（通信与信息系统专业论文）ad+hoc网络中的协同通信研究.pdf

摘要 摘要 a dh o c 网络组网灵活，赋予其巨大的发展前景。然而，a dh o c 网络链路带 宽受限，无法满足人们日益增长的通信需求。近年来，许多新型技术层出不穷， 其中协同通信技术充分利用无线电波的全向传播特性，使得网络中的节点可以通 过一定的协同方式达到资源共享，进而改善整个网络性能。本文首先将协同思想 引入a dh o c 网络的m a c 层设计，并针对多跳网络的特性，提出了一种协同媒体 接入控制方法( c o o p m a c c t s ) ，该方法通过利用高速率节点“帮助低速率 节点完成通信，并通过设计合理的握手顺序来减小隐藏终端对网络的影响。仿真 表明，c o o p m a c c t s 能够提高网络中数据包的传输速率并能及时地静默更多的 隐藏终端，提高协同握手的成功概率，进而改善网络中的重传次数及吞吐量。另 外，本文还研究了c o o p m a c c t s 和a o d v 结合后整个网络的端到端性能；最后， 为了更好的运用协同通信技术，有效的支持多速率传输，我们提出了一种a dh o c 网络中可支持多速率传输的跨层协同路由方法，通过仿真验证其优越性。 关键词：a dh o c 网络协同通信媒体接入控制多速率传输跨层协同路由 a b s t r a c t a b s t r a c t a dh o cn e t w o r kw i l lp l a ya l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r e b u ti th a s l i m i t e db a n d w i d t hw h i c hc a n n o tm e e tt h ei n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o nd e m a n d r e c e n t l y , m a n yi l e wt e c h n o l o g i e s h a v ee m e r g e d f o ri n s t a n c e ，t h en e wt e c h n o l o g yc a l l e d c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc a ni m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kb y t a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h eb r o a d c a s tn a t u r eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n ds h a r i n g r e s o u r c e sa m o n gn o d e s i nt h i sp a p e r , t h en o t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni s i n t r o d u c e di n t om e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e rd e s i g n b yc o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h em u l t i - h o pn e t w o r k ，w ep r e s e n tac o o p e r a t i v em a ct e c h n o l o g yf o r a dh o en e t w o r k ( c o o p m a c c t s ) i nt h i sm e t h o d ，h i g hd a t ar a t en o d e sa s s i s tl o w d a t ar a t en o d e si nt h e i rt r a n s m i s s i o nb yf o r w a r d i n gt h e i rt r a f f i ca n dr e a s o n a b l e h a n d s h a k ei si n t r o d u c e dt or e d u c et h ee f f e c to fh i d d e nt e r m i n a l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tc o o p m a c c t sc a ni n c r e a s et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，k e e pm o r eh i d d e n t e r m i n a l ss i l e n c ei nt i m e ，i n c r e a s et h es u c c e s s f u lr a t eo fc o o p e r a t i o n ，a n df i n a l l y i m p r o v er e t r yc o u