（通信与信息系统专业论文）自组织网络中基于80211+dcf的信道接入协议研究.pdf

摘要 自组织网络是种特殊的无线通信网络，所有的节点地位平等， 无需设置任何中心控制节点，数据包通过多跳的方式传输，具有较高 的灵活性和很强的抗毁性，多跳是自组织网络与其他移动通信网络最 根本的区别。但是，由于无线信道的共享，多跳的方式往往加剧了信 道的竞争，造成网络性能的降低。 本文首先总结和分析了自组织网络中信道接入协议的研究现状， 并着重介绍了目前广泛使用的8 0 2 1 ld c f 协议以及它在多跳环境下 带来的问题。鉴于8 0 2 1 1d c f 产品的普遍性，本文主要就自组织网 络中8 0 2 1 1d c f 协议改进展开了研究。 首先，针对自组织网络中，多跳引发的隐显接收终端问题造成 节点信道接入率、吞吐量和公平性的降低，本文在8 0 2 1 1d c f 的基 础上提出了一种基于信道状态显式通知的接入协议，该协议可以在信 道空闲的时候及时通知发送节点进行通信，降低了退避节点盲目等待 的时间，也减少了隐显接收终端造成报文冲突丢弃的概率。仿真结 果表明，基于信道状态显式通知的接入协议有效的提高了自组织网络 的吞吐量、业务流的稳定性和公平性。 其次，由于退避算法是解决无线信道冲突的主要方法，退避机制 的研究对网络整体性能具有重要的意义。因此，本文通过模拟实现， 分析和比较了现有的多种退避算法在自组织网络中的性能。由于结果 显示现有算法并不能改善多跳环境下性能，因此本文又提出了一种基 于源节点和转发节点区分机制的退避算法。这种算法能根据网络冲突 状况，自适应的调节退避窗口，更适合多跳环境中流量分布不均的特 点。仿真结果表明，这种区分退避机制能同时适应于低速和高速的流 量环境，在提高网络吞吐量的同时，也提高了流与流之间的公平性， 表现出了更好的网络性能。 最后，本文给出了相关工作总结和进一步的研究方向。 关键字：自组织网络，信道接入，多跳，退避算法，吞吐量 a b s t r a c t w i r e l e s sa dh o en e t w o r ki sas p e c i a lp e e r - t o _ d e e rw i r e l e s sn e t w o r k w i t h o u ta n yi n f r a s t r u c t u r es u p p o r t m u l t i h o pi sak e yc h a r a c t e ro f w i r e l e s sa dh o en e t w o r k sd i s t i n g u i s h e dw i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sa n di tp r o v i d e sf l e x i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s b u tw i t ht h ef a c to f c h a n n e ls h a r i n g ，m u l t i h o pa l s ob r i n g sh i g hc o l l i s i o na n di td e c r e a s e s n e t w o r kp e r f o r m a n c e i tm a k e sm e d i u ma c c e s sc o n t r o lac r i t i c a l p r o b l e mi nw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s t h ep a d e rf i r s t l yi n t r o d u c e dw i r e l e s sa dh o en e t w o r k sa n d s u m m a r i z e di t sm a cp r o t o c o l s t h e n ，f o c u s e do nt h em o s tp o p u l a r8 0 2 11 d c f w ea n a l y z ea n dp r e s e n ts e v e r a lp r o b l e m sw h e ni ti su s e di n m u l t i h o pa dh o en e t w o r k s h i d d e n e x p o s e dr e c e i v e rp r o b l e m si n d u c e db ym u l t i - h o ps e r i o u s l y d a m a g en e t w o r kp e r f o r m a n c e i no r d e rt os e t t l et h i sp r o b l e m ，t h ep a p e r f i r s t l yp r o p o s e dac h a n n e ls t a t en o t i f i c a t i o np r o t o c 0 1 b ys e n d i n ga c c s f r a m et oad e a fs e n d e r ，i tc a nr e d u c ew a s