（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211的无线ad+hoc网络的接入性能研究(1).pdf

摘要 移动自组织网络( a d h o c ) 是一种特殊的，没有有线基础结构支持的移动网络，它不同 于普通的m o b i l ei p 网络完全由移动主机构成。网络中所有节点的地位都是平等的，所有 节点都具有路由和转发数据的能力，随时可以组成一个小区域通信系统。这种网络的建立快 捷、灵活。不受有线网络的约束，可以广泛的应用于灾难救助、偏远地区等无法得到有线网 络支持，或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境，具有广阔的应用前 景，因此近年来受到越来越多的关注成为学术界的研究热点。 路由和信道接入控制是目前a dh o e 网络的两个主要研究方向。i e t f 的m a n e t 工作 组对a dh o c 的路由已经提出了几个草案，并已形成了3 个正式的r f c 文档一a o d v 、o l s r 、 t b r p f 。在信道接入控制方面，无论是单信道的接入协议还是多信道的接入协议，到目前 都有了一定的研究，而i e e e8 0 2 1 1 已经成为使用最广泛的组成a dh o c 网络的物理层和 m a c 层技术。 本文在研究i e e e8 0 2 1 1 标准的基础上，查阅了a dh o c 网络信道接入的相关资料，分 析了i e e e8 0 2 11 信道接入协议的优缺点，提出了对i e e e8 0 2 1 1d c f 工作模式的改进建议， 以提高整个系统的性能。本文的所作的主要工作包括以下几个方面： l ，对i e e e8 0 2 1 1 所采用的b e b 退避机制在分析了其缺点的基础上，参照了相关的 改进算法，如m i l d 、l m i l d 、e i e d 等，提出了基于信道状况，根据信道忙闲程度的 不同，来设定相应的竞争窗口的退避机制，缓解了信道接入时发生的不公平性，提 高了系统地吞吐量。 2 在分析了信道接入控制中经常存在的隐藏终端、暴露终端问题以及i e e e8 0 2 1 1 机 制可能会导致的网络阻塞问题的基础上，对d c f 的工作机制进行了改动，在延迟阶 段对信道进行探测。以避免出现错误的阻塞，同时，根据节点收发r t s c t s 的情况， 探测信道的状况，来确定是否可以并行传送数据，以提高吞吐量。 3 对原有的i e e e8 0 2 1 1 中r t s c t s 和d a t a 报文的重传门限进行了改进，引入了一 种自适应机制来进行门限值得设定，以减少报文被丢弃的可能性，从而达到减少触 发t c p 拥塞控制机制可能性的目的，从而提高系统的吞吐量。 4 使用网络仿真器n s 2 对相关的改进进行了模拟仿真仿真结果表明，与原有的接入 方案相比，改进后的方案在网络性能方面有所提高。 本文针对i e e e8 0 21 1 的缺陷，提出了一些改进，为a dh o e 网络的研究，提供了一些 参考，具有一定的参考价值和借鉴意义。 a b s t r a c t a dh o cn e t w o r ki sak i n do fs p e c i a lm o b i l en e t w o r kw i t h o u ta n yk i n do ft h ef i x e dw i r e d i n f r 锄r u c t u r e i ti sd i f l e r e n tf r o mc o m m o nm o b i l ei pn e t w o r ka n di sc o m p o s e do f m o b i l en o d e e n t i r e l y i nt h i sn e t w o r k ，e a c hn o d ei se q u a la n dh a st h ea b i l i “t ob eah o s to rar o u t e r , a dh o c n e t w o r ki s a c t u a l l ys e l f - o r g a n i z i n ga n da d a p t i v en e t w o r kt h a t c a nf o r mas m a l lc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma ta n yt i m e t h ee s t a b l i s h m e n to f t h i sn e t w o r kj sr a p i da n df l e x i b l ew i t h o u tt h e1 i m i t a t i o n o f t h ef i x e dn e t w o r k ，s oi tc a nb ea p p l yt ot h ec o m m u n i c a t i o no f t h er e s c u es y s t e m s ，r e m o t er e g i o n w i t h o u tt h es u p p o r to ft h ef i x e dn e t w o r ka n do t h e rs i t u a t i o n sw h i c hh a v et h ed e m a n do ft h e