（通信与信息系统专业论文）基于定向天线的无线mesh网络mac机制的研究.pdf

摘要 无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线网络结构，即一种大容量、高速率的 分布式网络。使用定向天线能够进一步增加频谱的空间重用度，抑制干扰，大大 提高无线m e s h 网络的容量。 论文对基于定向天线的m e s h 网络m a c 机制进行了研究。首先介绍无线m e s h 网络的结构和特点以及定向天线模型；其次，我们分析了定向天线应用于m e s h 网 络对m a c 协议设计带来的影响；然后，针对邻居发现问题、“听不见 问题、新 出现的隐藏终端等问题，在文中提出了两种新的协议：定向混合时分多址接入协 议( d h t d m a ) 和解决“听不见”问题的定向m a c 协议( n d d m a c ) 。最后，在n s - 2 中实现了n d d m a c 协议，并与已有的协议进行性能比较，结果表明，n d d m a c 可以获得更高的网络吞吐量和更小的端到端时延。 关键词：无线m e s h 网络m a c 定向天线“听不见问题 a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i san e wt y p eo fb r o a d b a n dd i s t r i b u t e dw i r e l e s s n e t w o r kw i t hh i 2 9 hr a t ea n dh i g hc a p a c i t y u s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a sc a ni n c r e a s e f u r t h e rs p a t i a lr e u s ea n dr e d u c et h er a d i oi n t e r f e r e n c e ，a n dt h e r e b yi m p r o v en e t w o r k c a p a c i t yg r e a t l y t h em a c p r o t o c o l so fw m n su s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a sa r es t u d i e d i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ea r c h i t e c t u r ea n df e a t u r e so fw m n sa n dd i r e c t i o n a la n t e n n am o d e l sa r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ei m p a c t so fu s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a so nt h em a cp r o t o c o l s o fw m n sa r ea n a l y z e d t h e n ，a i m e da ts o l v i n gt h ep r o b l e m so fn e i g h b o rd i s c o v e r y , d e a f n e s sa n dn e wh i d d e nt e r m i n a l s ，t w on e wp r o t o c o l sc a l l e dd h t d m aa n d n d d m a ca r ep r o p o s e d f i n a l l y , n d d m a cp r o t o c o li si m p l e m e n t e du n d e rn s - 2 ，a n d p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t he x i s t i n gp r o t o c o l s i sm a d e t h er e s u l t ss h o wt h a t n d d m a c p r o t o c o l c a na c h i e v eh i g h e rt h r o u g h p u ta n ds h o r t e re n d - - t o - - e n dd e l a y k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r km a cd i r e c t i o n a la n t e n n a d e a f n e s sp r o b l e m 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：缝碴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在解密后适用本授权书。 本人签名：越雌 导师签名： 日期垒丑! ：兰占 日期挈。! ：彬 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 当今的信息社会正从个人计算机时代进入到互联网时代，在这个时代，用户 能够随时随地根据需求使用各种电子平台来访问所需要的各种信息。