t eb a c k - o f ft i m ea n dp a c k e tl o s s d u et oh i d d e n e x p o s e dr e c e i v e rp r o b l e m s s i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h e n e wp r o t o c o lc a r l e f f e c t i v e l yi m p r o v et h r o u g h p u t ，f l o ws t a b i l i t y a n d f a i m e s si nv a r i o u se n v i r o n m e n t s a st h eb a c k - o f fa l g o r i t h mi si m p o r t a n tt or e s o l v ec o l l i s i o n 。w et h e n s i m u l a t e da n dc o m p a r e df i v ed i f f e r e n tb a c k o f fa l g o r i t h m si nw i r e l e s sa d h o en e t w o r k s b a s e do nt h e s er e s u l t s w ep r o p o s e dad i f f e r e n t i a t e d b a c k - o f fa l g o r i t h m n ea l g o r i t h mc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tc o n t e n t i o n w i n d o ws i z ea c c o r d i n gt oc o l l i s i o ns t a t u s s i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a t d b a p e r f o r m a n c e sw e l lb o t hi nt o w 1 0 a da n dh i g h l o a dn e t w o r k s i ta l s o p r o v i d e sm u c hb e t t e rf a i m e s si nm u l t i f l o wc o n d i t i o n s f i n a l l y , w em a k e ac o n c l u s i o no fo u rw o r ka n d 西v es e v e r a l p r o p o s a l sf o rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s sa dh o en e t w o r k , m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， m u l t i h o p ，b a c k - o f fa l g o r i t h m ，t h r o u g h p u t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是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，除了论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或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垄邋日期：丝卫年三月且日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垄鱼导师签名 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的不断发展，人们对无线通信的需求越来越强，近年来，无线 通信技术得到了飞速的发展和普及。从蜂窝移动通信技术的普及，到无线局域网 ( i e e e8 0 2 1 1 ) 1 1 1 、蓝牙 2 1 ，家庭无线n t 3 j 等新技术的涌现，无线通信技术领域呈 现出多种技术共存，新兴技术不断涌现的局面。这些技术使得人与人之间的通信 更加方便快捷，也使得人们的生活变得更加的丰富多彩。 然而，我们通常提到的无线通信技术般都是集中式的，需要基于预先架设 的网络基础设施才能运行，如蜂窝移动通信技术需要有基站和移动交换中心等功 能设施的支持；无线局域网也需要接入点和有线骨干网的支持。对于一些特殊的 应用场合，如灾后救援、野外科考以及临时性组织的大型会议等，这种集中式的 通信技术并不胜任，不能迅速的实现和展开。因此，迫切的需要一种能够临时快 速组网的分布式对等网络。自组织网络技术恰恰就可以满足这种需求。 1 1 自组织网络的概述 自组织网络是一种特殊的无线通信网络。它由一组带有无线收发装置的节点 组成，所有节点的地位平等，无需固定基站的支持，网络中的每个节点都具备主 机和路由器的功能。