e s t a b l i s h m e n to fat e m p o r a r yr a p i dc o m m u n i c a t i n gn e t w o r k b e c a u s eo fi t sw i d ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d ，i nr e c e n ty e a r si t h a sb e e nd r a w na t t e n t i o nm o r ea n dm o r ea n db e c a m ea h o t s p o t i nt h e a c a d e m e r o u t i n ga n dc h a n n e la c c e s sc o n t r o ia r et w om a i nr e s e a r c hf i e l d so f t h ea dh o cn e t w o r k m a n e t w o r k g r o u p o f1 e t fh a sd r a f ts e v e r a lr o u t i n gp r o t o c o la b o u ta dh o cn e t w o r ka n df o r m e d t h r e ef o r m a lr f cd o c u m e n t s 。a o d v 、o l s r 、t b r p f 。i nc h a r m e la c c e s sc o n t r o lf i e l d s i n g l e c h a n n e la c c e s sc o n t r o la n dm u l t i c h a n n e ia c c e s sc o n t r o jh a v eb e e nr e s e a r c h e da n di e e e8 0 2 11 h a sb e c o m et h ew i d e s tu s e dt e c h n o l o g yo f t h em a c a n dp h y l a y e rt of o r m t h ea dh o cn e t w o r k b a s e do nt h er e s e a r c ho f i e e e 8 0 2 1 1 。r e f e r r i n gt os o m e k i n d so f p a p e ra n dp r o t o c o l sr e l a t e d t ot h ec h a n n e la c c e s sc o n t r o lo f a dh o en e t w o r ka n da n a l y z i n gt h es t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n go f i e e e8 0 2 1 1 w ep r o v i d es o m ek i n d so f n e wi m p r o v e dm e t h o d sf o ri e e e8 0 2 1 1d c f t oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri s ： 1 b a s e do na n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n go ft h eb e bb a c k o f fm e c h a n i s mu s e di ni e e e 8 0 2 1 1a n dr e f e r r i n gt or e l a t e di m p r o v e dm e t h o d s ，s u c ha sm i l d ，e i e da n ds oo n ， w ep u tf o r w a r dan e wb a c k o f f m e c h a n i s mw h i c hi sb a s e do nt h es t a t u so f t h ec h a n n e l t h i sm e t h o di sb a s e do nt h eb u s yo ri d l ed e g r e eo ft h ec h a n n e lt oc e r t a i nt h e p a r a m e t e ro f t h ec o n t e n t i o nw i n d o wt h e nc a nr e l i e v et h eu b f a i r n e s sd u r i n gt h ep e r i o d o f t h ec h a n n e la c c e s sa n de n h a n e et h et h r o u g h p u to f t h es y s t e m 2 a f t e r a n a l y z i n gt h ep r o b l e m o f t h eh i d d e n t e r m i n a l ，e x p o s e dt e r m i n a la n db l o c k i n g i n 1 e e e8 0 2 1 l sc h a n n e la c