n ta n dt h r o u g h p u to fa d h o cn e t w o r k a f t e rt h a t ，c o o p m a c c t s a n da o d va r ei n t e g r a t e di n t oa dh o cn e t w o r kf o ra n a l y z i n ge n d - - t o e n dn e t w o r k p e r f o r m a n c e f o rf u r t h e re x e r t i n gt h ea d v a n t a g eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na n d s u p p o r t i n g m u l t i r a t et r a n s m i s s i o ne f f e c t i v e l y , ac r o s s l a y e rc o o p e r a t i v er o u t i n g m e t h o di sp r o p o s e da n dv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s ： a dh o en e t w o r k c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n m e d i aa c c e s s c o n t r o lm u l t i r a t e c r o s s - l a y e rc o o p e r a t i v er o u t i n g 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：j 蔓商日期塑呈：圣：主 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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：矗醯 剔醴铱铲 导师签名：叁厶辛 日期塑呈主：兰 日期迎呈13 ：么 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，人们对无线环境下获得数据服务的需求日益高涨，极大地促进了无 线网络技术的发展。无线网络作为有线网络的扩展和补充，正迅速成为现代通信 系统的重要组成部分，并朝着任何人( w h o e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 在任何 地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 信息交换这一 移动通信的最高目标发展。 无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制，即有 中心的，这类无线网络的运行依赖预先部署的网络基础设施，典型的例子有：依 靠基站和移动交换中心等基础设施支持的蜂窝移动通信系统，基于接入点( a c c e s s p o i n t ) 和有线骨干模式工作的无线局域网。但对于某些特殊场合，如战场上部队 快速展开和推进、发生地震和水灾后的快速营救、野外科学考察、偏远地区临时 会议等，不可能有这种预先部署的固定设施。因此，需要一种能够临时、快速、 自动组网的移动通信技术，即形成了a dh o c 网络通信技术。 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 意思，与传统无线网络不同的是，a dh o c 网络既不需 要固定的网络结构，也没有专用的固定的基站或路由器作为网络的管理中心。网 络中的每个节点都具有路由器功能，能够发现和维护到其他节点的路由，并向邻 居节点发射和转发数据分组。由于其组网简单灵活、成本低以及生存能力强等特 点，应用范围不断扩大，由最先的军用扩大到地震、火灾等紧急通信场合。另外， a dh o c 网络既可以作为一种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络 的一种补充形式。其自身的独特性，赋予其巨大的发展前景。目前，作为b 3 g 系 统的重要特点之一，a dh o c 技术正在逐渐成为研究的热点。 a dh o c 网络采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传输技术相比，具 有较低的传输带宽，并且由于多个节点分布式竞争使用信道，使得每个移动节点 实际使用的带宽远小于物理层提供的最大传输速率。为了满足人们日益增长的通 信需求，许多新型技术层出不穷，如多输入多输出( m m o ) 技术通过采用天线阵 列，利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。但是，在一些实用的场景下， 由于自身体积、实现复杂度与功耗等限制，m i m o 技术不容易直接应用于移动用户 终端或者网络节点，因此“协同通信技术”应运而生。