 典型的基于竞争机制的m a c 协议性能示意图5 典型的基于调度机制的m a c 协议性能示意图8 a d a p t 协议帧结构1 7 a d a p t 协议握手机制示意图18 b e b m 算法在稳定状态下的一维马尔科夫链模型2 0 b e b m 算法在稳定状态下p t 与p c 的关系示意图2 4 a dh o e 网络中的节点竞争区域示意图2 6 不同平均节点密度下的归一化平均节点吞吐量比较3 1 不同平均节点密度下的平均节点接入延时比较3 l 主要冲突和次要冲突示意图3 5 n = 6 的静态a dh o c 网络拓扑结构3 6 时隙调度方案3 8 u s a p 帧结构4 1 f p r p 帧结构4 2 u s a p m a 运作示意图4 4 t d h m 协议帧结构。4 6 t d h m 协议报文结构4 7 二叉树与时隙状态表的对应关系4 9 节点获取帧长与分配时隙的流程图5 0 节点选择帧长和分配时隙示意图5 4 节点获取时隙使用权的流程图5 6 节点帧长收缩示意图5 9 不同平均节点密度下的最小归一化平均节点吞吐量比较6 3 不同平均节点密度下的最大平均节点接入延时比较6 3 不同平均节点密度下的最小归一化平均节点吞吐量方差比较6 4 不同平均节点密度下的归一化平均节点吞吐量比较6 5 不同平均节点密度下的平均节点接入延时比较6 6 t s m a 协议帧结构及时隙分配示意图7 0 螺纹协议方法示意图7 3 t t r 协议帧结构7 6 改进的t s m a 与a d a p t 协议帧结构7 9 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1l 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 改进的t s m a 与a d a p t 协议报文结构7 9 不同最大节点密度下的性能比较示意图8 5 协议p l ，p 2 中节点获取时隙使用权的流程图8 7 不同最大节点密度下的归一化平均节点吞吐量比较9 2 不同最大节点密度下的平均节点接入延时比较9 2 不同最大节点密度估计情况下的归一化平均节点吞吐量比较9 3 不同最大节点密度估计情况下的平均节点接入延时比较9 4 m i m o 系统示意图9 6 m - 4 时的数据流传输示意图9 8 协议p l ，p 2 中改进的节点获取时隙使用权的流程图1 0 0 不同最大节点密度下的归一化平均节点吞吐量比较1 0 5 不同最大节点密度下的平均节点接入延时比较1 0 5 第v 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一同工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：亟h 篮圈终生鲍湿佥娄丛怂邀班究 学位论文作者签名：么日期：二优诊年月7 日 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 ( 保密学位论文在怒密后适用本授权书) 学位论文题目：垂h q q 圜络史鲍湿金娄遨盐这盈究 学位论文作者签名：毖日期：二优夕年月7 日； 黼揪样：一魄潲7 日 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 第一章绪论 当今时代，无线通信技术飞速发展，无线通信正在改变着人们的生活和思维 方式，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 任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e 0 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论文的研究背景和意义 传统的移动通信主要以蜂窝网络的形式出现，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。然而，在某些特殊的环境下( 如军事行动、灾区现场等) ， 由于无法提供固定基础设施对移动通信进行支持，因此需要采用一种能够灵活、 快速组网的移动通信技术。 在此背景和需求下，a dh o c 网络技术应运而生。a dh o c 网络的起源可以追溯 到1 9 6 8 年的a l o h a 网络1 2 j 和美国国防部高级研究计划局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ，d a r p a ) t ”从1 9 7 3 年开始研究的分组无线电台网络，电 气与电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 后来将 分组无线网络改称为a dh o c 网络 4 1 。 与传统的移动通信系统相比，a dh o c 网络中不存在任何固定的基础设施，仅由 带有无线收发装置的通信终端( 本论文一律称之为节点) 所构成，整个通信网络 的正常运行不依赖于任何特殊的节点，当一些节点离开或加入时均能够实现动态 调整【5 】。