c e s sc o n t r o l ，w e m o d i f y t h e m e c h a n i s mo f d c f d u r i n g t h e p e r i o do f d e f e r r i n g ，w ed e t e c tt h ec h a n n e l t oa v o i d i n gt h ef a l s eb l o c k i n g a tt h es a m e t i m e ，b a s e do nt h es t a t u so fr e c e i v i n ga n ds e n d i n gr t s c t sw ed e c i d et os e n d i n g d a t ap a r a l l e lo rn o tf o ri m p r o v i n g t h r o u g h p u t 3 m o d i f y i n gt h et h r e s h o l do ft h er e t r a n s m i s s i o nf o rr t s c t sa n dd a t ap a c k e ti n i e e e8 0 2 1 1 a n a d a p t i v e m e c h a n i s mi su s e dt os e tt h et h r e s h o l do ft h e r e t r a n s m i s s i o n ，s ot h ep r o b a b i l i t yo fp a c k e tl o s si sm i n i m i z e da n dt c p sc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s mi st r i g g e r e df e w e r 4 t h en s 2n e t w o r ks i m u l a t o ri su s e dt os i m u l a t et h em o d i f i e ds c h e m e t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o ns h o wt h a tu s i n gt h em o d i f i e ds c h e m e ，t h et h r o u g h p u to fn e t w o r ki s b e t t e rt h a nl e e e8 0 2 11 i nt h i sp a p e r , w et a k ei n t oa c c o u n tt h es h o r t c o m i n go f t h ei e e e8 0 2 1 1a n d p u tf o r w a r ds o m e i m p r o v e m e n t t h er e s u l t so ft h i sp a p e rp r o v i d eav a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho f a dh o c n e t w o r k 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 人类社会己进入信息时代，计算机网络的发展，使得我们日常生活的许多方面发生了革 命性的变化。随着无线互联技术、数据通信技术以及移动信息产品技术的高度发展，随时随 地方便的获取、使用、处理和交换信息将是未来一个必然趋势。现有的有线数据通信方式将 逐渐的不能满足人们的需求人们希望可以摆脱线缆的约束，能够随时随地都可以自由上网 浏览、查询信息，有效的提高工作效率。 最近几年以来，无线移动通信得到的快速的发展，使得人们的生活更加的方便和快捷。 目前存在的无线移动网络主要有两种：一种是基于网络基础设施的网络，这种网络比较典型 的有无线局域网和蜂窝网。在这样的网络中，移动节点不具备路由选择功能只有移动交换 机负责路由和交换的功能。但是，在一些特殊场合，往往是不方便或者是不可能设置有线网 络基础设施，在这种情况下，用户如果要完成通信，则必须借助于第二种无线网络，也就是 不基于网络基础设施的网络一无线自组织网络( a d h o c ) 。 1 1a dh o c 网络简介 移动自组网是一种特殊的没有有线基础结构支持的移动网络，它不同丁普通的m o b i l e i p 移动网络，在m o b i l ei p 中移动主机通过基站等有线基础设施的支持来实现移动通信，而 a dh o c 移动网络完全由移动主机构成，网络中所有设备的地位都是平等的，所有节点都应 该具备路由和转发数据的能力，这些节点之间通过形成一个多跳的临时性无线自治网络，以 无中心的方式，组成一个小区域通信系统。 移动a dh o e 网络的研究源于美国其基本思想始于7 0 年代由美国政府和军方资助的一 些研究项目，官方英文缩写为“m a n e t ( m o b i l ea d h o cn e t w o r k s ) ”。移动a dh o c 网络 当前的研究成果主要集中在欧美，卡内基梅隆的m o n a r c h 工程组建立了移动a d h o c 网络的 测试床；欧洲考虑将移动a d h o c 网络作为中继，从而可以扩大第二代及第三代移动通信系 统的覆盖范围和提高在网络发生故障时系统的鲁棒性目前已经建立了a - g s m 的试验系统： 同时，i n t e m e t 工程任务组( 1 e t f ) 也已经成立了专门的研究小组一m a n e t 工作组负责移 动a dh o c 网络相关网络协议的标准化工作。 