自组织网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境 下分组无线网数据通信项目，该项目由d a r p a 资助，其后，又在1 9 8 3 年和1 9 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 m ) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的 不断发展，自组织网络在民用环境下也得到了飞速发展，如需要在没有有线基础 设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建自组织网络实现。 图1 - 1 一个简单的自组织网络 在自组织网络中，数据的传输往往通过多个节点的转发实现。如图1 1 示， 当主机a 和主机8 在彼此的发送范围内时，它们可以进行直接通信；当通信的 源节点a 和目的节点c 不在直接通信范围内，它们通过中间节点b 转发报文进 硕士学位论文 第一章绪论 行通信。当源节点和目的节点间的距离较远时，可能需要经过多个中间节点的转 发，即报文需要经过多跳( h o p ) 才能到达目的地，因此，它又被称为无线多跳 网络( w i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k ) 4 1 。 与其它传统通信网络相比，自组织网络具有以下几个特点： ( 1 ) 自治终端 无固定基站，每个移动终端是一个自治节点，它既是主机也是路由器。 ( 2 ) 分布式操作 没有基站对其网络操作进行集中控制，所以网络的控制与管理都是分布在各 终端进行的，即使某一节点出现故障，整个网络并不会因此瘫痪，网络的顽存性 强。 ( 3 ) 多跳路由 由于节点发射功率的限制，节点的范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的 节点进行通信时，需要中问节点的转发，即要经过多跳。自组织网络中的多跳路 由是由普通节点共同完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 ( 4 ) 动态拓扑 自组织网络中的节点都能以任意可能的速度和移动模式移动，因此网络的拓 扑结构会迅速变化，并且变化的方式和速度都难以预测。 ( 5 ) 无线通信 自组织网络采用的是无线传输技术，无线信道所能提供的网络带宽相对于有 线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。由于在自组织网络中使用了多跳路 由，这个特征一方面提高了信道的空间重用度，另一方面使得报文的冲突与节点 所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率等因素使得自组织网络中可能存在 单向无线信道。 ( 6 ) 安全性差 自组织网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分 布式等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等 网络攻击。自组织网络中的安全问题非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机 制将不再适用。 ( 7 ) 移动终端的便携性 移动终端具有携带方便、轻便灵巧等特点，网络搬迁非常方便，但也存在固 有缺陷，如能源受限、内存较小、c p u 处理能力较低和成本较高等。移动节点 一般都依靠能量有限的电池来供电，因此如何高效的使用节点的电池能量以及延 长节点和整个网络的生存时间就成为了一个十分突出的问题。 自组织网络提供了廉价而且快速部署网络的可能，在民用和商业领域的应 2 硕士学位论文 第一章绪论 用范围都非常广。自组织网络可以用于灾难救助，在发生洪水、地震后，有线通 信设施很可能因遭受破坏面无法正常通信，通过自组织网络可以快速地建立应急 通信网络，保证救援工作的顺利进行，完成紧急通信需求任务；自组织网络可以 用于偏远或不发达地区通信，解决由于造价、地理环境等原因造成没有有线通信 设施的环境中的通信问题：自组织网络还可以用于临时的通信需求，如商务会议、 庆典、展览等场合，可以免去布线和部署网络设备的工作。总之，在现有的有线 通信系统不能满足通信需求的情况下，都可以通过自组织网络来完成通信任务。 1 2 自组织网络的研究现状 与传统的有线和蜂窝网络相比，自组织网络没有基础设施，每个节点都可能 随时进入或离开网络，整个网络分布式运行。然而，传统网络中对连接性和业务 传输的基本需求，在自组织网络中也同样需要得到满足。日前自组织网络研究中 的主要热点和难点问题有信道接入协议、路由协议、传输控制、服务质量、能量 消费和安全性等问题。 ( 1 ) 信道接入协议 信道接入协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 主要解决如何在相互竞争的用 户之间分配无线信道，即无线节点如何接入无线信道来发送数据帧的问题。通常， 可以将信道接入协议分为两大类：随机接入( 如a l o h a 、c s m a 和c s m a c d 等) 和 受控按入( 如t d m a 和令牌传递方案等) 。自组织网络缺乏基础设施和节点以对等 方式运行的本质使得随机接入协议成为组建自组织网络的自然选择。