协同通信技术充分利用了 无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相互协作形成了虚拟的天线阵列 2 a dh o e 网络中的协同通信研究 来获得传统m i m o 技术的空间分集增益【1 】【3 】【4 】【13 1 ，协同通信的基本思想就是使得网 络中的节点可以通过一定的协同方式达到资源共享，从而使得网络达到更高的传 输速率和传输可靠性。协同通信技术利用节点间的空间分集不仅能够提高网络的 容量，而且能够减少节点对信道变化的敏感程度，从而提高传输的可靠性以及拓 展通信的距离。因此该领域得到国内外学术界的广泛关注，i e e e 分别在2 0 0 7 年2 月 j s a c 及2 0 0 7 年1 0 月t r a n o ni t 设立专刊来讨论协同通信技术的发展。 1 2a dh o c 网络概述 a dh o c 网络【2 3 】可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 网络和1 9 7 2 年d a r p a 开始研 究的无线分组数据网p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目。其后，又在1 9 8 3 年 和19 9 4 年进行了抗毁可适应网络s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 和全球 移动信息系统g l o m o ( g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e r a ) 项目的研究。后来，i e e e8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o e 网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动 通信网络，a dh o c 网络就此诞生。 a dh o e 网络是指一组带有无线收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的 临时性无中心的自治系统，这样的系统可以在任何时刻、任何地点快速地构建起 一个通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支持。a dh o e 网络中，每个 移动终端兼备路由器和主机的两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应 用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参 与分组转发和路由维护工作。在a dh o e 网络中，节点间的路由通常由多个网段 ( 跳) 组成，由于终端无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往通 过多个中间节点的转发来实现通信。 a dh o c 网络具有多跳网、动态拓扑、分布式控制、对等性、临时性、自组织 性、链路带宽受限、信道的单向性、能量受限、有限的安全性等特点，存在许多 关键技术问题，包括： 媒体接入控制( m a c ) 协议。由于电磁波的传播特性，无线通信的传输媒介 属于广播信道类型。当一个节点发送无线电信号时，邻近的节点都将接收到这个 信号。如果在一个小的空间范围内，有两个或多个节点同时发送无线信号，将会 在它们的接收节点处产生信号的相互叠加，造成互相干扰，严重时将使接收节点 无法正确接收所需要的信息，一般将这种情况称为发生了信道使用上的冲突。而 基于a dh o c 网络的特点，在蜂窝移动通信系统中使用的有中心的信道接入技术， 以及传统的基于共享广播信道的信道接入技术( 如i e e e8 0 2 3 ) 都无法直接应用 到a dh o c 网络中。因此，需要提出解决方案，专门设计适用于a dh o c 网络的信 道接入协议，从而在多个节点间有效地分配无线信道资源而不发送冲突，并且应 第一章绪论 3 该在载波监听多路访问( c s m a ) 的基础上尽量避免隐藏终端和暴露终端的问题。 多跳路由的发现和维护。在a d h o c 网络中，每个节点既是路由器又是主机。 当发送信息节点( 源节点) 与接收信息节点( 目的节点) 不能直接通信时，就需 要其他一些中间节点通过存储一转发帮助完成其通信，这样也就构成了多跳网。 从源节点依次经过多个中继节点到达目的节点就形成了一条通信“路径 ( 路由) 。 如何寻找一条合适的路由就是路由发现问题，当网络拓扑发生变化时，如何自适 应地调整路由就是路由维护问题。路由发现和路由维护的方法合起来就是路由协 议。路由协议的好坏直接影响了通信业务q o s 的各项指标，是a dh o c 网络中最 重要的问题之一。 功率控制与管理。由于大多数a dh o e 网络中的节点都是靠电池供电，所拥 有的能量比较有限，再加之为了实现协议中的一些新的功能所花费的能量幅度增 大，如何在保证实现协议功能的前提下，又要实现能量的节约是设计a dh o c 网 络最为关键的目标之一。 服务质量保证。由于a dh o e 网络的动态特性及通信媒介的不可预测性，使 得对其进行服务质量保证变得困难。 网络与信息安全。由于无线信道的广播本质使其更容易被窃听、假冒、篡改 等，正由于a dh o e 网络的脆弱性，其安全需求包括机密性、完整性、有效性、 身份认证和不可否认等。 a dh o c 网络中的这些关键技术涉及到协议栈的不同层次，甚至需要多层协作 才能完成。 