无线网络成 为互联接入的最简单的解决方案，无线领域在过去十年间的迅猛发展，使得用户 能够不再囿于地理位置的限制。在无线网络的各项应用和服务中，网络连接和数 据业务是用户最迫切需要的服务。传统的无线接入方式主要采用无线局域网 ( w l a n ，w i r e l e s slo c a la r e an e t w o r k ) ，通过无线接入点( 越a c c e s sp o i n t ) 为移动 设备提供网络服务，a p 可以看作有线网络的延伸，在w l a n 的覆盖范围内，配 有无线网卡的设备，都可以通过a p 与外部有线或无线的骨干网络相连，a p 实际 上充当了无线h u b 的角色。 随着人们对8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 1 9 等w l a n 技术的深入了解，无线m e s h 接入技术作为新一代的无线区域网络解决方案应运而生。无线m e s h 网络 ( w m n s ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 是一种多跳、具有自组织和自愈性的宽带无线网 络结构，是_ 种高容量、高速率的分布式网络。目前m e s h 网络技术的应用主要有 w i f im e s h 和w i m a xm e s h ，对应的标准分别是8 0 2 1 l s 和8 0 2 1 6 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 e ， 其中8 0 2 1 l s 定义了如何在w i f i 系统上实现网状的组网结构，最终标准预计将于 2 0 0 8 年出炉。f i r e t i d e 、s t r i xs y s t e m s 、s k y p i l o t 、摩托罗拉和p r o x i m 等w i f im e s h 网络设备供应商提供的m e s h 结点设备大多采用8 0 2 1 l b g 进行网络覆盖，结点间 通信则采用8 0 2 1 l a 技术作为物理层，m a c 层采用8 0 2 1 1d c f ，搭配各公司私有 的路由协议。8 0 2 1 6 系列是无线城域网标准，8 0 2 1 6 e 是支持移动特性的无线接入 标准。然而w i m a x 话题虽然日益火热，但由于政府监管、3 g 兼容性和技术成熟 度等问题，尚无法做到大规模部署。 随着网络业务的快速增长，特别是语音、视频等多媒体业务的应用日益增多， 对无线m e s h 网络的容量和带宽提出了更高的要求，在网络中采用定向天线是一 个很好的解决办法。定向天线可以进一步增加频谱的空间重用度，抑制干扰，从 而大大提高网络容量。而且在无线m e s h 骨干网中，各结点基本上长时间固定在 一个位置，移动性通常较低。这使得搭建网络时可以事先规划拓扑结构，结点之 间可以事先确定邻居的位置，这对于使用定向天线这类需要定位的技术是个非常 有利的条件。定向天线定向性、高增益的特点可以进一步提高频谱的空间重用度， 增加传输距离，但这些特点同样也导致了“听不见”问题，增益不对称引起的隐 三基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 藏终端问题等等弊端。这些问题都是以往使用全向天线的m a c 协议中不曾遇到 的，所以需要具体针对基于定向天线的无线m e s h 网络设计全新的m a c 协议。结 合无线m e s h 网络的弱移动性、弱节电问题的特点和定向天线空间重用的优势， 以如何进一步提高吞吐量为主要目标，本文对基于定向天线的m e s h 网络的m a c 协议进行研究。 1 2 本文主要内容 本文主要考虑在无线m e s h 网络中采用了定向天线后，会出现一些全向天线 下没有的新问题。我们在论文中对这些问题进行了描述，并设计了新的m a c 协 议加以解决，所做的工作内容如下： 首先对现有的一些基于定向天线的m a c 协议进行分析比较，总结出邻居定 位、“听不见”问题、新出现的隐藏终端问题和广播分组发送方式是影响采用定向 天线的m a c 协议最主要的问题。“听不见 问题是指当一个结点发出r t s 后， 预期的目的结点可能由于波束方向处于其它方向，不能对此进行应答，导致发送 结点不断加大退避窗口，造成信道资源的浪费。并可能引发不公平性和“死锁 等一系列问题。这是在采用定向天线的m a c 协议设计中的一个重要问题，需要 采用合理的机制加以解决。 其次针对总结出的问题，我们考虑对应的解决方案，并据此设计了两个新的 采用定向天线的m e s h 网络m a c 协议：定向混合时分多址接入协议( d h t d m a , d i r e c t i o n a lh y b r i dt d m a ) 署n 解决“听不见”问题的定向m a c 协议( n d d m a c ，n o d e a f n e s sd m a c ) 。在d h t d m a 协议中，我们提出利用分布式t d m a 机制解决 定向天线带来的主要问题，在理论上可以得到比较好的效果，但在实际应用的实 现上可能存在一定的难度。在n d d m a c 协议中，结合m e s h 网络的弱移动性和 定向天线能判断信号方向的特点，我们解决了邻居发现问题。之后重点针对“听 不见 问题，我们设计了采用忙音通知和重发r t s 计数两种方案，分别以被动和 主动的方式重置退避窗口，解决了听不见问题。