事实上，针 对自组织网络提出的信道接入协议大多数也都是随机接入协议。例如，i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会就选择一种随机接入方案( 即c s u a c a ) 协议作为其标准的信 道接入协议的基础。但由于i e e e8 0 2 1 1 【5 lm a c 协议本身是针对单跳的w l a n 设 计的，并没有针对多跳网络进行优化。当应用于多跳自组织网络时，当前的i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议存在许多问题。本文的第2 章将会进行详细阐述。 ( 2 ) 路由协议 由于自组织网络通常是一种多跳网络，开发良好的路由协议是建立自组织网 络的首要问题，也是主要的研究热点和难点。传统的用于有线网络的距离向量协 议( 如r i p ) 和链路状态路由协议( 如o s p f ) 并不适用于拓扑结构高度动态变化 的自组织网络。目前在自组织网络中的路由协议研究主要分为三个方向：表驱动、 按需驱动路由协议和混合式路由协议。典型的路由协议有d s d v 6 1 、d s r l 7 1 、a o d v i s 、 z r p g i 和g p s r 哪等。在现阶段，新的路由协议又趋向于提供多捌1 ”、o o s i l 2 】、节 能和网络安全【1 q 等多种性能支持。 ( 3 ) 传输控制 硕士学位论文第一章绪论 在自组织网络中，由于无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成报文 冲突和丢失。造成分组丢失的原因主要有四种：无线信道的高误码率、节点的移 动性、信道接入冲突和缓存溢出。针对不同原因，传输控制协议应该采用不同的 措施来保证连接的性能。然而当前的t c p 拥塞控制机制是针对有线网络环境设计 的，并不能对这四种原因进行有效地区分，而是在出现分组丢失时一律调用拥塞 避免算法，使得多跳自组织网络中t c p 的性能非常差，原有的t c p 协议已不太适 合自组织网络的多跳环境。因此，自组织网络中要对传统的t c p 协议进行修改或 重新设计，以满足数据传输的需要。目前自组织网络中的t c p 协议研究分别从 t c p 层【1 5 1 6 1 、i p 层【1 7 ，1 8 1 和链路剧19 ，2 0 1 这3 个层面提出了相关解决方案。 ( 4 ) q o s 保证问题 q o s 是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供满足预先确定 的性能指标( 如端到端的延迟、带宽、分组丢失率和延迟抖动等) 的服务。网络 能够提供q o s 的能力取决于网络中的所有组成部分，包括传输链路、m a c 层、网 络层等。在自组织网络中提供q o s 保证是一个非常复杂的问题，主要包括三个重 要的组成部分：q o sm a c 协议、q o s 路由和资源预留的信令。q o sm a c 协议解决 信道竞争的问题，支持可靠的单播通信和为实时业务提供资源预留，如g a m a p r 协议1 2 1 1 和阴竞争机制】。q o s 路由是指在给定的资源约束下，能够发现和维护 满足q o s 要求的路由田彩】，而q o s 信令为q o s 路由确定的路径提供实际的接纳控 制、调度以及资源预约服务2 6 ，2 7 1 。这三个组成部分之间需要相互合作，以提供 用户要求的q o s 服务。 ( 5 ) 能量节省问题 移动设备依靠电池提供能量，因此有限的电池能量会给针对移动设备的算法 设计提出最大的约束条件。近几十年来，与高速发展的微处理器芯片技术相比， 在限制电池重量的情况下提高电池容量的技术发展得相当缓慢。在这种情况下， 节省节点的能量消费变得至关重要。能量节省问题涉及到无线网络中的各个层， 在每层上都有相应的技术方案。当前的节能机制主要分为两大类：一类是无线网 卡动态关闭机制四，另一类是功率控制机制, 3 0 l 。 ( 6 ) 安全性问题 传统的网络安全策略是在稳定的拓扑和充足的网络资源前提下建立起来的。 但在自组织网络中，由于没有基站或中心节点，节点自身充当路由器，同时也没 有命名服务、目录服务等网络功能，使得在自组织网络中提供安全性保证成为一 个巨大的难题【3 1 ，3 2 1 。因此急需要研究适用于移动自组织网络的安全体系结构和 安全技术。但由于自组织网络的特殊性，使得自组织网络中的安全性问题成为一 个巨大的挑战。 4 硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题来源和研究意义 自组织网络无中心、自组织、多跳路由的特点使得它要面临很多其他无线通 信网络所没有的特殊问题，这些问题都成为了自组织网络面临的技术挑战。而信 道接入技术是自组织网络协议的基础，它控制着节点如何接入无线信道，以实现 共享信道的多个节点能尽可能在公平和无冲突的条件下接入信道，提高网络性 能，因此，信道接入技术的研究对提高自组织网络的性能起着决定性的作用。 在现阶段，根据网络中使用的信道数日，自组织网络中的信道接入协议可分 为基于单信道、基于双信道和基于多信道三大类。但受硬件技术发展的限制，很 多网络节点都只能支持单信道，特别是随着局域网的普及，使得采用i e e e8 0 2 1 l 标准的无线产品也越来越普遍，这些产品无疑就迅速成为自组织网络的主流设 备。