1 3 协同通信发展现状 协同通信技术是一个崭新的研究领域。协同通信基本理论可以追溯到7 0 年代 c o v e r 和e lg a m a l 的关于中继信道的容量理论。但目前协同通信在很多概念和内 容上都不同于中继通信，最突出的特征就是中继通信中，中继与信源是两个独立 实体，而协同通信的通信机制更为复杂，远不止是一个简单的中继问题，因为每 个用户既要中转其合作伙伴的信息，还要传送自己的信息。2 0 0 3 年1 1 月， s e n d o n a r i s f 3 4 】等人最先表明用户间的协同通信不仅能够提高系统数据的传输速 率，而且能够减少节点对信道变化的敏感程度，即使在节点间信道存在噪声的情 况下，通过虚拟的空间分集，协同通信技术也能为系统性能的提高带来好处。 协同通信技术充分利用了无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相 互协作形成虚拟的天线阵列来获得传统m i m o 技术的空间分集增益。目前在物理 层，节点间信号协同通信的方法主要包括：放大中继模式【5 ( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ， a f ) 、中继解码模式【4 】( d e c o d e a n d f o r w a d ，d f ) 以及编码协作模式【j ( c o d e d 4 a dh o c 网络中的协同通信研究 c o o p e r a t i o n ，c c ) ，并且人们已经提出了许多如何设计信道编码以提高协同通信 的有效性的方法【7 。0 1 。另外，在某些具体的应用场合如多跳a dh o c 网和无线传感 器网( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 等下一代网络中，同一簇内多节点在收、发端同时 进行协作的协同m i m o 技术的研究正引起相关研究者的关注，它可以通过合并物 理层与链路层等方案来改进无线网络能量和时延性能。由于节点协同一开始就考 虑每节点单天线配置的应用要求，作为一种可以降低m i m o 技术实现代价的协同 m i m o 技术正成为下一代无线网络设计的关键技术。最近的3 g p pl t e 、8 0 2 1 6 j 以及i m t a d v a n c e 提案中的虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 技术就可以被看作为协同 通信技术在具有中心控制的无线蜂窝网中的一个应用，其中一种方式通过系统布 设若干低成本的中继节点来帮助用户完成通信，另外一种方式是使相邻两个用户 可共享其时、频资源来提高系统性能。 由于协同通信这种新型的网络构架的引入，使得整个系统面临了新的挑战。 设计以何种策略进行网络资源分配以及每个源与目的端何时以直接方式、何时以 多跳的方式或者两者混合方式实现其连接、如何在考虑用户协同的网络中采用或 扩展现有的空时码、信道与信源编等编码调制方案最终导致协同通信技术在各种 新型网络中的应用成为当前的一个重要研究方向，它同时涉及了物理层、链路层 和网络层等相关设计。协同通信己经成为一种包含多层的应用技术，人们将可能 使用它来满足下一代无线网络中的新约束和新需求。 1 4 本文研究的内容及章节安排 第一章是绪论，介绍了本课题的研究背景和研究意义，概要地阐述了a dh o e 网络及其面临的关键技术问题，并分析了协同通信技术的发展现状。 第二章以a d h o c 网络媒体接入协议为研究对象，概要地介绍了a d h o c 网络 m a c 协议及其需要解决的关键问题，并详细介绍了i e e e8 0 2 1 1d c f 协议。分析 了现在已提出的协同m a c 协议及其存在的问题，从a dh o c 网络的多跳特性出发， 提出了一种用于a dh o e 网络的协同媒体接入方札o o p m a c c t s 。最后，通过 仿真对c o o p m a c c t s 在吞吐量和重传次数方面的性能进行了分析和验证。 第三章从a dh o c 网络的路由协议出发，分析了现有技术存在的问题，并将 c o o p m a c c t s 与a o d v 协议相结合，运用到a dh o c 网络中，从而更有效的支 持多速率传输。通过仿真对c o o p m a c c t s 与a o d v 协议相结合后网络的性能进 行了验证。为了更好的运用协同通信技术，提出了一种a dh o e 网络中可支持多 速率传输的跨层协同路由方法，并通过仿真验证和分析了改进后对网络性能的改 盖 口。 第四章结束语，对全文进行了总结，并提出了仍待解决的问题。 第二章用于a d h o c 网络的协同m a c 方法 第二章用于a dh o c 网络的协同m a c 方法 2 1a dh o c 网络m a c 协议 a dh o c 网络是共享无线传输媒体的多点多跳网络。在a dh o c 网络中，媒质 ( 无线信道) 是一种共享和稀缺的资源，如何解决多个用户高效、合理地共享有 限的无线信道资源，即媒体接入控制( m a c ) 协议的设计是a dh o c 网络中的关 键技术之一。m a c 协议的好坏直接影响到网络吞吐量、时延等性能指标的优劣。 a dh o e 网络具有无中心、临时自组织、分布式控制、节点移动和多跳等特点，这 些特点使得基于固定基础设施( 有中心网络) 的m a c 协议不能满足a dh o e 网络 的需要。