（通信与信息系统专业论文）ieee80211mac协议研究与改进隐蔽终端与暴露终端解决方法.pdf

f z 气一广卜 l l l l l l liiiiiii ii i1111i l li i i i i l ljill y 18 15 5 4 1 独创性声明 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。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二举牛日期：与，。年，2 月岛日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名丝墨 导师签名：望2 臣! 圭i 日期：与i o年f 1 月2 弓日 ，1 摘要 摘要 无线局域网( w l a n ) 具有传统有线网络不可取代的优势，逐渐成为接入网 发展的一个主要方向。长期以来，一种无中心的自组织网络 m a dh o c 网络受到 广泛关注。这种无基础设施的对等无线网络比典型的a p 模式无线局域网更适用于 军事、救灾、会议等临时性的无线通信场合。a dh o c 网络多跳、无中心等特点也 给网络的高效利用带来了挑战。隐蔽终端和暴露终端问题就是严重影响a dh o c 网 络性能的主要问题。目前主要有功率控制、双信道或多信道、定向天线等解决方 法，但都存在不足需要大力改进。本文针对a dh o c 网络中的隐蔽终端和暴露终端 问题提出了两个改进协议。 针对隐蔽终端问题，本文主要研究基于功率控制的解决方法。分析了典型的 功率控制协议- - - - b a s i c 协议和p c m 协议，指出了其不足之处，并提出一种改进 的m a c 协议一a p c m 协议。a p c m 通过改变c t s 帧的发射功率来编码控制帧 中的d u r i d 字段，使处于载波侦听带中的节点也能获悉信道中将要进行的传输的 时间信息，从而正确的设置自己的n a v 值来退避，避免了干扰。a p c m 协议还通 过动态调节节点的载波侦听范围，更好的解决了隐蔽终端问题。 对于暴露终端问题，本文主要研究了单信道并行传输协议。分析了目前的 m a c a p 协议，找出其不足之处，提出了一种改进协议一c m a c a p 协议。 c m a c a p 通过对首发节点对周围区域更细致准确的划分，更好的避免了节点之间 通信的冲突。c m a c a p 还加入了功率控制，解决了多个从发节点对的通信对首发 节点对的累计干扰问题。 本文提出的两个协议都在原有协议的基础上做了改进。软件仿真证明了新协 议提高了网络的吞吐量并减小了网络传输时延。两个改进协议解决隐蔽终端和暴 露终端问题是有效的。 关键字：a dh o c ，隐蔽终端，暴露终端，载波侦听，功率控制 _、f j t j a b s t r a c t a bs t r a c t i ns o m er e s p e c t s ，t h ew i r e l e s sl a ni sm u c hb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a ll o c a la r e a n e t w o r k , a n di th a sb e e nt h em a i nd i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fa c c e s sn e t w o r k s t h r o u g h o u tt h ey e a r s ，as e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k 谢也n oi n f r a s t r u c t u r eh a sd r a w nm o r e a n dm o r ea t t e n 廿o n a dh o cn e t w o r k a dh o cn e t w o r ki sm o r es u i t a b l et ot h em i l i t a r y , r e l i c m e e t i n g s ，e t c b u ta dh o ci sam u l t i - h o pn e t w o r k 谢t 1 1n oi n f i ? a s t r u c t u r e ，t h e s e c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e c o m et h em a i nc h a l l e n g e so fa dh o cn 咖o r k h i d d e nt 睨- m i n a l a n de x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e ms e r i o u s