1 2 a dh o c 网络特点： 1 ) 网络的自组性：可以在任何时刻、任何地点不依赖现有基础网络设施，快速构建一 个移动通信网络。 2 ) 动态变化的网络拓扑结构：a dh o c 网络中，用户终端的移动具有很大的随机性，可 以以任意速度和任意方式在网中移动加上无线发射装置发送功率的变化、无线信 道间的互相干扰以及地形等综合因素的影响，网络的拓扑结构可能随时发生变化， 而且这种变化的方式和速度具有不可预测性。 中国科学技术大学硕士学位论文 3 ) 有限的传输带宽：a dh o c 网络采用无线传输技术作为通信手段而无线信道本身所 能提供的网络带宽相对较低，再加上竞争共享无线信道带来的信号冲突、衰减及干 扰等多种因素的影响移动终端可得到的有效带宽将远远小于理论上的最大带宽。 4 ) 移动终端的局限性：a dh o c 网络中的用户终端( 如笔记本和手持终端，车载计算机 等) 虽然具有灵巧、便携的特点，但它们以电池这样的易耗尽能源作为电源，并且 c p u 性能较低、内存较小这就给应用程序的设计和开发带来一定难度尤其是每 个主机都兼作路由器的工作，所以对路由选择协议的要求就很高。 5 ) 分布式的控制网络：a dh o c 无线网中不存在中心控制点，用户终端的地位平等，兼 备路由和主机的功能，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而要求比中心结 构网络具有更强的鲁棒性和抗毁性。 6 ) 完全性差：自组网是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、分布式控制等 技术，所以更加容易遭到窃听、入侵、拒绝服务、伪造等各种网络攻击。 7 ) 存在单向信道：由于各个终端发射功率的不同及地形环境的影响，网络中可能产生 单向无线信道，在设计路由协议时要考虑到这点。 8 ) 生存时间短：网络经常是由于某个特定的原因而临时性创建的，当网络的使命完成 时，网络将自动消失。 9 ) 多跳路由：由于节点发射功率的限制。节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围 之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。此外，a dh o e 网络中的多跳路由是 由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 1 。3 移动a dh o c 网络的应用领域 随着技术的进步和社会的发展，特别是人们对个人通信日益增长的需求，使得移动a d h o c 网络的应用乏味正逐步扩大其中包括军用和民用的许多领域。在军用领域，它可以支 持野外联络、独立战斗群通信和舰队战斗群通信，无人侦察与情报传输等：在民用领域，它 支持诸如移动会议、移动网络、个人域网络、自然或人为灾难营救过程中的信息交换以及临 时交互式通信组等。可以说，移动自组织网络在未来移动通信的市场上将扮演重要的角色。 军用通信 在现代化的战场上，由于没有基站等基础设施，装各了移动通信装置的军事人员、军事 车辆以及各种军事设备之间可以借助移动a dh o c 网络进行信息交换，以保持密切联系、协 同完成作战任务。装备音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也能够组成移动a dh o c 网络 将在目标区收集重要的位置和环境信息传送到处理节点。另外需要通信的舰队战斗群之间 也可以通过移动a dh o c 网络建立通信而不必依赖陆地卫星通信系统。移动a dh o c 网络建立 的初衷就是为军事应用服务今后，它仍然是军事领域最直接的应用对象。 传感器网络 传感器网络是移动a dh o c 网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器 网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。 使用移动a d h o e 网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成移动 4 中国科学技术大学硕士学位论文 a dh o c 网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域 具有非常广阔的应用前景。 移动会议 目前越来越多的人携带笔记本电脑、p d a 等便携式设备参加会议，如果与会者不用借助 路由器、集线器或者基站就能将这种移动的终端设备快速的组成无线网络，从而完成提问、 交流以及资料的分发，这无疑具有重要的意义，而移动a dh o c 网络无疑就具有这样的功能。 紧急和临时场合 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其它灾难打击后，固定的通信网络设施( 如有 线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等) 可 能被全部摧毁或无法正常工作，快速的恢复通信是非常重要的。