而用于自组织环境下的8 0 2 1 ld c f 协议也就成为自组织网络中使用最为广 泛的信道接入协议。但是，i e e e8 0 2 1 i 标准最初都是针对单跳网络设计的。 i e e e8 0 2 1 l 是种典型的载波侦听多点接入冲突避免( c s m c a ) 协议， 当报文发生冲突时，发送者通过执行退避算法避免再次冲突。当i e e e8 0 2 1 ld c f 协议应用于自组织网络时，带来了诸如不稳定和不公平等一系列问题p 3 ，蚓。因 此针对自组织网络的特殊环境提出改进协议，实现新旧协议的融合，成为当前自 组织网络研究的一个热点。本文通过改进m e e8 0 2 1 1d c f 协议的r t s c t s 握 手机制，提出了一种基于信道状态进行显式通知的策略，有效的减少了自组织网 络中的隐显终端问题，降低了冲突丢包的概率，提高了网络的吞吐量性能。此 外，本文通过模拟实现，分析比较了多种退避算法在自组织网络环境下的性能， 并根据自组织网络的流量特性，提出了一种基于区分机制的退避算法，提高了自 组织网络信道利用率和吞吐量。 1 4 论文组织 论文全文共分六个章节，组织结构如下： 第一章为绪论。这一章首先对自组织网络进行了简单介绍，包括自组织网络 的概念、特点和研究现状。然后概述了信道接入协议在自组织网络研究中的重要 性、课题来源和研究的意义。最后简单的介绍了本文的研究内容和结果。 第二章主要介绍了当前自组织网络中信道接入协议的研究进展。首先总结和 分析了自组织网络中信道接入协议的研究现状，然后简单介绍了当前普遍使用的 i e e e9 0 2 1 1d c f 协议。最后在此基础上分析了m e e8 0 2 1 1 协议在自组织网络 中的不足，并给出了相关解决方案。 第三章主要介绍了一种基于信道状态显式通知的接入协议。首先介绍了无线 硕士学位论文第一章绪论 多跳网络中的隐显终端问题和相关研究成果。然后提出了一种基于信道状态显 式通知的接入协议。最后进行了模拟仿真，并对仿真结果进行了分析和比较，结 果显示c h a n n e l s t a t e n o t i f i c a t i o n 协议有效地改善了多跳环境所带来的隐显接收 终端问题，提高了网络的吞吐量性能。 第四章主要通过模拟分析和比较五种退避算法的性能。首先概述了当前退避 算法的研究现状。然后通过模拟实验比较了五种典型的退避算法在自组织网络环 境中的性能，并对结果进行了分析。 第五章主要介绍了一种基于区分机制的退避算法。首先通过模拟分析了b e b 退避算法在自组织网络中的不足并给出了基于区分机制的退避算法的形成思路。 然后详细描述了算法的实现细节。最后给出了模拟仿真结果并进行了分析和比 较，验证了新算法的有效性。 第六章为结束语。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来进一 步的研究方向。 6 硕士学位论文第二章自组织网络的信道接入协议 第二章自组织网络的信道接入协议 自组织网络是共享无线传输媒体的多点多跳网络。信道接入协议的功能是控 制节点的报文传输对无线媒体的占用，保证网络的整体性能。由于自组织网络具 有特殊的网络组织形式，使得信道接入协议的设计面临新的问题和挑战。自组织 网络的信道接入协议研究，成为自组织网络的研究热点问题之一。 2 1 信道接入协议研究现状 经过多年的研究，研究人员已提出了数十种自组织网络信道接入协议。这些 协议具有各种不同的设计目标，使用了不同的信道复用和控制技术。根据信道接 入协议使用的信道数目，可以将已有的信道接入协议分为基于单信道、基于双信 道和基于多信道三种类型。 2 1 1 基于单信道的接入协议 m a c a l 3 5 】是第一个使用r t s c t s 控制报文握手来解决自组织网络中隐终端 和显终端问题的信道接入协议，其源于c s m a c a ( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 。发送方 在发送数据前先向接收方发送r t s 控制报文，进行信道预留；接收方收到r t s 后 回送c t s 报文；收至i j c t s ，发送方开始发送数据：其他收n r t s 或c t s 信号的节 点采用二进制指数退避算法避免冲突。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，m a c a 没有采用链路层确认机制，冲突后 需要超时重发。 m a c a w l 3 6 l 对m a c a 做了改进，它在m a c a 的基础之上增加了链路层的a c k 机制，当接收者成功接收到数据包后，就发回a c k 消息进行确认：如果发送者 没有收到a c k 消息，它就向接收者重发r t s 消息。同时，m a c a w 使用了更为缓 和线性递减的退避策略。m a c a w 虽然增加了网络的开销，但协议降低了冲突的 概率，依然提高了网络的吞吐量。 i e e e8 0 2 1 1d c f l 5 惺i e e e8 0 2 1 1 标准委员会制定的无线局域网信道接入协 议。源于c s m a ，c a ，以m a c a 和m a c a w - - 起为基础产生。