在协议中我们同时采用了这两种 方案。 最后，我们在n s 2 仿真平台上实现了n d d m a c 协议，通过仿真，我们可 以看到采用我们提出的机制来解决“听不见 问题后，网络的吞吐量和分组的端 到端时延有了明显的改善，而且在公平性方面也有所加强。随后，与已有的定向 m a c 协议的仿真比较表明，采用n d d m a c 后，网络吞吐量有了显著的提高。 论文的组织结构如下： 第二章对无线m e s h 网络结构及特点做简要介绍，重点分析定向天线的原理 及天线模型，研究定向天线对网络协议及性能的影响； 第一章绪论 3 一 第三章对现有基于定向天线无线a dh o e 网络和m e s h 网络的m a c 协议进行 深入研究，总结使用定向天线的无线多跳网络中遇到的几个主要问题； 第四章根据前面所阐述的问题，提出解决方案，讨论并分析了几种方案的可 行性，提出d h t d m a 和n d d m a c 协议。我们在n s 2 网络仿真软件中编写和添 加了定向天线模型，在此基础上实现各种采用了定向天线的m a c 协议，并搭建 无线场景，仿真比较协议的性能； 第五章总结全文工作成果，并对将来的进一步研究方向和内容进行了讨论。 第二章无线m e s h 网络与定向天线 5 第二章无线m e s h 网络与定向天线 2 1 无线m e s h 网络 2 1 1 无线m e s h 网络的概念 “m e s h 这个词的本意是指所有结点都互相连接，现在也指部分结点相互连 接的网络，网络中每个结点均能通过一跳或多跳到达目的结点。i n t e m e t 实际上就 是一种典型的m e s h 网络，比如，当我们需要发送电子邮件时，这份邮件并不是 直接送达收件人的信箱，而是通过网络中的路由器从一个服务器转发到另一个服 务器，经过多次路由转发才到达收件人的信箱的，转发的过程中，路由器一般会 选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。网络中任 意两个结点之间的某条链路失效后，路由器会经过一个或多个其它的路由器找到 一条替代路由。 无线m e s h 网络是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构， 即一种大容量，高速率的分布式网络。目前主要观点认为，w m n 是一种由无线 链路连接路由器和终端设备的静态无线网络，是i n t e r n e t 的无线版本。w m n 可以 看成是w l a n ( 单跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合，且发挥了两者的优 势，是一种新型的可以解决“最后一英里 瓶颈问题的分布式网络。 2 1 2 无线m e s h 网络的结构 无线m e s h 网络中的结点分为m e s h 路由器和m e s h 客户端。一个无线m e s h 路由器不仅具有传统路由器的网关转发功能，还需要具备适应m e s h 网络要求的 路由功能，即能够为所有邻居结点转发分组的功能。通常m e s h 路由器具有多个 无线接口支持多个相同或不同的无线接入技术。传统8 0 2 1 1 无线路由器的覆盖范 围最大距离为3 0 0 米，如果有隔离物或环境半开放，传输距离约在3 5 5 0 米左右， 而无线m e s h 路由器能够实现非视距传输，可以通过多跳的方式以更低的发送功 率实现与传统无线路由器相同的覆盖。m e s h 客户端同样必须具有支持m e s h 网络 的功能，因此需要具备路由功能，但是它们并不具有网关或网桥的功能。m e s h 客户端通常只有个无线接口，在软硬件上都比m e s h 路由器简单得多。台式机、 手提电脑、p d a 、i p 电话机等等都可以成为一个m e s h 客户端。 在传统的w l a n 中，每个结点通过无线链路连接到a p 访问网络。即使两个 基于定向天线的无线m e s h 嗣络m a c 机制的研究 结点距离很近，也必须通过a p 爿能进行通信。在无线m e s h 刚络巾，每个m e s h 客户端都可以作为一台主机发送和接收数据，与一个或者多个对等结点进行直接 通信，叫时也可以作为路由器为其它结点转发分组，这衅结点既是业务的使用者 也是业务的提供者。无线m e s h 嘲络与移动a d h o c 技术的区别主要在于网络结构 的连接3 - ，m e s h 路山器既可以作为网络中的对等数据转发寅体，也可以作为连接 到其它有线或无线嘲络的桥接器。无线m e s h 刚络是一种人容量、高速率、多点 对多点的分靠式网络。 h2l 屯线m e s h 州络 图21 是一个无线m e s h 网络的示意图，其中骨干网由m e s h 路由嚣组成。其 中的些路i 扫器作为网关结点负责连接到i n t e r n e t 和其它无线网络，包括 w l a n 、蜂窝埘络、w i m a x 咧络和传感器网络等，也- u 以直接和无线或确线的 m e s h 客户端相连。 2 1 3 无线m e s h 网络的特点 与传统的w l a n 相比，无线m e s h 网络具有以下优势： 1 快速部署和易于安装。安装m e s h 结点非常简单，不需要基础设施的支持， 用户u ，以很容易增加新的m e s h 结点来扩= 无线网络的覆盖范围和时络容量。在 第二章无线m e s h 网络与定向天线 7 一 无线m e s h 网络中，不是每个m e s h 结点都需要有线电缆连接，这是它与有线a p 最大的不同。