借助移动a d h o c 网络这种 不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术，可以快速的建立临时网络，从而 为营救赢得时间，减少灾难带来的危害。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依 赖固定或预设的网络设施进行通信。a dh o c 网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这 些场合通信的最佳选择。 个人网络 个人局域网( p a n ，p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 的概念是由i e e e8 0 2 1 5 提出的。它是a dh o c 网络技术的另一应用领域。不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间 的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信，为能够建立更大范围的p a n 或p a n 的互联提 供技术可能性。 1 4 移动a dh o c 网络结构 移动网络结构一般分为两种：全分布式控制结构( 平面结构) 和分层分布式控制结构( 分 级结构) 。 在全分布式控制结构中，所有节点的地位是一样的，网络路由协议通常采用分布式控 制方式，所以又可以称为对等式网络。而在分层分布式控制中，将网络节点分成簇( c l u s t e r ) ， 每个簇的产生由一个簇头( c l u s t e r - h e a d e r ) 和多个簇成员( c l u s t e rm e m b e r ) 组成。簇头用于 负责本群中节点的管理；簇头间形成了高一级的网络，井可以再次分簇，形成更高一级的网 络，直至最高级。不同的群可使用不同的工作频率，群内可使用不同的工作频率，采用的是 高效的多址协议。 中国科学技术大学硕士学位论文 平面结构 图1 1 a dh o e 网络结构 1 5 本文主要工作、结构与意义 分层结构 本文在对a dh o e 网络相关研究进行了调研之后，着重研究了8 0 2 1 l 信道接入控制机制， 并对原有的信道接入控制算法和工作流程进行了改进。这些调研的成果和改进的成果对以后 的a dh o c 网络研究具有一定的参考价值，本文的工作主要由以下几个部分组成。 1 简要介绍了a d h o c 网络、该网络的特点以及a d h o c 网络相关的应用领域，并给出 了a dh o e 网络的常见的网络结构。 2 在不同协议层面上，介绍a d h o c 的技术特征以及构成a dh o e 网络的各种常见技术， 其中重点介绍了m a c 、路由及t c p 层面上的相关技术，并指出a dh o c 网络中存 在的一些问题。 3 对i e e e8 0 2 1 l 标准的相关技术作了简要的介绍尤其是与m a c 层接入控制相关 的内容。 4 分析i e e e8 0 2 1 1 在信道接入方面存在的一些问题，并提出了一些相应的改进。 5 使用n s 2 作为仿真工具，进行了仿真，并与原有的信道接入控制方案进行了性能 比较。 一6 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章a dh o c 网络技术研究及存在问题 a dh o c 网络是一种动态变化的基于无线信道的自组织网络，一种临时自治的分布式系 统，网络中的节点具有无中心接入和多跳等特征。因此，传统固定网络和蜂窝移动通信网中 使用的各种协议和技术无法被直接使用。同时，又由于这些特性，使得a dh o c 技术涉及到 了o s l 分层模型中的每一个层面。研究者已经在媒质接入问题、路由问题、组播路由问题、 电源管理问题、q o s 问题、安全问题、传输层问题等方面发布了相关的研究成果。i e t f 已 经成立了m a n e t 工作组，集中从事a dh o e 网络单播路由协议及其性能评定的研究，现已 发布了一些路由草案，i e t f 下一步还将就如何实现多播路由以及q o s 等问题展开讨论。 本章从参照o s i 七层模型，从各个层面上来介绍a dh o c 的技术特征以及构成a dh o c 网络的各种技术标准，并指出a dh o c 网络中存在的一些问题。 2 1a dh o c 技术的o s i 模型分层 应用层 高层 表示层 会话层 1w a pi 网络的各种应用l 移动核心网业务l 传输层 w i r e l e s st c p u d p t a b l e d r i v e no n d e m a n dd r i v e n z 其 网络层 r o u t i n nr o u t i n g r 他 d s d vw r ps t a ra o d vd s rt o r ap i e e e8 0 2 2 实时l l c 链路层 c s m a c dm a c ap a m a sm a r c hc a t a其他实时m a c 蓝牙 h i p e r l a n 1 l 系列 实时 物理层 ( f h s s )( o f d m ) ( f h s s 0 f d m d s s s ) 物理层 o s i 模型技术分层 图2 1 a dh o e 技术与o s i 的对应关系模型 通过协议栈的对比，可以看出，a dh o c 网络的协议栈，与传统的t c p 1 p 协议栈是相似 的，各层所选用的构建方式是可选的。