l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fa dh o cn e t w o r k a t p r e s e n t , t h e r e a r es o m es o l u t i o n s s u c h a s ：p o w e rc o n t r o l ，d o u b l e c h a n n e lo r m u l t i c h a n n e la n dd i r e c t i o n a la n t c n n & a c c o r d i n gt ot h eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ，t h i sp a p e r sm a i n l yr e s e a r c hb a s e do n t h ep o w e rc o n t r o ls o l u t i o n s a n a l y s e st h ec u r r e n tt y p i c a lp o w e rc o n t r o lm a c p r o t o c o l s b a s i cp r o t o c o la n dp c m p r o t o c o l ，a n dp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c y , a n dp u t sf o r w a r da n i m p r o v e dm a cp r o t o c o l a p c mp r o t o c 0 1 b yc h a n g i n gt h et r a n s m i tp o w e ro ft h e c t sf r d m ct oc o d i n gt h ed u r i df i e l d , w h i c hm a k e st h es t a t i o n sw i t h i nt h ec a 币e rs c r n s e z o n ec a na l s oa w a r eo ft h et r a n s m i s s i o ni nt h ew i r e l e s sc h a n n d t h r o u g hi t sn a vt o c o n c e x t c ，a v o i di n t e r f e r e n c e b yd y n a m i ca d j u s t i n gt h ep h y s i c a lc a r r i e rs e n s i n gt h r e s h o l d , a p c ms o l v e dt h eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e mb e t t e r t oe x p o s e dt e r m i n a l sp r o b l e m ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h e s i n g l e c h a n n e l p a r a l l e lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l s a i d e ra n a l y s i st h ep r e s e n tp r o t o c o l s ，p o i n t i n go u tt h e s h o r t c o m i n g s o fm a c a pp r o t o c o l ，t h i sp a p e rp r o p o s e da l li m p r o v e dp r o t o c o l c m a c a - pp r o t o c 0 1 c m a c a - pd i v i d e dt h es u r r o u n d i n ga r e ao ft h em a i nn o d e sm o r e m e t i c u l o u s ，w h i c hi si m p o r t a n ti na v o i d i n gc o n f l i c tb e t w e e nt h en o d e s p o w e rc o n t r o li s a l s ob e 既u s e di nc m a c a - p t h i si se f f e c t i v ei nr e s o l v i n gt h ec u m u l a t i v ei n t e r f e r e n c e t h et w op r o t o c o l sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e