m e s h 的设计目标就是将有线设备和有线a p 的数量降至最低，因此 大大降低了总成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就非常可观。 2 非视距传输( n l o s ，n o n el i n eo fs i g h t ) 。利用无线m e s h 技术可以很容易 实现n l o s 配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接 视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。 按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户， 并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直 接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线m e s h 网络能够非视距传输的 特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。 3 健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某 个路由器发生故障，信息由其它路由器通过备用路径传送。m e s h 网络比单跳网络 更加健壮，因为它不依赖于某一个单一结点的性能。在单跳网络中，如果某一个 结点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在m e s h 网络结构中，由于每个结点 都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的结点出现故障或者受到干扰，数据 包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。 4 结构灵活。在单跳网络中，设备必须共享a p 。如果几个设备要同时访问 网络，就可能产生通信拥塞。而在多跳网络中，设备可以通过不同的结点同时连 接到网络，因此不会降低网络性能。m e s h 网络还提供了更大的冗余机制和通信负 载均衡功能。在无线m e s h 网络中，每个设备都有多条传输路径可用，网络可以 根据每个结点的负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了结点的通信拥 塞。而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。 5 高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高 带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其它导致数据丢失的因素随之 增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法， 而这j 下是m e s h 网络的优势所在。在m e s h 网络中，一个结点不仅能传送和接收信 息，还能充当路由器对其附近结点转发信息，随着更多结点的相互连接和可能的 路径数量的增加，总的带宽也大大增加。此外，因为每个短跳的传输距离短，传 输数据所需要的功率也较小。多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的结 点，结点之问的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高， 因而能够实现更高的网络容量。比如在高密度的城市网络环境中，m e s h 网络能够 减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。 无线m e s h 网络尚存在的问题主要有以下3 点： 1 分布式管理和互操作性。由于无线m e s h 网络是一个分布式网络，很难实 现集中式管理，即使对于低移动性的m e s h 网络，网络配置与管理仍然是个不易 墨基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 解决的问题。另外，目前影响无线m e s h 技术迅速普及的一个重要障碍就是互操 作性。正如任何一种新兴的网络技术刚出现时一样，无线m e s h 网络现在还没有 一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线m e s h 产品， 要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口互通的问题，这个问题目前 是影响无线m e s h 技术推广使用最重要的原因。鉴于此，目前一些公司正在开发 能够适应不同无线环境的可配置的无线网络设备，互操作性有望得到一定程度的 解决。但要想彻底解决互操作性问题，最终还需要业界制定统一的无线m e s h 技 术标准。 2 通信时延和频带干扰。在m e s h 网络中数据通过中间结点进行多跳转发， 每一跳都会带来一些时延，随着无线m e s h 网络规模的扩大，跳数越多，累计的 总时延就会越大。一些对通信时延要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能 面临无法接受的时延过长的问题。