物理层完成无线信号编码译码、发送和接收等工作： 数据链路层控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路的控制所以数据链路层又分为 m a c 层和l l c 层。网络层是a dh o e 技术的重点，也是它与其他现有网络的主要区别所在。 i p v 4 协议、i p v 6 协议或者其他网络层协议提供网络层数据服务；网络层的单播路由协议维 护路由表，使其与当前的a dh o e 网络拓扑结构一致；组播路由协议提供群组通信的底层支 持：传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般的思路是对有线网络中的t c p u d p 进行 改造使之适应无线环境；a dh o e 的高层主要包括建立在a dh o e 之上的无线应用以及接入 移动通信核心网络的各种业务。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2a dh o c 物理层 在实际的应用中，a dh o c 物理层的设计要根据实际的需要而定。以接收发信号为主要 功能的物理层首先要考虑的是通信信号的传送媒质。一般而言，a dh o c 网络都是基于无线 通信。由此看来，a dh o c 物理层所面临的首要问题就是无线频段的选择、购买以及分配。 目前人家一致采用的都是基于2 4 g h z 的i s m 频段，因为这个频段是免费的，不需要购买， 成本就会得到降低。其次，物理层必须就各种无线通信机制做出选择，从而完成性能优庭的 收发信号功能。 到目前为止，a dh o c 物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标 准其中包括i e e e8 0 21 1 系列、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h i p e r l a n 等标准所定义的物理层。 具体说米。a dh o c 物理层所采用的传输技术基本上有三种：正交频分复用技术( o f d m ) 、 采用红外线辐射传输技术、宽带扩展频谱技术。 正交频分复用技术是以多个副载频并发来传输高速数字信息，每个副载频留取足够长的 时间和码元宽度来“躲避”多径衰落信道带来的码间干扰的影响。所采用的数字信息调制有 时问差分移相健控( t d p s k ) 和频率差分移相键控( f d p s k ) ，以快速傅里叶变换( f f t ) 算法实施数字信息调制和解调功能。 采用红外线辐射传输技术的无线局域网设备，红外线辐射技术的特点是：不能穿透物体； 通信距离要远远小于通常使用的射频技术的通信距离。由于空间衰减很大，信号不易被探测， 比较适用于近距离点对点传输速率较高的环境。 宽带扩展频谱技术是一种传输信息的调制制式，其传输信息的信号带宽远大于信息本身 的带宽。信息带宽的扩展是通过编码方法实现的，与所传数据信息无关。在接收端将宽带的 扩频信号恢复成窄带的传输信号，同时将干扰信号频谱再次进行扩展，从而提高信息解调信 噪比，达到扩频通信目的。包括d s s s ( 直接序列扩频) 和f h s s ( 跳频序列扩频) 。d s s s 是用伪噪声码( p n ) 作为扩频码序列，调制方式多为二相相移键控和( q p s k ) 。f h s s 就是 载波在跳频码的控制f 按照某种跳频图案跳变，在接收端通过相关解跳恢复出发送信号。 频率是按跳频图案跳变的，具有c d m a 和频带共享能力。 2 3a dh o e 数据链路层 数据链路层解决的主要问题包括媒质接入控制，以及数据的传送、同步、纠错以及流量 控制等。基于此，a dh o e 数据链路层又分为m a c 和l l c 层。在一般情况下我们所关注 的主要是m a c 层，因为m a c 决定了数据链路层的绝大部分功能。 媒体访问控制( m a c ) 是无线局域网的一个关键技术之一，它也是a dh o e 网络的一个 研究难点。所采用的m a c 协议对网络的性能( 吞吐性能和迟延性能等) 起着决定作用。 为了在给定的频段上实现多个站间的无线通信，常常需要划分出若干个子信道，以使 站与站之间可同时通信。这种在一个固定频段上实现多个子信道的技术，称为复用技术 ( m u l t i p l e x i n g ) 。另一方面。多个站共享某一个固定频段进行通信的技术又称为多址接入 ( m u l t i p l e a c c e s s ) 技术。m a c 协议可分为以下两类： 8 中国科学技术大学硕士学位论文 1 同步接入：也叫固定分配类，同步m a c 协议中，所有节点在时间上是同步，如 f d m a 、t d m a 、c d m a 等： 2 异步接入：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 的。 m a c 协议也可以分为发方驱动协议和收方驱动协议。收方驱动协议是由收方通知发方 自己已经准备好接收数据，如m a c a b i 。发方驱动协议是发方通知收方自己有数据需要发 送，如m a c a 。现有的大多数协议都是发方驱动的，也有少数协议是混合式的。 m a c 协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议。单信道协议中，所有的信号都在 同一个信道上传给。