rt os o l v et h eh i d d e nt e r m i n a la n d e x p o s et e r m i n a lp r o b l e m s ，a n dt h e ya r eb e t t e rt h a nt h ef o r m e rp r o t o c o l s t h en e w p r o t o c o l sb r i n gah i g h e rn e t w o r kt h r o u g h p u ta n dal e s st r a n s m i s s i o nd e l a y f i n a l l y , t h r o u g ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h en 鲫a g r e e m e n t k e yw o r d s ：a dh o c ，h i d d e nt e r m i n a l ，e x p o s e dt e r m i n a l ，c a r t i e rs s c ，p o w e rc o n t r o l n ， f lrf、l 目录 目录 第一章绪论”00 0 0 0 0 0 0 0 0 q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 一一l 1 1无线局域网与a dh o c 网络1 1 2a dh o c 网络的结构与特点2 1 3a dh o c 网络标准”6 1 3 1 蓝牙技术b l u c t o o t h 。6 1 3 2h y p e r l a n 2 标准6 1 3 3i e e e8 0 2 1 1 标准6 1 4a dh o c 网络的研究7 1 5 论文组织结构8 第二章a dh o c 网络m a c 协议分析 2 1m e e8 0 2 1 1m a c 协议分析1o 2 1 1 无线介质接入方式概述l o 2 1 2c s m a c a 协议1 1 2 2 隐蔽终端与暴露终端问题“1 5 2 2 1 隐蔽终端问题16 2 2 2 暴露终端问题”1 6 2 3 目前解决方法17 2 3 1 隐蔽终端与暴露终端问题的解决方法1 7 2 3 2 基于功率控制的m a c 协议1 9 2 3 3 单信道并行协议2 5 2 4 本章小结2 8 第三章a p c m 一改进的自适应功率控制m a c 协议 2 9 3 1 问题分析”2 9 3 2a p c m 协议”3 4 目录 3 3 仿真分析3 6 3 3 1 网络性能比较参数确定3 7 3 3 2 仿真场景设计3 8 3 3 3 仿真结果分析3 9 3 3 4a p c m 协议评价”4 0 3 4 本章小结4 1 第四章 c m a c m p 一改进的单信道并行m a c 协议 4 2 4 1m a c a p 协议的不足4 2 4 1 1m a c a p 协议中的无线信道模型“4 2 4 1 2 累计干扰4 3 4 2 一种新的单信道并行通信协议- - - - - - c m a c a p 一4 4 4 3 仿真分析4 7 4 3 1 仿真场景设计一4 7 4 3 2 仿真结果及分析”4 7 4 4 本章小结”4 9 第五章结论与展望一”一一一一一一一5 0 5 1工作总结5 0 5 2 后续工作展望5 0 致谢5 2 参考文献一一一一一一一一一一一一一一一5 3 攻硕期间的研究成果 i v l 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 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4 _ 1 图4 _ 2 图4 - 3 图4 _ 4 图4 - 5 图目录 w l an 2 有中心网络4 a dh o el 网络4 8 0 2 1 1 信道接入方式”1 1 c s m c a 信道接入机制”1 2 r t s c t s 和n a v 设置一15 隐蔽终端与暴露终端1 6 信道分割18 节点的传输范围和载波侦听带2 1 b a s i c 协议中的n a v 设置2 2 载波侦听带对i e e e8 0 2 1 1 协议的影响2 3 p c m 协议发射功率变化示意图2 4 m a c a - p 协议分析2 6 m a c a - p 协议并发通信示意图“2 7 传输范围、干扰范围与载波监听范围”2 9 载波侦听范围小于干扰范围3 2 载波侦听范围大于节点的干扰范围3 2 a p c m 协议分析”3 3 a p c m 协议中的发射功率3 5 a p c m 协议流程图3 6 网络吞吐量3 9 系统的功率消耗4 0 无线信道分析模型”4 2 多个从发节点对累计干扰的影响4 4 c m a c a p 协议分析模型4 4 吞吐量比较4 8 传输时延比较”4 8 v ， 1_，f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网与a dh o c 网络 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl 0 谢a r e an e t w o r k ) 是一个近年来发展迅速的 领域，为人们的生活带来了便利。