此外，现有的无线m e s h 网络大多都工作在免 授权的共享频段，必然存在与其它共存网络的无线干扰问题。 3 安全。与w l a n 的单跳机制相比，无线m e s h 网络的多跳机制决定了用 户通信要经过更多的结点。而数据通信经过的结点越多，安全问题就越变得不容 忽视。i n t e m e t 本身即是使用m e s h 方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周 知的。由于无线m e s h 网络结构本身的脆弱性，极易遭受其它恶意结点的攻击、 干扰和窃听。尽管有线网络中使用的各种端到端安全技术，如虚拟专用网( v p n ) 同样可以用来解决无线m e s h 的安全问题。但正如i n t e r n e t 一样，无线m e s h 网络 的安全是一个不容忽视的问题。 2 1 4 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络在家庭、企业和公共场所都具有广泛的应用前景。m e s h 网络 可以用于建立家庭无线网络，台式机、手提电脑、h d t v 、游戏机以及其它各种 消费类电子设备都可以使用无线m e s h 技术进行组网，各种家电既是网上的用户， 也可以作为基础设施的组成部分为其它设备提供接入服务；m e s h 网络还可以为无 线服务提供商提供热点地区的服务覆盖延伸，向移动用户提供高性能的i n t e r n e t 接入服务；企业的无线通信采用m e s h 技术能够允许网络用户共享带宽，消除了 当前单跳网络的瓶颈，实现网络负载的动态平衡。校园网络采用m e s h 方式组网， 可以实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所之间的无缝漫游，易于实 现网络的结构升级和调整；对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、 交易会、灾难救援等，m e s h 网络无疑是最经济有效的组网方法。比如，如果需要 临时在某个地方开几天会议或办几天展览，使用m e s h 技术来组网可以将成本降 到最低。 第二章无线m e s h 网络与定向天线 9 2 2 1 天线模型 2 2 定向天线模型 一个天线模型表示的是天线的增益模式。假设一个天线位于一个三维坐标系 原点，天线在远场区球面上的一点与原点的连线与其在x y 平面的投影的夹角为 伊，投影与x 轴的夹角为0 ，如图2 2 所示，其中驴( 0 ，石) ，口( 0 ，2 a ) 。这样， 天线的方向可以用角度( 日，伊) 表示。 x 图2 2 三维坐标系中天线的方向 天线的定向性是在远场区某一球面上最大辐射功率密度p ( 口，妒) 一o e m _ 2 ) 与其平均值之比，是大于等于1 的量纲比值，写成 d ：竺塑! 盟磐( 2 1 ) p ( o ，伊) 。， 其中，球面上的平均功率密度为： 户( 口，驴) 。一石_ _ 咖l i p 。- 2 4 0 “尸( 口，驴) s j n 甜锹驴 一去驴( 咖矽q 唧1 ) ( 2 - 2 ) 因此，天线的定向性为： 肌面赢一 ( 1 锄皈：“f p ( p ，驴) s i i l 甜耐妒 0 4 厢) f f l p ( o ，驴) p ( p ，妒) m 。f q 理想化的各向同性天线的定向性d 最小值为1 ，即理想的全向天线， 的增益完全相同，而实际中所有的天线定向性d 都大于1 。 ( 2 3 ) 各方向 基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 来自波束范围q 。的定向性为： d 。 堑。旦 ( 2 4 ) r r 只( 目，妒) d q q _ 其中，只p ，驴) = 只p ，驴) p p ，驴) 一 方向( o o ，妒。) 上的天线增益g ( o o ，驴。) 为 卯川4 而证p 鬲( o o , 面q ；o ) ( 2 5 ) 在后面的讨论中，假设天线沿着z 轴方向的增益是固定的，因此在式中舍去 妒。天线所有方向上的最大增益称为峰值增益，对应的方向即为最大响应角( m r a , m a x i m u m r e s p o n s ea n g l e ) 或主瓣方向。定向天线的波束宽度定义为沿主瓣两边展 开比峰值低3 d b 增益的角度。那么一般的天线模型有以下几种： 1 理想天线模型 这种天线模型的在特定角度宽度( 相应的波束宽度) 内的增益是一个常数， 在波束宽度以外的增益为0 。式( 2 6 ) 表示了这种天线增益模型，其中既表示主瓣 方向，o b 是波束宽度，c 。是波束宽度内的天线增益，并且与波束宽度无关。 鲫) 一悟睢h 嚣地1 ( 2 - 6 ) 2 平顶天线模型 这种定向天在波束宽度内的增益是一个与波束宽度有关的常数，在波束宽度 外的其它方向上的增益为一个较小的常数。天线增益模型如式( 2 7 ) 所示，c ：表示 波束宽度外的增益。 卯) = 翟一q 以嚣地1 ( 2 - 7 ) 3 s i n 函数天线模型 这种定向天线模型在波束宽度内外的增益都不是一个常数， 瓣和后瓣。式( 2 8 ) 所示的天线模型就是这类天线的一种。 卯) = 篙s i n ( 篱0 s 4万i c一l l l 4 自适应天线模型 它包含主瓣，旁 ( 2 8 ) 第二章无线m e s h 网络与定向天线 自适应天线同样包含主瓣、旁瓣和后瓣，但它使用更复杂的算法，比如用最 小均方误差( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 算法，来实现天线的增益模式。 