因为在类似于蜂窝移动通信系统中使用的有中心的信道接入技术需要中 心控制点协调节点间信道的分配，而在a dh o e 网络中，没有中心控制实体进行 全局的资源管理与分配，所以只能采用分布式的机制来实现网络中节点接入的协 调。同时，传统的基于共享广播信道的信道接入技术，如a l o h a 、c s m a 系列， 只能使用在全连通网络中，丽a dh o e 网络一般是多跳网络，因此需要专门设计 适用于a dh o c 网络的分布式信道接入协议。 2 1 1 现有的m a c 协议的分类 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m a c 协议。 这些协议可以从不同的角度进行分类、总结。 按照同步网络、异步网络，可以将m a c 协议分为同步m a c 协议、异步m a c 协议。同步m a c 协议中，所有节点在时间上是同步的。异步m a c 协议采用分 布式的控制机制，其信道接入多是基于竞争模式。 根据信道接入时握手协议的发起者可以划分为：发方主动的接入协议，是发 方通知收方自己有数据要发送，包括m a c a ( m u l t i p l ea c c e s sc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 和m a c a w ( m a c af o rw i r e l e s sl a n ) 等；收方主动的信道接入协议，是由收方 通知发方自己已经准备好接收数据，包括m a c a b i ( m a c ab yi n v i t a t i o n ) 和r i m a 在占 奇； 根据a dh o c 网络使用的信道数目，可划分为：基于单信道的信道接入协议， 所有的信号都在同一个信道上传输，包括m a c a 、m a c a w 、i e e e8 0 2 1 1d c f 等；为了减少冲突，将信道分成控制信道和数据信道，分别传输控制信号和数据 信号，即基于双信道( 控制信道和数据信道) 的信道接入协议，包括b a p u ( b a s i c a c c e s sp r o t o c o ls o l u t i o nf o rw i r e l e s s ) 和d b t m a ( d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ) a dh o c 网络中的协同通信研究 等；基于多信道的信道接入协议有h r m a ( h o p r e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 m u l t i c h a n n e lc s m a 等。 2 1 2 需要解决的关键问题 多跳特性是a dh o c 网络的一个显著标志，在m a c 协议的设计中克服多跳带 来的隐藏终端和暴露终端的影响是首先要解决的关键问题。 所谓隐藏终端是指位于发射节点的覆盖范围之外而处于接收节点的覆盖范围 之内的终端。如图2 1 ( a ) 所示，节点b 既在节点a 的通信范围内，也在节点c 的通信范围内，节点a 和节点c 却不在相互的通信范围内。当节点a 向节点b 发送信息时，由于隐藏终端c 听不到节点a 发送信息，也可能向节点b 发送信 息，这样就造成报文在接收终端b 处的碰撞，可能导致节点b 不能解释任何信息， 从而降低了信息利用率，增加了系统时延。同样，当节点c 向节点b 发送信息时， 节点a 也是节点c 的隐藏终端。隐藏终端带来的冲突使得通信节点需要重发已发 送的信息，如果重发后继续有隐藏终端冲突，则网络的通信会陷入一种恶性循环。 7 i ! 7 、j ( a ) 隐藏终端( b ) 暴露终端 图2 1隐藏终端和暴露终端 所谓暴露终端是指在发送节点的通信范围之内而在接收节点的通信范围之外 的终端，如图2 1 ( b ) 中的节点a 。当节点b 向节点c 发送信息时，节点a 因 听到节点b 的发送而延时发送，但节点a 在接收节点c 的通信范围之外。只要 节点a 不是要和节点b 通信，它的发送就不会影响节点b 的发送，更不会在节 点c 处造成冲突。这是一种信道资源的浪费，所以要避免暴露终端被阻塞。 在a dh o c 网络中，如何使用分布式控制机制实现信道资源的公平接入，保证 网络中各种业务的服务质量，降低能耗等，也是接入协议必须考虑的重要问题。 2 2i e e e8 0 2 1 1d c f i e e e8 0 2 11d c f 19 1 ( 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 ，分布式协调功能) 是 第二章用于a dh o c 网络的协同m a c 方法 7 8 0 2 1 1 标准委员会指定的无线局域网信道接入协议，它基于c s m a c a ( 载波侦 听多址访问冲突避免) 的随机访问机制，被广泛应用于a dh o e 网络。该协议采用 单一共享信道的模式，利用载波侦听、冲突避免等技术防止单一共享信道中数据 包的冲突。 2 2 1 帧间间隔( i f s ) 在i e e e8 0 2 1 1 中，通过定义不同的帧间间隔时间i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 来 区分对介质访问的优先级。