从体系结构和工作方式来看，a dh o c 网络的特点可以归纳为以下几点 6 - t 1 1 ： 1 分布式及自组织特性 a dh o c 网络不依赖于类似基站的基础设施，网络中的节点地位平等，不仅具有 移动终端的功能，而且还具有路由器的功能，可在任何时间、任何地点快速构建 起一个无线通信网络。此外，a dh o c 网络采用分布式操作，节点可以随时地加入和 离开网络，单个节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 2 动态的网络拓扑结构 由于节点在a dh o c 网络中能以任意方式自由移动，因此节点间通过无线信道形 成的网络拓扑结构随时可能发生变化且变化的趋势不可预测。此外，受节点能量、 无线信道干扰和衰落等综合因素的影响，网络拓扑结构也可能发生变化。 3 多跳通信 在a d h o c 网络中，节点受发射功率的限制，覆盖范围有限。当需要与其覆盖范 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 围之外的节点进行通信时，往往需要通过中间节点的转发，即需要多跳通信，如 图1 1 所示，其中虚圈代表节点的有效传输范围，实线表示传输路径。与有线网络 中的多跳通信不同，a dh o c 网络中的多跳通信不需要借助于专门的路由设备，是由 网络中的节点完成的。此外，a dh o c 网络中的多跳通信使得报文的冲突成为局部事 件，可提高无线信道的利用率。 图1 1多跳通信示意图 4 带宽受限、易变 a dh o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的特性， 所能提供的带宽相对于有线信道要低的多且质量较差。此外，考虑到冲突、信号 衰落、噪声干扰等因素，节点所能获得的实际带宽远小于理论上的最大带宽且将 随时间动态变化。 5 移动终端的局限性 a dh o c 网络中，移动终端通常以传感器、个人数字助理( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i t a n t ，p d a ) 、掌上型电脑或手持式电脑等小型、微型设备为主要形式，这就导 致其处理能力、覆盖范围及能量均是受限。 6 安全性较差 由于节点间通信的无向性，a dh o e 网络更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝 服务和剥夺“睡眠”等网络攻击。同时，由于节点的计算能力和能量受限，运算 量较高的加密算法无法应用，因此需要特别考虑信道加密、抗干扰、用户认证、 密钥管理、访问控制以及其他安全措施。此外，由于节点兼有路由功能且本身物 理安全性较差，因此一旦有恶意节点利用路由协议的脆弱性发起攻击，很容易导 致整个网络崩溃。 从上述对a dh o e 网络特点的分析可以看出，由于a dh o e 网络的分布式及自组 织特性提供了快速、灵活组网的可能，网络的抗毁性满足了某些特定应用的需求， 因此a dh o c 网络早期主要应用在军事领域，九十年代前，很难从公开的出版物上 获得相关的、有价值的理论研究成果。到了九十年代中期，a dh o c 网络才逐渐扩展 笫2 页 一、埔，、 、 点、j、， 黟，夕 、，b、，：，瞄吖 一 源，、 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 到民用领域，随着技术的开放和深入，近年更是引起了越来越多的关注。目前a dh o c 网络的应用领域发展迅速，如与商用蜂窝网结合产生的m e s h 网络、无线局域网 ( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 、无线个人区域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a la r e a n e t w o r k s ) 以及无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n o r n e t w o r k ) 1 2 - 3 0 】 等等。可以预见，a dh o e 网络的实现必将全面促进人类实现智能的信息化环境进程， 真正实现人们对移动通信最高目标的追求。 虽然a dh o e 网络具有诱人的潜在应用前景，但其多跳、自组织、无中心基础设 施等特点使得中心结构式无线网络中所采用的各种协议和技术无法直接应用到该 网络中，需要为其设计专门的协议和技术，因此在很多技术方面目前还没有一个 定论，如何实现a dh o c 网络可靠、高容量的通信一直是研究者们追求的目标。 基于上述原因，a dh o e 网络成为了一个非常吸引人的研究课题，许多的研究机 构、学院、政府部门都对其相关技术进行了研究，这从目前大量的关于a dh o c 网络 专题的通信会议及相关论文就可见一斑1 3 1 3 4 1 。