天线模型与发送端和接收端之间的信道有关，因此无法用固定的表达式来表示。 从上述天线模型可以看到，l 和2 是比较简单的天线模型，而3 和4 相对贴 合实际的天线。为了简便起见，对m a c 层作性能分析的时候通常采用1 或2 天 线模型，忽略天线旁瓣后瓣的影响，而在实际中，旁瓣和后瓣对性能的影响还是 比较大的。 根据福里斯公式，当发射功率为，发射天线增益为g 。，接收天线增益为g ， 收发天线相距，- ，则位于远场区的接收天线的接收功率p 为： p 一等( 2 - 9 ) 其中，k 是一个常数，是用来计算大气吸收，欧姆损耗等，a 是路径损耗系 数，一般取2 5 。从式( 2 9 ) 中可以得到两个结点之间允许的最大通信距离，随着 发射功率和接收功率的增大而增加。将全向天线的增益记为g o ，定向天线主瓣方 向的增益记为g d ，一般情况下，g d 苫g o 。因此，定向天线可以提供比全向天线 更远的通信范围。采用定向天线的m e s h 网络中的邻居结点可以区分为定向一定向 邻居、定向全向邻居和全向全向邻居。定向定向邻居即为只有在波束相互对准 的情况下才能通信的两个邻居结点，定向全向邻居为一个结点处于全向接收状态 也能收到邻居的定向发送的两个邻居结点。由式( 2 9 ) 可知，定向定向邻居之间的 通信距离最远，定向全向邻居次之，全向全向邻居的通信距离最近。 2 2 2 定向天线技术 天线的种类很多，从辐射元来讲，可分为线天线和面天线；从辐射的空间覆 盖来讲，又可分为全向天线和定向天线。现有的无线通信协议大多采用全向天线， 全向天线的发送接收增益在各个方向上基本相同。随着天线技术和数字信号处理 技术的发展，数字信号处理芯片处理能力的提高和价格的降低，定向天线越来越 多被使用到无线通信系统中来。目前定向天线还没有明确的标准定义，从上一节 的天线模型的分析中得知，实际的天线都会有或大或小的定向性。本文中将存在 某一方向的增益小于主瓣方向的峰值增益3 d b 以上的天线都称为定向天线。天线 增益与空间角度的关系可以用天线的方向图来表示，根据是否具有固定的天线方 向图，定向天线还可以分为扇区天线和智能天线n ，。抛物面天线、喇叭天线、八 木天线等都是典型的扇区天线，而智能天线通常是由多个天线组成的阵列天线， 可以得到更好的定向性，具有根据信号情况实时变化的方向图特性，已有的一些 基r 定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 采用定向天线的m a c 协议通常采用智能天线”1 的天线模型 圈25 波柬切换天线圈2 6 白适应波束形成天线 智能天线是由系列辐射元组成辐射元阵列，辐射元阵列的信号合成整个天 线的波柬图。智能天线可以根据有用信号的分布情况，实时地调整辐射元的参数， 形成白适应的方向图，使得天线的主瓣方向对准有用信号。当有用信号分布情况 变化，天线还可以智能地随之调整，继续进行匹配。可以实现最大限度地放大有 用信号、抑止干扰信号。智能天线的应用既提高了天线增益叉减少了系统干扰， 从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。从智能天线采用的设计技术方 法来说，智能天线技术有两个主要分支：多波束切换型智能天线技术和自适应天 线阵智能天线技术，简称波束切换天线( s w i t c h e d - b e a m a n t e n n a ) 和自适应天线 ( a d a p t i v ea n t e n n a ) 。 波束切换天线在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，由n 个波束锥面共同 第二章无线m e s h 网络与定向天线 1 3 覆盖特定的区域( 可以是全向范围也可以是一个特定扇区) 。天线在发射的时候， 可以将波束指向其中一个方向或者形成全向的波束，即发送分组时可以是定向的 ( 仅一个方向) ，也可以是全向的。在接收的时候，根据检测到信号的波达方向 ( d o a , d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 来分析哪个方向上的增益最大，由检测进程决定形成 何种波束进行接收。在一些比较简单的天线系统中，直接使用扇区定向天线作为 各个方向上的天线单元，接收时比较哪个天线的接收增益最大就使用哪个天线进 行接收。这种天线的实现方法介于扇区天线和自适应天线之间，实现运算较为简 单，但是性能的改善也比较有限。 自适应天线使用自适应波束成形算法，通过提高阵列信号处理的复杂度，可 以获得比波束切换天线更佳的性能。它是由一个由天线阵和实时自适应信号接收 处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，天线通过自适应算法控制加权，用反馈 控制方法，通过自动调整每个辐射元的幅度和相位，达到改变天线阵的方向图的 目的。基于阵列的空间处理可利用模拟电子器件在r f 或i f 频率实现，或者在基 带数字实现。使用模拟电子器件时每个独立波束需要单独的r f 波束形成网络波 束，在有的文章中，把这种天线称为波束可操纵天线( s t e e r a b l e b e a ma n t e n n a ) 。 数字系统可以同时形成多波束，每个波束对应一个所期望的信号，这是一种完全 的自适应天线，可以在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而在有用信号方向 形成主波束，达到抑制干扰的目的。