i e e e8 0 2 1 1m a c 协议使用了物理和虚拟载波侦听机制来进行媒体接入控制，使用 r t s c t s d a t a a c k 对话完成数据传输。 m a c a b i t 3 7 1 是基于m a c a 接收方主动的信道接入协议。采用了r t r 报文代 替了r t s c t s 握手报文。由于只使用了一种控制信息，所以减少了发送接收反 7 硕士学位论文第二章自组织孵络的信道接入协议 转时间，发生冲突的可能性也更小，但是协议需要流量预测，算法实现较为复杂。 2 1 2 基于双信道的接入协议 实践表明，单信道接入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大浪费。而这种冲突主要包括控制信号之问的冲 突，以及由此导致的数据信息和控制信息的冲突。因此，新的研究成果考虑采用 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。由于控制帧的长度很小，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。典型的有d b t m a 和p a m a s 协议。 p a m a s 【3 3 】是一种基于m a c a 的双信道接入协议。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；在数据传输过程中，控制信道上发送忙 音。p a m a s 协议还有选择的关闭某些不需要接收和发送的节点，以节省能量。 d b t m a 0 9 1 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，并在控制信道上增开了发送忙音和接收忙音。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 1 3 基于多信道的接入协议 随着硬件技术的发展，使用多信道来构建自组织网络也成为可能。基于多信 道的接入协议可以在不同的数据信道上同时通信，减少了冲突的发生，提供了更 高的带宽利用率。 h r m a 4 0 1 是使用低速跳频直扩系统的多信道接入协议。其原理是节点按照 预设的跳频模式改变传输信道。当两个节点经过r t s c t s 握手后，驻留在固定的 跳频上进行数据分组的传输，其他的节点继续跳频，同时建立自己的通信信道。 这种设计思想仅能在低速跳频的传输网络中使用。 m m a c l 4 l 】的设计思想来源于一种典型的同步时间驱动节能协议8 0 2 i l p s m 。设定一个控制信道和n 个数据信道，网络中所有节点共享控制信道。通 过在控制信道交换控制分组，节点可以获得接入信道的权利。数据信道用于节点 发送、接收数据和确认控制分组。每个节点采用两收一发，收发不能同时进行， 但可以同时分别接收数据和控制信息。 b f s c a 4 2 1 是一种m u l t i - r a d i om a c 方案。在这种方案中每个节点有多个无线 电台，每个电台又有各自的物理层和m a c 协议，各个电台间是相互独立的，算 法通过冲突预测，为每个电台动态分配信道，降低了信道冲突，提高了网络容量。 3 硕士学位论文 第二章自组织网络的信道接入协议 2 2i e e e8 0 2 1 1m c 协议概述 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议是目前自组织网络最常用的信道接入协议，它定义了 两种接入方式：分布式协调功能( d c f ) 与点协调功能( p c f ) 。由于点协调功能( p c f ) 需要a p 来协调网络中节点的信道接入，不适用于自组织网络。因此在关于自组 织网络的研究中所涉及的8 0 2 1 1m a c 协议都是指d c f 功能。 构成d c f 基础的信道接入协议为载波检测多接入冲突避免( c s m a c a ) 。 在基于1 e e e8 0 2 1 1 标准的无线网络中，由于发送信号的功率和接收信号的功率 之间存在巨大的差异，以及无线媒质中传输的所有信号共享同一个信道，所以节 点在发送信号时往往不能同时监听信道。为使发送节点能够知道所发送的信号是 否与信道上传输的信号发生冲突，发送端采用了冲突避免( c a ) 方案：在每次 发送一个数据帧后，等待一个来自接收端的确认( a c k ) 。如果没有收到a c k ， 那么发送端必须重发这个数据帧。 i e e e8 0 2 1 1d c f 的多接入部分又可以分为两类：基本方案和r t s c t s 方案。 当采用基本方案时，如果一个节点有数据需要发送，它首先检测信道是否空闲。 ( 1 ) 如果信道空闲，并且空闲时间的长度达到d i f s ，那么这个发送端就发 送数据帧d a t a ，当接收端收到该d a t a 帧时，在s i f s 时间后应答一个a c k 帧， 这里d i f s s i f s 。 ( 2 ) 如果信道不空闲，或者空闲时间小于d i f s ，那么发送端进入冲突避免 ( c a ) 状态。图2 1 为基本方案的示意图。 j 固 时同- 叶 发射端。二：r 1 = = i ；i 一 网 接收端r 。卡i 鬲f r 一 其他站 ， i 耋竺! ! 竺垒! h ；+ 一 接入延迟后退阶段 图2 - i 基本接八方案 r t s c t s 是一个可选的接入方案。