w l a n 是一种计算机网络与无线通信技术相结 合的产物。它利用无线通信技术，通过经过调制的电磁波传输和接收数据，取代 由双绞线、电缆、光纤等为传输介质的有线局域网，提供了文件传输、w e b 浏 览、收发电子邮件和数据库访问等传统有线局域网的所有功能。无线局域网络的 用户能够利用它，更加方便、随意的接入i n t e r n e t 。w l a n 不仅可以克服线缆限制 所引起的不便，解决某些特殊区域无法布线的问题，还可以实现许多新的应用。 无线局域网最适合的用途是游牧接入( n o m a d i c a c c e s s ) 。与大范围的快速移动接 入不同，游牧接入指的是在小范围内的慢速移动接入。a dh o c 网络是w l a n 的一 种特定应用【1 1 ，指的是一种小型的对等网络，特别适用于临时性的工作组网络。 “a dh o c 一一词来源于拉丁语，意思是“专用的，特别的 ，是无线局域网的前 期研究中形成的一个术语。a dh o c 网络的主要特点是一种无中心的对等网络，所 有站点地位平等。 a dh o c 网络是由分组无线网( p r n ，p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 发展而来。2 0 世纪 7 0 年代，美国d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 启动了分组无线 网的研究，主要作为军事通信领域在战场的复杂环境下数据通信的手段【2 j 。a d h o c 网络比传统基于a p 模式的w l a n 更加灵活机动，适应环境的能力更强等特 点吸引了广泛的关注，甚至引发了a dh o c 研究热潮，越来越多的研究机构和设备 厂商开始参与到a dh o c 网络的标准制定过程之中。9 0 年代初，i e e e8 0 2 1 1 标准 委员会使用“a dh o c 一这一名称来定义这种新型的对等式网络p 】。1 9 9 7 年， i n t e r a c t 工程任务组( 压t f ，i n t c r n e te n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 成立了m j 心汜t ( m 0 b i l e a d h o c n e t w o r k s ) ，专门负责开发a d h o c 网络的相应标准。 a dh o c 网络主要应用于军事领域、临时通信需求、无线传感器网络等方面。 在战场上，一般没有基站等基础设施，通信节点也可能随机移动，随时可能有新 的节点加入通信或者节点被摧毁。a dh o c 网络可以快速展开、自组织，是数字化 电子科技大学硕士学位论文 战场通信的主要手段。随着笔记本电脑、手机、p d a ( 个人数据助理) 等便携式 移动设备的普及，这些设备之间的数据通信也可以通过组建a dh o e 网络来完成。 在基础设备遭到破坏或者难以建立基础设施的情景下，比如地震灾区、偏远山 区，a dh o e 网络能够快速建立通信。近年的研究热点无线传感器网络( w s n ， 喇懿ss e n s en e t w o r k s ) 也是一个典型的多跳无线网络，w s n 中的节点组成a d h o e 网络可以完成传感器节点与控制中心之间的数据传输。 1 2a dh o c 网络的结构与特点 无线网络的构架形式是多样的，但其基本的组成元素都是无线介质( w i r e l e s s m e d i u m ，w m ) 、站点( s t a t i o ns t a ) 、接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 和分布式 系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 这几部分n 1 4 1 。如图1 1 所示。 5 - y 布 式 系 统 念 s t a 念 s t a 念， s t a 图1 1w l a n w m ：w l a n 中的无线传输无需任何介质，无线介质是为了方便讨论，在 i e e e8 0 2 1 1 标准中使用的一个术语。目前被广泛应用于数据传输的无线信道频段 为：2 4 ( 3 h z 一2 4 8 3 5 g h z ，5 7 2 5 g h z 一5 8 2 5 g h z 5 】。可见无线频谱资源十分 有限，而且这是一种不可再生的宝贵资源。 无线介质中的传输与发生在有线介质中的传输有着明显不同的特征g 无线介质具有广播特性但不能简化为总线型模型，无线介质的广播是限定 在站点的传输范围内，有线网络的广播则没有传输范围限制，整个局域网就是一 2 第一章绪论 个广播域【6 1 。 