目前，研究工作主要集中在m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议【3 5 ，6 2 。9 6 】、路由算法0 6 - 4 7 1 、服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证【4 8 - 5 1 1 、能量管理【5 2 5 5 1 、网络安全【5 每5 7 1 、交叉层设计【5 8 - 5 9 1 、位置管理【6 0 1 等几个方面。 在众多的a dh o c 网络研究热点中，m a c 协议受到极大的关注，它决定了a dh o c 网络中节点接入共享无线信道的方式与所能获得的信道资源，其性能的优劣直接 影响a dh o e 网络的整体性能。然而，传统的基于竞争或调度机制的m a c 协议各有优 缺点，前者在节点密度较小、网络负载较低时有效，而后者则适用于节点密度较 大、网络负载较高的情况。针对于此，本论文围绕解决在一定网络环境下m a c 协 议应用受限的问题展开研究，分析了目前相关的经典m a c 协议，设计了可以在一 定网络环境下较好地保持稳定性与有效性的混合类m a c 协议。为了使得研究具有 通用性，除非特别说明，本文中后面部分所说的“a dh o c 网络是指多跳单信道的 双向a dh o e 网络。 1 2a dh o e 网络m a c 协议研究现状 1 2 1m a c 协议的设计问题 研究表明，m a c 协议在实际的设计中，需要认真面对以下三个方面的问题【1 2 8 】： 分布式应用；节点竞争共享信道的激烈程度与所处的局部网络环境相关；动态变 化的a dh o e 网络状态信息。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 1 2 1 1 分布式应用 由于a dh o c 网络具有分布式及自组织特性，因此节点应能根据自己的报文队列 状态和所能获得的局部信道反馈信息来独自决定何时竞争接入无线信道。然而， 由于这些决定都是由节点各自独立作出的，因此报文能否传输成功还要依赖于其 他节点所作出的接入信道决定。针对于此，如何设计易于分布式应用的m a c 协议， 使得节点有效地接入共享无线信道，一直是m a c 协议设计中所面临的主要问题。 1 2 1 2依赖于局部网络环境的信道竞争状况 由于无线传输的覆盖范围有限，因此节点之间竞争共享信道的激烈程度与其 局部网络环境相关【6 1 】。如图1 2 所示，箭头表示源目的节点对。其中，节点1 必须 要和节点2 、3 、6 竞争信道，这是由于它们在发送节点1 或者接收节点2 的有效接收 或发送范围内。同理，节点2 则需要和节点1 、3 、4 竞争信道。此外，由于节点1 和 4 距离足够远，因此可以同时接入信道而不会相互干扰。 6 2 54 3 图1 2依赖于局部网络环境的信道竞争状况 如上所述，每个节点的竞争节点集合都会因其所处的局部网络环境不同而有 所区别。因此，如何使得节点在不同的信道竞争状况下均能有效利用信道资源， 也是m a c 协议设计中所面临的主要问题。 1 2 1 3动态变化的网络状态信息 目前，描述a dh o e 网络特性的网络状态信息主要有：节点能耗、网络负载、信 道状态、网络拓扑和连接性情况等。前面提到，在不同的a dh o e 网络环境条件下， 节点所面临的信道竞争状况各异，因此为了能够使得节点性能始终维持在一个较 为理想的水平上，要求所设计的m a c 协议能够根据各个节点当前的网络状态信息 作出适当的接入无线信道的决定。 然而，根据上述对a dh o c 网络特点的分析可知，这些网络状态随时可能发生变 化且变化的趋势一般不可预测。因此，如何有效地获取和更新这些网络状态信息 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 并对其加以利用也是m a c 协议设计中面临的主要问题之一。 此外，为了确保a dh o c 网络的整体性能，研究者提出了理想的m a c 协议设计目 标【1 2 8 ：协议采用分布式的应用方式；能够适应动态变化的网络环境，并在各种不 同的网络环境下都具有较为稳定的性能保障；能够利用较少的节点资源获到较为 理想的性能。然而，由于存在上述的设计问题，因此节点不太可能得到全局的网 络状态信息，从而决定了对于a dh o c 网络的m a c 协议设计来说，不能采取全局优化 的方式来获得最优的解决方法，以完全达到理想的设计目标。针对于此，大多数 研究者往往根据不同的网络环境，采用适当的竞争或调度机制以获取局部优化的 解决方法，期望接近理想的m a c 协议设计目标。 1 2 2a dh o c 网络m a c 协议分类 针对不同的接入信道方式，目前a dh o c 网络的m a c 协议一般分为以下三类：基 于竞争机制的m a c 协议、基于调度机制的m a c 协议和混合类m a c 协议。 