一个节点通过载波侦听机制确定介质是空闲状态，并 且持续空闲达到特定的间隔时间才能进行发送。在d c f 中共有三个不同的间隔时 间，由短到长依次为： ， 短帧间间隔( s s ，s h o r ti n t e r f r a m es p a c e ) ； d c f 帧间间隔( d s ，d c fi n t e r f r a m es p a c e ) ； 延长的帧间间隔( e i f s ，e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c e ) 。 s i f s 是最短的帧间间隔。当一个节点需要占用信道并持续执行帧交换时使用 s i t s ，这时如果有其它节点需要使用信道，必须等待信道空闲并持续一个更长的 时间间隔才能参与竞争，从而使用s i f s 的节点具有了更高的优先级。s i f s 主要 用于确认帧a c k 、c t s 以及一个分片序列中第二个分片之后的子帧等的发送。 d i f s ，分布式协调功能帧间间隔。在d c f 中，一个节点要进行发送，必须 侦听信道，如果信道保持空闲状态达到d i f s 时间，那么该节点进入退避过程， 产生一个随机整数退避计数器，并在每个时隙中递减1 ，当退避计数器递减到0 时方可发送。 当物理层通知m a c 层，由于所发送帧的帧检验序列( f c s ) 值不正确，而 不能被正确接收时，开始进入e i f s 时隙。i e e e8 0 2 1 1 规定，得到e i f s 要使用 s i t s 、d i f s 和在物理层传送一个a c k 控制帧所用的时长，以保证发送源节点对 c t s 控制帧与a c k 控制帧的接收。 2 2 2 访问模式 i e e e8 0 2 1 1d c f 包括两种介质访问模式：基本访问模式( b a s i ca c c e s s m e t h o d ) 和r t s c t s ( r e q u e s t t os e n d c l e a rt os e n d ) 访问模式。 当采用基本访问模式时，如图2 2 所示，如果一个节点有数据需要发送，它 首先检测信道是否空闲。如果信道空闲，并且空闲时间的长度达到d i f s 时隙， 那么发送端发送数据帧d a t a ，当目的节点接收到该d a t a 帧时，在s i f s 时隙后应 答一个a c k 帧；如果信道不空闲，或者空闲时间小于d i f s ，那么发送端进入冲 a dh o e 网络中的协同通信研究 突避免( c a ) 状态。 源节点 目的节点 其他节点 n a v d a t a s i f s 一 n a v a r k n a v n a v ( d a t a ) 锯 雨订勰 图2 2 基本访问模式 r t s c t s 是一个可选的访问模式。当采用这种访问模式时，如图2 3 所示， 源节点首先发送一个r t s 控制帧来预约信道，然后目的节点应答一个c t s 控制 帧。收到c t s 控制帧后，源节点才开始发送数据帧，最后目的节点再应答一个 a c k 控制帧。由于r t s 控制帧较短( 长度为4 4 字节) ，i 玎s 控制帧冲突对网络 性能造成的损害远远小于数据帧之间的冲突所造成的损害，因此采用r t s c t s 访问模式可以提高网络的性能。但是当数据帧的长度比较小，采用基本访问模式 可以减小发送r t s c t s 所造成的额外开销。 源节点 目的节点 其他节点 n a vf r t s d a t a i s i f s ；s i f s d n a vc t s a c k n a vn a v f r t s ) n a v f c t s l 随机退避 随a v ( d a t a ) 赢争信道、 2 2 3 指数退避机制 图2 3r t s c t s 访问模式 当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙闲状态，如 果信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达到d i f s 时间。为了避免发送冲 突，这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退避 时间( b a c k o f ft i m e ) ，并存入退避计数器；如果其本身退避时间为非零值，则 不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法如下： b a c k o f f r i m e = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e 第二章用于a d h o e 网络的协同m a c 方法 9 其中，r a n d o m ( ) 是均匀分布在 0 ，c 期范围内的随机整数，c w ( c o n t e n t i o n w i n d o w ，竞争窗口) 是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口c 、n 和最大竞 争窗口c w 一之间的一个整数，即c w 删n c w c w 懈。例如，对于直接序列扩 频( d s s s ) ，c w m i n 和c w m 。分别为3 1 和1 0 2 3 。