覆盖范围内缺乏全连通性，不一定每两个站点之间都能直接通信。某些传 输可能需要中间节点中继转发。 比起有线介质，无线介质中的传输更容易受到干扰。 网络的拓扑结构经常动态变化。由于站点的物理移动和干扰、建筑物遮挡 等引起的信号强度变化的逻辑移动，使得节点之间的连通性变化。 o s t a ：是指需要接入无线介质的部分，也叫做站点、节点、主机( h o s t ) 或终端( t e r m i n a l ) ，网络的数据传输就是在s t a 之间进行的，我们把连接在无线 局域网中的设备称为站。s t a 可以是移动的，也可以是固定的。每个i e e e8 0 2 1 1 s t a ( 包括a p ，因为a p 也具有站点功能) 都提供s s ( s t as e 州c c ) 。 无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 可把a p 看作是用于无线网络中的无线交换 机，相当于一个集中控制设备，也是无线网络的核心，覆盖距离几十米至上百 米。它主要提供无线s t a 对有线局域网和从有线局域网对无线站点的访问，在访 问接入点覆盖范围内的无线站点可以通过a p 进行相互通信。 无线网络的组成元素大致相同，网络的结构分为两种：有中心网和无中心 网。 有中心结构的网络也称为有基础设施网络，其特点主要表现在网络易于扩 展、便于集中管理、能提供用户身份验证服务等，另外数据传输性能也明显高于 分布式对等结构【刀。与分布式对等网络不同的是，站点之间的通信必须在a p 的支 持下完成。有中心网的优点很多，缺点在于一旦中心站点( a p ) 无法工作，整个 网络都将受到影响。 3 电子科技大学硕士学位论文 墨食 食q is t 、- 一 、：岁 s i a 、 m s 和 - ，- - 一- - - ，_ - - - - ， 一，。，一一- 。_ i - 、， ， ?q。岁 ? i： 金会夕 一蒜 、m 鼬 ， 一一- 4 第一章绪论 无线数据网络通常可以分为无中心网与有中心网、单跳网与多跳网。网络中 存在一个中心节点，称为有中心网，否则为无中心网。单跳网与多跳网的区别在 于网络中的无线站点之间在传输数据分组时是否可以经过中继节点多跳转发，无 线站点之间直接发送的称为单跳网，经中继节点多跳转发的称为多跳网。a dh o e 网络一般定义为无中心的、多跳自组织网络。a dh o e 网络中，所有无线站点在网 络拓扑中的地位平等，不存在中心节点。节点可以随时加入或者离开网络，不会 影响整个网络的运行。各节点通过分布式算法协调各自的行为，能快速的建立一 个自组织网络，所以a dh o e 网络的抗毁性很强。 存在单向无线信道 所谓单向信道就是：无线站点a 能覆盖b ，而b 不能覆盖a 。这是由于网络 中各节点的发送功率不同，传输范围也就不一样；或者是由环境、建筑物遮挡等 原因也能引起单向信道问题。 网络拓扑结构动态变化 a dh o e 网络中的节点会随机移动( 物理移动或者逻辑移动) ，正在通信的节 点对之间可能加入新的节点，也可能因为节点移出了通信范围使链路断开。无线 信道之间还会相互干扰，各种地形、建筑物等环境因素也会使网络拓扑发生改 变。 网络中的多跳路由 a dh o e 网络中不一定有专门的路由设备。一般在a dh o e 网络中，节点除了具 备普通节点的收发功能外，还需要进行中继转发。节点负责网络路由的形成与维 护。数据传输的节点对之间不一定能直接通信，当一方处于另一方的发送范围之 外时，需要中间节点的转发，数据分组需要多跳才能到达目的站点。 能量有限 a dh o c 网络的节点为了便于部署与携带，一般都是依靠电池供电。特别是无 线传感器网络中的节点，需要尽可能长的延长节点的工作时间。因此，如何节省 节点能量是a dh o c 网络协议设计的一个重要方面。 a dh o c 网络的这些特征都与传统的基于基础设施的w l a n 有着显著的不同， 深刻影响了a dh o e 网络协议的设计。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3a dh o c 网络标准 为了让无线网络技术能够被广泛接受和使用，就需要建立一种统一的标准， 以确保各厂商生产的设备都能具有一定的兼容性与稳定性。这些标准定义了无线 通信的物理层( p n v ，p h y s i c a ll a y e r )及介质访问控制层( m c ，m e d i aa c c e s s c o n t r o ll a y 哪各种规范。w l a n 的标准有多个，例如：i e e e8 0 2 1 1 、h i p 矗l a n 、 b l u c t o o t h 等。其中应用最为广泛、最权威的标准是i e e e8 0 2 1 1 系列标准。 1 3 - l 蓝牙技术b l u e t o o t h 蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1 9 9 4 年就已进行研发。