当采用这种方案时，发送端首先发送一 个r t s 帧来预约信道，然后接收端应答一个c t s 帧。收到c t s 后，发送端才开 始发送数据帧，最后接收端再应答一个a c k 。由于r t s 帧较短( 长度为4 4 字 节) ，r t s 帧冲突对网络性能造成的损害远远小于d a t a 帧( 长度可达2 3 4 6 字节) 之间的冲突所造成的损害，因此采用r t s c t s 方案可以提高网络的性能。但是 当d a t a 的长度比较小时，采用基本方案可以减小发送r t s ，c t s 所造成的额外开 9 硕士学位论文第二章自组织网络的信道接入协议 销。图2 - 2 为r t s c t s 方案的示意图。 发射端 接收端 其他站 s i f s o：卜； 一严 c t s j 碉 一d i f s n a v ( r t $ )fj 竞争窗口 n a v ( c t $ ) i n a v ( c t $ ) 接 延迟后堰阶段 图2 - 2r t s c t s 接八方案 i e e e8 0 2 1 ld c f 的载波检测包括物理层的载波检测和m a c 层的虚载波检测 两种。物理层的载波检测通过物理层设备对信号的检测来实现。而m a c 层的虚 载波检测则通过引入n a v ( 网络分配向量) 参数来实现。当一个节点，如节点a 收到其他节点发送的d a t a 、r t s 和c t s 帧时，从这些帧的头部提取出该发送的持 续时间来更新a 自己的n a v 。根据n a v 的值，a 的m a c 层可以知道当前的发送将 在什么时候结束，从而通过设置n a v 定时器进行有效的退避等待。采用虚载波检 测可以减小w l a n 中的隐藏节点问题。此外，在许多节省能量消费的方案中，虚 拟载波检测对于确定节点应该何时从“睡眠”状态“醒来”而进入“活跃”状态 也具有非常重要的意义。 而当信道出现冲突时，i e e e8 0 2 1 ld c f 采用如下方法实现冲突避免： ( 1 ) 当一个节点，如a 有数据需要发送时，如果信道忙，或者即使信道空 闲，但是空闲时间小于d i f s ( 即从a 有数据需要发送的时刻开始，在d i f s 时间间 隔内，信道重新由空闲状态转变为忙状态) ，那么a 不发送数据帧而处于等待状 态，直到信道再次空闲，并且空闲时间达蛰j d i f s 时，a 开始进入退避阶段。8 0 2 1 1 标准采用如下的方法确定后退时间长度：首先将时间分成离散的时隙( s l o t ) ，并 将3 2 个时隙组成一个最小的竞争窗i c w m i n ，然后从o 3 1 个整数中随机选择出 一个数，如n 。那么，a 的后退时间为n 个时隙。在后退阶段，如果信道每次空闲 的时间间隔的长度达到一个时隙，则a 将n 的值减1 ；如果信道变成忙状态，则a 停止后退，保存此时的n 值，等待下一次信道空闲，并且空闲的时间间隔达到 d i f s ，然后再后退剩余的n 个时隙。当n 的值减d , n o 时，a 2 - 发送d a t a 帧( 基本 接入方案) 或r t s 帧( r t s c t s 方案) 。当a 发送d a t a ) 舌在s i f s 时间间隔后没有收 至u a c k ，或者发送r t s 后在s i f s 时间间隔后没有收至 j c t s ，那么a 需要重发d a t a 或r t s 。此时a 利用二进制退避算法来计算新的竞争窗口大d , c w ，然后利用上述 的规则从0 c w i 中随机选择一个数，进行退避。8 0 2 1 1d c f 定义的c w 的最小值 1 0 硕士学位论文第= 章自组织舟络的信道接入协议 为c w 。( 3 1 个时隙) ，最大值为c w 。( 1 0 2 3 个时隙) 。如果a 重发了7 次r t s 或4 次d a t a ，那么它将丢弃需要发送的o a t a * 贞。通过这种冲突避免机制可以减小多个 等待信道空闲且有帧需要发送的节点之间同时发送信号而造成冲突的可能性。 ( 2 ) 另一方面，当一个节点，如节点a 有数据需要发送时，如果信道空闲， 并且空闲时间达到d i f s 时，a 直接发送该数据，而不进入冲突避免阶段。因为 r t s c t s 方案比基本方案更加广泛地应用于自组织网络中，所以本章仅仅考虑 方案。 2 。3i e e e8 0 2 1 1m a c 协议存在的问题 文献【3 3 】的研究结果表明，在基于i e e e8 0 2 1 lm a c 协议的多跳自组织网络 中，系统吞吐量下降，并引发了严重的t c p 不公平和不稳定性现象。这主要是 由于i e e e8 0 2 1 1m a c 协议本身并不是针对多跳网络而设计的。具体来说，该 协议存在以下缺陷： ( 1 ) 隐终端问题 在w l a n 的环境中，所有的节点都位于a p 的传输范围内，各个移动终端 仅和a p 直接通信。因此，在这种环境下，当采用r t s c t s 方案后，隐藏节点， 即位于发送端的干扰范围外而在接收端的干扰范围和接收范围内的节点都可以 收到a p 节点发送的c t s 帧，从而进行合理的退避等待直到信道空闲。但是， 自组织网络节点的分布范围广，数据流形式的多样性无法满足单跳全连通的条 件，隐终端问题出现的概率将大大增加。 ( 2 ) 显终端问题 i e e e8 0 2 1 im a c 协议没有解决显终端问题，降低了信道复用的概率。