a s l o t t i m e 是由物理层特性决 定的一个时隙的实际长度值，对于d s s s ，一个时隙的长度为2 0 u s 。因此，退避 时间是一个以时隙为单位的随机整数。 一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道空闲， 则将退避时间计数器减1 ；如果信道忙，则退避过程将被推迟，退避时间计数器 被冻结( 即不再递减) ，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到d i f s 时间，退 避过程重新被激活，继续递减。当退避计数器递减到0 时，节点就可以执行发送。 当多个节点同时竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占 有信道，这样就大大减少了发送冲突发送的概率。另外，通过采用退避过程的冻 结机制，使得被推迟的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间， 只需要继续进行退避计数器递减，那么，等待时间长的节点的优先级就高于新加 入的节点，就可能优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性。 图2 4 显示了退避过程，在节点a 发送时，节点b 、c 、d 都有帧要发送， 等待信道连续空闲d i f s 时间后，进入退避阶段，每个节点在c w 内随机产生一 个退避时间。因为节点c 所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至0 ， 开始发送帧，节点b 和d 的退避计时器被冻结。在节点c 传送过程中，节点e 也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲d i f s 后，节点b 和d 的退避计时器解 冻，解冻e 产生随机退避时间。因为节点d 的退避计数器最先减至0 ，所以节点 d 获得发送的机会。 节点a 节点b 节点c 节点d 节点e f 1 a m e磁搦缓潮i 礴糯 d e f e r b a c k o f f 隧艘驻糊 l圜 图2 4 退避过程 每个节点都要维护一个c w 参数，c w 的初始值为c w m i n ，当一个节点发送 失败时，说明当前的网络负载较大或者链路状况不好，该节点的c w 就会增加一 l o a dh o c 网络中的协同通信研究 倍，以后，该节点每次因发送失败而重传时，c w 都会增加一倍，即c w = 2 m ( c w m 。+ 1 ) 1 ，其中i t i 为重传次数。当c w 增加到c w m 瓠时，即m ( c w n l i n + 1 ) = ( c w 眦。+ 1 ) ，再连续重传时c w 的值将保持为c w 鹏x 不变，直到该节点发送 成功，或者达到了最大重传次数的限制，c w 将被重新置为c w m i n o 竞争窗口越大，随机退避机制解决冲突的能力就越强，因为使用较大的竞争 窗口时，选择相同的随机退避时间的可能性很小。这样，一方面，在轻载的情况 下，小的竞争窗口保证了较短的延时；一方面，在重载情况下，随机等待时间随 着冲突产生次数而指数递增，降低了冲突的概率。竞争窗口达到c w m 瓠后不再增 长，保证了网络在重载情况下的稳定。帧成功发送或者重传次数超过限制而被丢 弃时，竞争窗口被重置为c w f l l i n ，这种机制称为二进制指数退避( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 。 2 2 4 载波侦听机制 i e e e8 0 2 1 1 同时使用两种载波侦听方法，一是在物理层通过c c a ( c l e a r c h a n n e la s s e s s m e n t ) 信号检测进行侦听，二是m a c 层的虚拟载波侦听( v i r t u a l c a r r i e rs e n s i n g ) ，如果两种方法中任一种显示信道忙，则认为信道为忙状态，只有 两种方法都显示信道闲，才认为信道是空闲的。 通过载波侦听，能大大减少冲突次数。但是，仍会发生冲突，例如，当信道 由忙转为空闲时，如果有多个节点同时发送而发生冲突。为此，在i e e e8 0 2 3 以 太网中，采用c s m a c d ( c o l l i s i o nd e t e c e t ，碰撞检测) ，当一个节点检测到冲 突后，认为此时帧已经被冲突破坏，从而尽快停止发送，而不是继续发送该帧， 取消发送的节点等待一个随机时间后，重新尝试发送。迅速结束冲突帧的传送， 既节省了时间又节省了带宽。 但是在无线网络中，由于以下的原因，很难实现冲突检测：1 ) 冲突检测的能 力要求各节点能同时发送( 发送自己的信号) 和接收( 确定其他节点的发送是否 干扰自己的发送) ，这会使得无线网络成本大大增加；2 ) 更重要的是，由于隐藏 终端问题的存在，即使一个节点有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突， 在接收端仍然会有冲突发生。因此i e e e8 0 2 1 1 采用了带冲突避免的载波侦听多 路访问( c s m a c a ) 机制来实现无线信道的共享，即在发送帧之前，发送节点先 侦听信道，看是否有其他节点正在传输。