为了减少冲突，可以把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，避免数据信号和控制信号的冲突。而i s m 频带是一个典型的多信道环境， 采用多信道m a c 协议更能适应a dh o c 网络环境的要求。本节主要根据这种分类方式对各 种m a c 协议进行介绍和评述。 2 3 1 单信道m a c 协议 从夏威夷大学的a l o h a 项目组提出单跳的无线网络中进行分组数据的广播是可行的 这结论以来。针对媒质共享竞争的问题。一些学者就提出了各种相应的改进形式作为m a c 层的解决方案，已经有a l o h a 、时隙a l o h a 、c s m a ( 载波侦听多路访问) ，以及i e e e8 0 2 11 所采用的c s m a c a 。m a c 层主要就是由这些媒质接入方案充当。由于a l o h a 、时隙 a l o h a 、c s m a 都存在媒质冲突、终端暴露以及终端隐藏等严重的问题，所以，后来就有 带冲突检测和冲突避免的c s m a 媒质接入方案的提出，被用在了i e e e8 0 2 1 i 无线局域网 方案中。 ( 1 ) m a c a m a c a ( m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 是一种用于单频网络的媒体接入控 制协议，力求解决a dh o c 网络中的隐终端和暴霹终端问题，它使用r t s c t s 握手机制。发 送节点在发送数据前，首先向收方发送r t s 信号，进行信道预留，接收节点收到r t s 信号 后回送一个c t s 信号，其它收到r t s 或c t s 信号的节点采用二进制指数退避算法( b e b ) 延迟数据发送以避免冲突。 此外m a c a 还考虑了功率控制，对节点的发送功率进行控制，从而提高网终负载能 力并节约能量。如果一个节点监听到了c t s 信号( 发送r t s 者除外) ，就暂时禁止发送数 据，降低输出功率，这使得信道可以在空间复用。 由于r t s c t s 帧的长度很小，与c s m a 相比，m a c a 减少了数据包冲突。但是，在 m a c a 中依然存在冲突，特别是在p , t s c t s 帧交互期间。另外，m a c a 没有采用链路层确 认机制，冲突后需要超时重发。由于采用b e b 退避，信道接入的公平性很差。 ( 2 ) m a c a w m a c a w ( m a c a f o r w i r e l e s s ) 协议，针对m a c a 的缺陷做了改进。除了使用r t s c t s 握手信号外，还使用了其它控制信号( d s ，d c k ，r r t s ) 进一步解决暴露终端和隐终端 问题。m a c a w 采用了一种乘法增加线性减少退避算法( m i l d ) 代替二进制指数( b e b ) 退 9 中国科学技术大学硕士学位论文 避，同时也实现了退避复制机制，使得传输到同一个目的点的节点使用统一的计数器保证 了接入的公平性。另外，它还使用了多流模型以达到平衡传输。但是，过多的握手信号占用 了大量的网络资源，如果考虑无线收发装置的转换时间，其效率并不是很高。m i l d 退避可 以在一定程度上解决公平问题，但是，使用单一的计数器会使拥塞问题过度扩散需要的内 存也更多。所以，尽管m a c a w 提高了网络的吞吐量，但是网络开销和传输时延比m a c a 火，另外m a c a w 也不适合用多播环境。 ( 3 ) m a r c h 为了减少冲突，节点在发送数据前需要采用握手信号监听信道，但是不断监听信道会导 致不必要的能量消耗和网络资源浪费。现今的大多数无线装置都采用了全向天线，m a r c h ( m e d i aa c c e s sw i t hr e d u c e dh a n d s h a k e ) 协议。正是利用了全向天线的广播特性来减少握 手信号。与一般的收方驱动协议相比，m a r c h 协议不需要进行任何流量预测。节点一旦监 听到不是发送给自己的c t s 信号，就知道相邻节点处将有数据要到达，通过监听c t s 信号， 触发一系列邀请发送过程，进行数据包的中继传输。该协议除了第一跳传输是发方驱动的， 后续的中继传输都是收方驱动的，可以看作是“先请后推”的过程，也可以看作是发方驱动和 收方驱动的混合形式。在m a r c h 协议中，需要的握手信号数是路由长度的函数，路由越 乏，节省的握手信号数越多。 ( 4 ) i e e e8 0 2 11 协议 i e e e8 0 2 1l 协议扩展f a m a 协议：在r t s c t s 控制帧基础上又增加了确认( a c k ) 机 制。并且。8 0 2 1 l 摈弃了传统的c s m a 技术，采用c s m a c a 技术。在8 0 2 1 1 协议中，d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t e df u n c t i o n ) 机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接人方 式它把c s m a ，c a 技术和确认( a c k ) 技术结合起来。除了使用基于r t s c t s 的虚拟载波 侦听机制，还可以使用帧分割技术，使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能。