所谓 显终端，就是指位于发送端的干扰范围内而在接收端的干扰范围和接收范围外的 节点。 ( 3 ) 载波检测加剧了隐，显终端问题 i e e e9 0 2 1 1 的m a c 协议是建立在载波检测基础上的。但是在载波检测无 线网络中，节点的检测( 干扰) 范围通常大于它们的通信范围。干扰范围越大， 隐藏节点问题越严重；检测范围越大，显终端问题更严重。 ( 4 ) 不公平性 二进制退避算法更有利于最近发送成功的节点，而往往造成发送失败的节点 连续不利，使节点间存在明显的不公平。事实上，即使在单跳网络中，这种不公 平性仍然存在。 硕士学位论文 第二章自组织舟络的信道接入协议 2 4 相关解决方案 由于i e e e8 0 2 1 1 协议造成多跳网络中的吞吐量性能急剧下降，一系列的文 献针对这个问题提出了相关解决方案。 文献 4 3 】指出在多跳网络中二进制指数退避算法( b e b ) 造成节点退避等待时 间过长或过短，因此提出采用两个固定退避窗口值1 2 8 和2 5 6 替代了b e b 中指数 增长的退避方法。这种方案虽然可以减小多跳网络中节点问的竞争，但将退避窗 口固定在一个较大值却不适合变化的网络环境，协议的可扩展性不高。 l i n kr e d 4 4 1 从m a c 协议寻求多跳无线网络中t c p 协议的解决方案。文中指 出，在无线多跳网络中，t c p 窗口增长过快，导致数据包丢失引起的吞吐量下降。 因此，l i n kr e d 将m a c 层的重传次数作为衡量网络拥塞的标志，当重传次数大 于上限m a x _ t h 时，结合e c n 机制显式丢包，降低了数据包的冲突概率，提高了 t c p 的吞吐量性能。 文献 4 5 ，4 6 采用自适应调节发射功率的方案，采用较小的可以覆盖接收节 点的功率发送数据包，通过降低信号的覆盖范围减少了显终端出现的概率，特别 是在节点密集的网络环境中，这种方案能有效的增大频率空间复用度，提高网络 总的吞吐量性能。然而这种方案依然无法解决隐终端问题。 文献 4 7 ，4 8 认为由于多跳造成节点的竞争域相互交叠，以c s m a 为代表的 采用随机接入方式的协议已不太适合。因此文献 4 8 】设计了一种新的分布式 t d m a 协议与原有的c s m a 相结合，以提高信道的利用率。分布式t d m a 协议 的提出也成为自组织网络中一个新颖而富有挑战性的研究热点之一。 s e e d s l o t t e d - c h a n n e l h o p p i n g ( s s c m 算法1 4 9 是一种m u l t i c h a n n e l s i n g l e - t r a n s c e i v e r m a c 方案。这是一种多信道方案，但采用了单收发器在硬件上 更容易实现，造价也低。这种方案需要采用类似于文献【2 6 】中提出了虚m a c 协 议，来实现不同节点间信道的协调使用。 文献【5 0 】将信道分配和路由协议结合起来，基于邻域的流量信息实现了一个 分布式的信道分配协议。b f s c a 协议【5 1 通过冲突预测，为每个电台动态的分配 信道，降低信道冲突，提高网络容量。文献 5 0 ，5 1 都是一种典型的多信道解决 方案。随着电台技术的发展，关于多信道协议的研究也越来越多。 由于多跳造成信道冲突增大和复用性降低，自组织网络的m a c 研究显得尤 为重要。目前针对多跳环境下m a c 研究的技术并不成熟，各国的学者分别从单 信道的m a c 协议改进，单信道下的跨层研究，新的接入方案分布式t d m a 协议以及多信道解决方案等多角度对自组织网络的m a c 层进行了研究。这些解 决方案都从不同的角度实现了某些特定环境下的性能改进，并取得了一定的效 果。鉴于i e e e8 0 2 1 1 产品的广泛应用和单信道产品的普遍使用，本文主要研究 1 2 硕士学位论文第二章自组织网络的信道接入协议 了单信道环境下，i e e e8 0 2 1 l 协议在自组织网络中的性能分析和协议改进。 2 5 主要性能指标 无线介质访问控制协议的性能主要表现在对带宽的需求、功率消耗、终端竞 争程度、信息传送延时以及网络连通性等几个方面。由于本文侧重于i e e e8 0 2 1 l 协议在自组织网络中的性能研究，因此，本文主要选取了三个性能指标用于衡量 i e e e8 0 2 1 1 的性能，即系统有效吞吐量、系统平均延时和流与流之问的公平性。 ( 1 ) 系统有效吞吐量：单位时间内，所有终端成功接收的数据量之和。它是 衡量无线接入单元系统性能的最主要指标。 ( 2 ) 系统平均延时：终端问通信的平均延时，具体指从应用层产生一个数据 包后到数据包被日的终端成功接收的平均时间。它主要是用来衡量发送终端获取 无线信道的接入时间和数据帧在无线信道中传送的时间。它在实时网络应用中是 一个非常重要的性能指标。 ( 3 ) 流与流之间的公平性：为了衡量网络中的数据流的公平性，本文采用了 j a i n s 公平指数1 5 2 】衡量公平性。j a i n s 公平指标定义如下： 2 6 小结 孙护甚一， 本章首先介绍了自组织网络中信道接入协议的研究现状，然后根据当前实际 的硬件发展水平，重点介绍了单信道中普遍使用i e e e8 0 2 1 1d c f 标准。但由于 8 0 2 1 ld c f 协议起初是针对w l a n 环境设计的，因此