1 9 9 8 年 2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、m m 、东芝及i n 词组成了一个特别 兴趣组( s i g ， s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ，他们共同建立了一个全球通用的小范围 无线通信技术，即现在的蓝牙【8 】。 蓝牙是一种支持设备短距离通信( 一般1 0 m 内) 的无线电技术。能在包括移 动电话、p d a 、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息 交换。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点 通信，工作在全球通用的i s m ( 即工业、科学、医学) 2 4 g h z 频段。 1 3 2h y p e r l a n 2 标准 h y p e r l a n i - i y p e r l a n 2 标准是2 0 世纪9 0 年代欧洲在无线局域网标准化进程 中的成果h y p e r l a n 是欧洲电信标准化协会( e t s i ，e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s f i t u t e ) 带1 定的标准，分别工作在2 4 g h z 和5 g h z 不同的波段中。h y p e r l a n 使用c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 技术；而 h y p e r l a n 2 采用w i r e l e s sa t m 的技术，因此也可以将h y p e r l a n 2 视为无线网络 的a t m ，采用5 g h z 射频频率，传输速率为5 4 m b p s 。经过长时间的技术与市场的 竞争，i e e e8 0 2 1 l 标准打败了h y p e r l a n 标准，占据了无线局域网的主导地 位。 1 3 3i e e e8 0 2 1 1 标准 电子电气工程师协会( i e e e ， 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 c se n g i n e e r ) 是世界范围内电气电子领域最具权威的技术组织。i e e e8 0 2 委员是主管 6 第一章绪论 u 斟俸嗄a n 技术的委员会。 1 9 8 7 年，i e e e8 0 2 4 工作组就开展了对无线局域网信道访问的初期研究。但 事实证明，i e e e8 0 2 4 采用的令牌传输接入技术效率很低，i e e e 8 0 2 委员会放弃了 将令牌机制用于无线局域网的努力。 1 9 9 0 年，i e e e8 0 2 1 1 工作组成立，专门负责无线局域网领域的工作。经过7 年时间的努力，1 9 9 7 年，8 0 2 1 1 标准的第一个版本问世了。 1 9 9 9 年，发布了8 0 2 1 l 标准的修改版。这是一个编辑版本而不是一个正式 版，但多年来一直使用的就是这个“非正式”版本。 2 0 0 7 年6 月，i e e e 发布了8 0 2 1 1 的第二版标准，这是当前最新的正式标准。 当前的i e e e8 0 2 1 1 标准中只定义了单跳网，多跳网的多个标准正在制定中。 无线多跳网络是近年来研究的热点，8 0 2 1 1 和8 0 2 1 6 等工作组都在各自的新标准 中增补多跳网内容【i 】。 1 4a dh o c 网络的研究 由于a dh o e 网络的无中心、多跳、自组织等特性，传统的i e e e8 0 2 1 1 标准 不能很好的满足应用需求。目前a dh o e 网络的研究主要是物理层( p h y ) 、介质 接入控制层( m a c ) 和网络层的研究与改进，也有各种跨层协议的研究。物理层 的研究包括各种调制、编解码技术、发射接收天线技术等的研究。比如近年来的 研究热点：软件无线电、超宽带无线电技术、o f d m m m o 系统、智能无线 电、定向天线等技术，可以让无线局域网中的节点接收信号更加稳定，相互之间 的干扰也大大减小，同时也极大的提高了无线局域网的兼容性和互操作性。m a c 层的研究主要解决多个站点如何接入一个无线信道的问题，包括对无线信道的划 分和分配。信道划分一般采用时分、频分和码分和这些技术的组合。a dh o e 网络 的多跳和动态拓扑特性使得一般的接入技术效率很低，大多采用了随机接入多址 协议。同时又带来隐蔽终端和暴露终端问题，这是a dh o e 网络m a c 协议设计的 关键。a dh o c 网络的研究还包括网络层，负责邻居节点的发现、分组路由、拥塞 控制等功能。a dh o e 网络的路由协议一般分为表驱动路由协议和按需路由协议。 