自适应天线技术的核心是自适应算法。通过 找到一个真正快速收敛而性能优良的自适应算法，在时域上得出各个天线的最优 加权，加权系数的自动调整就是波束的形成过程。目前常用的算法主要有非盲算 法和盲算法两大类型。 非盲算法是指需借助参考信号( 导频序列或导频信道) 的算法，此时收端知 道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则( 比如最优 的迫零准则) 确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使 天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有最小均方误差( m m s e ) ，最小 均方( l m s ) ，最小二乘( l s ) 等。非盲算法的特点：误差较小，收敛速度也较快， 但需浪费一定的系统资源。 盲算法无需发端传送己知的导频信号。收端自己估计发送的信号并以此为参 考信号进行上述处理。盲算法特点：一般利用调制信号本身固有的、与具体承载 的信息比特无关的一些特征，调整权值以使输出满足这种特性。 自适应天线允许多个方向同时进行收发，性能比波束切换天线优越。但是实 现复杂，成本较高。所以目前工程上多采用波束切换天线，在理论分析，仿真和 实验中采用自适应天线可能会得到更好的性能。 兰基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 2 2 3 定向天线的优势与带来的问题 采用定向天线可以为m e s h 网络带来许多好处。利用定向天线可以实现信道 在空间上的分离，进一步增加空间重用度，提高网络容量。由于定向天线可以在 特定方向上形成波束，而不会干扰到其它方向上结点的接收，并且结点如果使用 定向接收，也不会听到邻居结点的干扰( 假设旁瓣的干扰很小) 。使得在一个结点 的全向干扰范围内，允许两对或更多的结点同时进行发送与接收，从而可以得到 更大的网络吞吐量。 采用自适应天线可以使用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干 扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力， 对于多径干扰也有一定的削弱作用。一些定向天线可以获得邻居结点的方位信息， 同其它技术配合可以实现移动用户的无线定位。无线定位目前是移动通信领域的 热点技术，将来的市场潜力巨大，这是一项很有实用价值的增值业务。 在m e s h 网络中使用定向天线同样也带来了许多问题，采用定向天线增加了 系统的复杂度，天线需要高效的算法、高速的d s p 器件，满足实时性处理要求。 天线的算法结构应该尽量能够兼容常规的处理结构，便于系统灵活配置，降低成 本。同时在协议的设计上必然会面临一些采用全向天线的无线通信系统中未遇到 过的问题。 第三章基于定向天线的m a c 协议 1 5 第三章基于定向天线的m a c 协议 无线m e s h 网络与a dh o e 网络具有很多相似之处，都具有多跳性、自组织性 和自愈性的，在这一章我们探讨无线a dh o e 网络和无线m e s h 网络现有的基于定 向天线的m a c 协议，分析各种使用定向天线的m a c 协议的优缺点，总结了设 计一个采用定向天线的m a c 协议所面临的主要问题，并对于如何使之更加适合 m e s h 网络的应用提出一些对应的解决方案。 3 1 基于定向天线的a dh o c 网络m a c 协议 无线a dh o e 网络m a c 协议起源于经典的a l o h a 和c s m a 协议。针对隐 藏终端和暴露终端的问题，c s m a c a 协议引入冲突避免机制来提高信道利用率。 但采用载波侦听机制来解决隐藏终端和暴露终端问题并不可靠，之后的m a c a 协议放弃了载波侦听，采用r t s c r s 握手机制来通知周围结点进行退避，部分解 决了隐藏终端和暴露终端问题。在目前自组织网中广泛使用的m a c 协议是i e e e 8 0 2 1 1d c f 方式，它工作在单信道模式下，基于c s m c a ，采用了r t s c r s 握 手机制，基本上解决了隐藏终端和暴露终端问题。同时利用物理载波侦听和虚拟 载波侦听来减少信道上的分组冲突。此外，d b t m a l 3 】【4 】协议提出了利用忙音加 r t s c t s 握手机制来解决隐藏终端和暴露终端问题。 以上的这些m a c 协议基本都工作在全向天线环境下。1 9 9 0 年，z a n d e r 就提 出在时隙a l o h a 多跳分组无线电网络中使用定向天线【5 j 。对于自组织网络这种 多跳网络，采用定向天线后，可以有效的解决暴露终端问题，同时大大减小隐藏 终端问题的影响。定向天线实际上提供了一种空间分离方式，将在全向模式下可 能会发生冲突的传输在空问上分离开，从而提高了网络的吞吐量。另外全向天线 传输的时候会向所有方向发送能量，而可以被接收到的只是一小部分，绝大部分 都浪费掉了。 3 1 1 全向r t s 一全向c t s a s i sn a s i p u r i ，s h e n g c h u ny e ，r o b e r te h i r o m o t o 等人提出全向发送控制分组 的m a c 协议【6 】。