1 2 2 1基于竞争机制的m a c 协议 基于竞争机制的m a c 协议采用竞争的方式来接入无线信道，若竞争信道失败， 则根据所采用的退避算法来修改其下次竞争接入信道的时间或概率。因此，研究 者一般也称其为竞争类m a c 协议，该类m a c 协议的性能主要由其所采用的竞争机 制决定，如退避算法和竞争信道的方式等。 如图1 3 所示【1 2 引，当吞吐量性能曲线的斜率为正数时，表示网络负载还没有 超过基于竞争机制的m a c 协议所能达到的最大吞吐量性能。在这种情况下，吞吐 量随着网络负载的增加而逐渐增大，性能较为稳定。当吞吐量性能曲线的斜率为 负数时，表示网络负载超过了协议所能达到的最大吞吐量性能。在这种情况下， 吞吐量随着网络负载的增加而急剧下降，性能恶化问题较为严重。 删 茸 临 网络负载 图1 3典型的基于竞争机制的m a c 协议性能示意图 第5 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 目前己经有大量基于竞争机制的m a c 协议提出【2 ，4 3 只6 2 。7 5 j ，其中比较有代表性 的有基于单信道的a l o h a l 2 1 、c s m a 6 2 1 、m a c a 3 5 1 、m a c a w 钏、i e e e8 0 2 1 l d c f 4 1 、f a m a 6 5 1 等；基于多信道的d b t m a 6 6 1 、d c m a 6 7 1 、多信道c s m a 6 引、 d c a p c l 6 9 】等。 a l o h a 协议开创了基于竞争机制的m a c 协议的研究先河，该协议是在夏威夷 大学的a l o h a n e t 项目中提出的【2 1 。a l o h a 协议采用最简单的竞争机制，当有报 文到来时，源节点直接将其发送给相应的目的节点。然而，在该系统中，报文冲 突发生的概率较大，需要使用自动请求重传机制来确保报文能够正确传输。当节 点发现其报文并没有被成功接收时，就会重发该报文。很明显，由于a l o h a 协议 缺乏有效的竞争机制，因此报文冲突问题较为明显，信道利用率很差。 针对a l o h a 协议的不足之处，载波侦听多址接入( c s m a ，c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s ) 协议【6 2 】将载波侦听技术引入到竞争机制中，也就是在传输报文之 前确定信道是否空闲。虽然c s m a 协议在一定程度上缓解了报文冲突问题，但a d h o c 网络所存在的隐藏终端和暴露终端问题仍将对其带来负面影响【6 引。由于隐藏终 端的存在，源节点无法确定其目的节点当前的信道状态，因此在目的节点处仍然 会发生报文冲突。此外，由于暴露终端的存在，源节点在暴露终端传输报文时拒 绝接入信道，因此部分信道资源将会被浪费。 为了解决隐藏终端和暴露终端问题，文献 3 5 】所提出的m a c a 协议将一种简单 的r t s c t s 握手机制引入到竞争机制中。r t s c t s 握手机制的基本思想为，源节点 在发送数据报文前要先向目的节点发送r t s 控制报文，收到i s 控制报文的目的节 点将返回一个c t s 控制报文，收到相应的c t s 报文后源节点才可以开始发送数据报 文。此外，没有收至0 c t s 报文的源节点则需要等待一段随机选择的时间后才能继续 竞争信道。可以看出，r t s c t s 握手机制有效地缓解了隐藏终端和暴露终端问题。 目前这一思想已被竞争类m a c 协议所广泛应用，通过控制报文的交互来感知周围 的节点，以缓解隐藏终端和暴露终端问题。 综上所述，由于基于竞争机制的m a c 协议易于分布式应用，每个节点都可以 独自决定何时竞争接入无线信道，因此该类m a c 协议为没有固定基础设施支撑的 a dh o c 网络接入问题提供了很好的解决方法。然而，竞争接入信道的特性决定了基 于竞争机制的m a c 协议不能有效地适应a dh o c 网络环境的动态变化，只适用于在较 轻网络负载的下突发性数据业务及非延时敏感性业务。当节点密度或网络负载较 大时存在性能恶化问题，这往往也就限制了该类m a c 协议的应用环境。 1 2 2 2基于调度机制的m a c 协议 无线信道资源可以按照频域、时域和码域的方式划分，基于调度机制的m a c 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 协议就是将这些按照不同维度划分的资源以一定的调度机制分配给网络中的节点 使用，研究者一般也称其为调度类m a c 协议。一般来说，基于调度机制的m a c 协 议没有竞争类m a c 协议那么灵活，在低网络负载条件下信道利用率较低。但是， 调度类m a c 协议可以在中等和重网络负载条件下运行良好，充分的利用信道资源。 上述提到的三种资源分配方式中，频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 方式