如果发现信道空闲而且空闲持续时间大 于等于d i f s ，则进入随机退避过程，通过退避机制( 见2 2 - 3 ) 实现冲突避免。 m a c 层的虚拟载波侦听是通过n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，网络分配 矢量) 机制实现的。n a v 是表示媒介空闲剩余值。每个节点的n a v 都是从媒介 传输的帧里取出持续时间长度值来保持最新值。根据n a v 的值，节点的m a c 层 第二章用于a d h o e 网络的协同m a c 方法 1 i 就能够知道当前的发射将在什么时候结束，节点则通过检查n a v 决定是否发送。 有可能n a v 表示媒介忙，而物理载波检测却显示媒介空闲，这时节点不能发送。 节点在接收到合法帧后使用该帧中d u r a t i o n i d ( 持续时间识别码) 域的信息 更新其n a v 值，但其条件是新的n a v 的数值应比当前n a v 数值大。图2 3 中 给出了一对节点之间进行i 玎s 控制帧和c t s 控制帧交换的过程。能够收到r t s 控制帧的节点对其n a v 的设置可见第3 条直线( 左侧标有“其他节点 ) 上方 的长n a v 方框，对于只能收到c t s 控制帧的节点对其n a v 值的设置可见第3 条直线下方的稍短点的n a v 方框，有时收到d a t a 帧后，有些节点仍会进行n a v 值的更新。 2 3 现有协同m a c 协议及存在的问题 无线信道具有无线广播特性( w i r e l e s sb r o a d c a s ta d v a n t a g e ，w b a ) ，决定 了节点可以收到位于其通信半径内其它节点发送的信息。但是不幸的是，在传统 的无线m a c 协议中，这些“串绕”( o v e r h e a r i n g ) 收到的信息被丢弃。基于协 同通信的m a c 协议正是充分利用无线电波的全向传播特性，将收到“串绕”信 息的节点作为协同节点利用起来，通过协同节点“转发”“串绕”收到的信息， 提高网络性能。 文酬1 1 】从数据传输的可靠性出发，提出了c m a c ( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o i l m a c ) ，其主要思想是：当目的节点接收源节点的数据失败时，由通过“串扰 正确收到源节点发送数据的p a r t n e r 节点向目的节点转发所收到的数据，从而提高 数据传输的可靠性。 在i e e e8 0 2 1 1 协议中本身就支持多速率传输，节点可以根据信道条件的不 同来选择不同的传输速率，然而当网络中的低速率节点竞争到信道时，则信道被 长时间占用使得高速节点无法接入信道，从而降低了整个网络的吞吐量，同时其 他节点由于一直在监听信道，节点能量也受到了损失。文酬1 2 1 从数据传输的速率 出发，对i e e e8 0 2 1 ld c f 协议进行改进，提出了r d c f 协议。该协议中，当源 节点和目的节点之间的数据传输速率比较低时，在源节点和目的节点之间选择一 个r e l a y 节点，通过r e l a y 节点的帮助，用高速的两跳方式代替原先低速的一跳 传输，从而提高网络性能。 为了更好的与i e e e8 0 2 1 1 协议兼容，文献 1 3 - 1 9 】提出了c o o p m a c 协议，其 基本思想是：当源节点与目的节点之间的数据传输速率较低时，由源节点选择一 个数据传输速率较高的节点作为协同节点，并发送c o o p r t s 控制帧；协同节点接 收c o o p r t s 控制帧后，发送h t s ( h e l p e l r e a d yt os e n d ) 控制帧；目的节点接收 c o o p r t s 、h t s 控制帧后，发送c t s 控制帧给源节点：若源节点正确收到h t s 、 1 2 a dh o c 网络中的协同通信研究 c t s 控制帧，表明成功预约信道并成功将协同节点加入到此次传输中，数据由源 节点先发送给协同节点，协同节点再转发给目的节点，若源节点只接收到c t s 控 制帧，表明预约信道成功但协同节点加入此次传输失败，数据由源节点直接给目 的节点发送数据，若源节点没有收到c t s 控制帧，表明没有预约到信道，此次传 输失败；目的节点收到源节点或协同节点发给自己的数据帧后，给源节点发送 a c k 控制帧回应；若源节点收到目的节点的a c k 控制帧，此次传输成功，若源 节点没有收到所期望的a c k 控制帧，此次传输失败。 与一般的局域网不同，a dh o c 网络是一种多跳网络，不可避免的存在隐藏终 端问题。c o o p m a c 协议中，由源节点、协同节点和目的节点三者组成了三角握 手，协同节点和目的节点周围均存在隐藏终端。如图2 5 所示，源节点发送帧所 静默的范围为半径r 1 的圆，目的节点发送帧所静默的范围为半径r 2 的圆，协同 节点发送帧所静默的范围为半径r 3 的圆。源节点发送控制帧进行握手后，若协 同节点发送控制帧给予回应，其增加的静默范围为阴影a ，若目的节点先发送控 制帧给予回应，其增加的静默范围为阴影b 。显然，阴影b 的面积比阴影a 大， 在相同的节点密度下，目的节点先发送控制帧比协同节点先发送控制帧所静默的 节点更多，能更好的解决隐藏终端问题，提高协同握手成功概率。 图2 5 各节点的静默范围 2 4 适用于a dh o c