该协议被简称为o r t s o c t s 协议( 0 m n i d i r e c t i o n a lr t s o m n i - d i r e c t i o n a lc t s ) ，其基于8 0 2 1 1d c f 机制，协议所使用的定向天线为波束 切换天线。在该协议中不需要预先知道邻居结点的位置信息。 兰基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 图3 1 全向r t s - 全向c t s 发送端在发送数据分组之前，因为不知道目的结点的方向，就全向发出r t s 分组，接收端接收r t s 分组时在每个单元都能检测到信号，通过检测进程决定使 用信号增益最大的天线单元接收r t s 分组，同时也确定了发送结点的方向。之后 接收端全向回复c t s 分组。同理，发送端也通过c t s 分组的接收确定了接收端 的方向。之后的数据分组就可以根据确定的方向进行发送和接收。协议本身并没 有要求接收端回复a c k 分组。 3 1 2 定向m a c 方案 yb k o ，vs h a n k a r k u m a r , h v a i d y a 等人提出d m a c ( d i r e c t i o n a lm a c ) 协 议【7 1 ，。该协议要求各结点能够确定邻居结点和自身的位置信息，每个结点都使用 多个扇区天线，每个天线对应于一个角度，如9 0 。，这些天线一起使用来覆盖全 向的方向。结点的物理位置信息需要通过g p s 系统来获得，根据这个位置信息， 结点选择对应的目的结点方向上的定向天线来发送分组。d m a c 中讨论了两种方 案： 方案1 ( o m a c 1 ) ：发送端有数据分组发送时，假设附近没有其它结点正在 进行数据传输，即发送端所有的天线都没被阻塞。发送端采用定向天线发出定向 的r t s ，r t s 中包含发送端的位置信息。接收端接收到r t s 后，全向回复c t s 。 c t s 中包含发送端和接收端的位置信息。发送端接收到c t s 分组后定向发送数 据，如果接收端正确接收到数据，则给发送端定向回复a c k 分组。如果别的结 点在某个方向上侦听到r t s 或c t s 分组，则阻塞该方向的定向天线，直到当前 通信结点通信结束。 第三章基于定向天线的m a c 协议 1 7 图3 2 d m a c - 1 方案 方案2 ( d m a c 2 ) ：在方案1 中，暴露终端a 可能听不到结点b 发出的r t s ， 如果向结点b 发送定向r t s ，可能跟结点c 发送给结点b 的c t s 分组或者a c k 分组发生冲突。方案2 为了解决上述问题，发送端对r t s 的发送规则进行了修改： 如果发送端所有的定向天线都没被阻塞，则发送一个全向的r t s ；如果发送端某 个方向的定向天线被阻塞，且该方向不是待接收结点的方向，发送端在该方向上 发送定向r t s 。别的结点收到全向的r t s 分组以后，阻塞该方向上的定向天线，。 直到当前结点b 和c 的通信结束。 同时适用于方案1 和方案2 的优化方案：在方案1 和方案2 中都会存在这样 一个问题：可能由于某结点在某个方向上的定向天线被阻塞，对于别的结点从另 外方向发来的r t s 无法回复一个全向c t s 。为了解决该问题，可以引入 d w t s ( d i r c c t i o n a lw a i t - t o s e n d ) 分组，使得收到r t s 分组的结点可以给发送r t s 分组的结点定向回复一个要求等待发送的分组，从而接收到该分组的结点避免了 不必要的退避。 3 1 3 环绕r t s 一环绕c t s t k o r a k i s ，gj a k l l a r i ，lt a s s i u l a s 等归纳了使用定向天线的一些优缺点，总结 了以往m a c 协议的不足，提出采用环绕发送定向r t s 的m a c 协议( c r t s ， c i r c u l a r r t sm a c ) 阱。协议中考虑到了使用定向天线带来的几个比较重要的问题， 如“听不见”( d e a f n e s s ) i h - j 题和增益不对称引起的隐藏终端问题等。后来又对c r t s 基于定向天线的无线m e s h 网络m a c 机制的研究 进行补充，提出c t s 也采用环绕发送，即c r c m 协议p j 。 c r c m 协议采用m 个天线单元的波束切换天线，将各个天线单元编号，从 特定方向( 如：3 点钟方向) 开始顺时针编号为1 到m 波束，空闲模式下全向侦 听。接收时检测各个单元上信号强度的差异，用信号增益最大的波束进行接收。 首先r t s 在预先确定的1 波束的方向( 如：3 点钟方向) 上发送，然后依次 在其余所有方向上分别定向发送一遍。r t s 分组中包含整个4 次握手所需的时间 加上在各个方向上发送控制分组所需的时间。通过在各个方向上发送r t s 来通知 邻居即将有数据传输发生，收到r t s 的邻居结点根据自身维护的定位表判断自己 是否在发送或接收的方向上，是否需要退避。由于r t s 是在所有方向上定向发送， 所以接收端无论处于什么方向，必定能收到r t s 。接收端使用检测到的信号增益 最大的单元接收r t s ，并使用这个天线单元给发送端定向回复c t s 。之后接收端 还要发送定向的c t s 消息给那些未察觉邻居。未察觉邻居是指那些在接收端覆盖 范围，不在发送端覆盖范围内的结点。c t s 消息在一个半圆的范围内传输，与r