8 0 2 1 1 协议同样采用了二进制指数退避，所以无法保证信道接入的公平性。现有的a dh o c 网络的实 现大多数都是基于8 0 2 11 协议的，该技术主要是针对无线局域网的，推广到多跳a dh o c 网络 还有许多工作要做。 ( 5 ) m a c a - b i m a c a b i ( b yi n v i t a t i o n ) 协议是在m a c a 基础上改进的由收方驱动的m a c 协议。它 没有使用r t s c t s 握手信号，而只采用了r t r ( r e a d yt or e c e i v e ) 信号。在m a c a b i 中，节点只有在收到收方的邀请后才能发送数据。由于收方不知道源节点是否有数据要发送， 所以它必须预测哪些节点有数据要发送。另外，收方不断的请求发送也影响了网络的性能。 通过估计源节点数据队列的眭度和到达的速率，可以规范邀请信号的发送。一种可行的方法 就是把源= 肖点的估计信息放入每个发送的数据包中，使得收方可以知道源节点的预约传输。 对于c b r 业务，m a c a b i 工作得很好，但是对于突发业务，其性能不如m a c a 协议。为 了提高m a c a b i 协议在非静态业务下的通信性能，可以对其加以改进。如果发方的队列长 度或者包时延超过了可以容忍的极限，仍然可以采用r t s 信号，这时就义回到了m a c a 。 由于只使用了一种控制信息，所以减少了发送接收反转时间，发生冲突的可能性也更小 但是需要流量预测算法实现上比较复杂。 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 2 3 2 双信道m a c 协议 实践表明，单信道接人协议在网络负载比较重时效率是很低的，这是由于冲突和退避造 成了信道带宽的巨犬浪费。从上文可以看出冲突主要包括控制信号之间的冲突，以及由此 导致的数据信息和控制信息的冲突。对此，可以考虑采用信道分割技术，把信道分成数据信 道和控制信道分别传输数据信息和控制信息，避免数据信息和控制信息之间的冲突。由于控 铡帧的长度很小，所以冲突发生的概率大大减少，并且可以更好地解决暴露终端问题。 ( 1 ) d b t m a 前文中的m a c 协议都是假设所有的相关节点可以收到r t s c t s 帧，但是在高速移动的 a dh o c 网络中假设并不成立。此外，当网络负载很重时，r t s c t s 帧冲突的概率很大。为了 解决这些问题，提出了敢忙音多址接人协议( d b t m a ，e 1 d 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 把信道分割成控制信道和数据信道，分别传输数据信息和控制信息，并且在控制信 道上还增开了2 个带外忙音信号。一个指示发送忙，一个指示接收忙。2 个忙音在频率上是分 开的，以免干扰， 理论分析和仿真结果表明d b t m a 优于纯r t s c t s 系列的姒e 协议。与m a c a 和m a c a w 相比，d b t m a 的效率有很大提高。由于忙音信号在通信期间一直存在，可以确保不存在用 户数据帧之间的冲突。 ( 2 ) p a m a s “ p a m a s ( p o w e r - 一a w a r em u l t i - - a c c e s sp r o t o c o lw i t hs i g n a l i n g ) 协议是基于m a c a 的双 信道m a c 协议。r t s c t s 握手信号在控制信道上交互，数据在数据信道上传输，在数据传 输过挥中，控制信道上发送忙音。此外，p a m a s 协议还考虑到了能量控制问题，它有选择 的关闭某些不需要接收和发送的节点，以节省能量。 在p a m a s 中，当节点监听到不是发送给它们的数据时，可以关闭收发器，以节省能量。 节点独立的决定是否关闭收发器，其关闭策略如下：如果节点无数据要传输，并且其邻节点 正在发送数据，就关闭电台；如果节点有数据要传输，但是其邻居节点中至少一个在发一个 在收，就关闭发射器。节点关闭期间既不能发也不能收，这可能会严重影响网络时延和吞吐 量，所以关闭的时间需要严格控制。可以考虑采用探测帧在适当的时候唤醒关闭的节点但 是需要额外开销。一种有效的措施是有选择地关闭数据信道，保持信令信道处于激活状态。 另一种改进措施是节点一旦获得信道可以发送多个数据包，从而提高信道利用率。 2 3 2 多信道m a c 协议 目前a dh o c 网络绝大多数m a c 协议都是基于i e e e8 0 2 11 b 标准实现的，而i e e e8 0 2 1l b 是一 作在i s m 频带的单信道m a c 协议。i s m 频带是一个典型的多信道环境，各种扩频技术 ( d s s s ，h f s s ) 用带宽分割成多个信道，每个信道一个信道辨识码。如果有多个信道可以 使用，而且网络规模也很大的话可以给不同节点分配不同的信道以提高网络吞吐量。多信 道的使用减少了冲突的发生，使得更多的节点可以同时传输，因而提供了更高的带宽利用率。 ( 1 ) h r m a h r m a ( h o t - r e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 协议。是基于半双工慢调频扩频的，它利 用频率跳变时的时间同步特性。h r m a 使用统一的跳频图案，允许收发双方预留一个跳变频 中国科学