目前a d h o c 网络中的按需路由协议更能适应需求，典型的按需路由协议有a o d v ( a dh o e o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 、d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、 7 电子科技大学硕士学位论文 d y m o ( d y n a m i cm a n e t o n d e m a n dr o u t i n g ) 。a dh o c 网络的另一项重要研究 课题是网络的跨层设计。a dh o e 网络无中心、拓扑结构动态变化、节点资源有限 等特点在传统的网络体系结构协议栈下没有得到充分考虑，增加不同层之间的直 接通信，共享有效信息能更好的解决a dh o e 网络吞吐量和传输延迟等问题。 本文重点探讨a dh o c 网络的m a c 层协议，主要解决多个无线站点如何接入 同一个无线共享信道的问题。由前面叙述可知，a dh o e 是一种无中心的多跳自组 织网络，无线数据的传输不一定有全网连通性。这会带来两方面的问题：一方 面，无线信号的传输限定在信号的传输范围内，因此相距较远的节点可以同时使 用同一频率进行通信，这大大的提高了频谱资源的复用率，增加了网络容量；另 一方面，传输范围的限制使得发送站点的邻居节点有可能无法感知正在进行的通 信，如果这些邻居节点也发起通信，这会造成冲突，严重影响网络性能。而有的 节点因为感知到正在进行的通信而错误的推迟自己的发送，造成网络资源的浪 费。这就是隐蔽终端和暴露终端问题，也是本文研究的重点。 1 5 论文组织结构 第一章，介绍了a dh o e 网络的定义、网络结构、特点与研究方向。指出a d h o e 网络与传统无线局域网的区别在于无中心、多跳、自组织、能量有限等。隐蔽 终端和暴露终端问题是多跳无线网络的固有问题，必须加以解决。 第二章，介绍i e e e8 0 2 1 1 d c f 功能的实现，c s m a c a 协议的工作原理，以 及r t s c t s 握手机制的交互过程。详细分析了隐蔽终端和暴露终端问题产生的原 因和目前的解决方法。针对隐蔽终端问题分析了基于功率控制的m a c 协议 - b a s i c 协议和p c m 协议的工作原理，指出其不足之处；针对暴露终端问题分 析了单信道并行传输协议m a c a p 的原理，指出其不足。 第三章，根据b a s i c 协议和p c m 协议的不足，提出一种改进协议a p c m 协议。a p c m 通过对通信节点对周围区域的更加仔细的划分，更好的避免了冲 突，进一步减少了隐蔽终端，最后通过软件仿真验证了a p c m 协议在大大减少传 输功率的同时有效提高了网络的吞吐量。 第四章，根据m a c a - p 协议的不足，提出一种改进协议- - - - - c m a c a p 协 议，c m a c a p 考虑了多个从发节点对同时发起并行通信时的累计干扰，并且能 够根据网络的状态动态改变传输功率。经过软件仿真证明了c m a c a p 协议能有 8 篁二童笪垒 一 一_ _ 一 效的提高网络的吞吐量，减少传输时延。 第五章，总结全文工作，提出不足之处，指出后续的研究方向 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章a dh o c 网络m a c 协议分析 本章主要分析a dh o c 网络m a c 协议的工作原理，论述了隐蔽终端和暴露终 端问题产生的原因，以及现有的解决方法。首先介绍了基于功率控制的m a c 协 议- b a s i c 协议和p c m 协议，分析其不足之处；接着介绍了单信道并行通信协 议m a c a p 协议，分析其不足之处。 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议分析 i e e e8 0 2 1 1 标准中只定义了单跳网，这与a dh o c 网络多跳无中心的特性有些 不同。目前多跳网的标准还在制定之中【l 】，分析i e e e8 0 2 1 1 标准也能帮助我们理 解a dh o c 网络m a c 协议的原理。与有线局域网相比较，无线局域网面对的通信 环境要复杂得多。相应的，w l a n 的m a c 协议也比i e e e8 0 2 3 的m a c 协议复 杂得多。 一般使用覆盖范围来表示无线站点信号的传输范围。在w l a n 中，站点的 “覆盖范围”只是一个概念性的区域，实际上，并不存在一个边界清晰的静态覆盖 区。无线站点的电场分布是一个动态的三维图，电波广播时的空间强度分布是三 维递减，不是在边界上截然衰减的。在覆盖范围内的站点不一定能接收到无线分 组，而在覆盖范围外的站点也可能接收到无线分组。无线介质的这些特质对无线 局域网m a c 协议的设计有着深刻的影响【l 】。另外无线站点之间的通信由于站点移 动、信道变化等原因会受到影响，节点之间的相互干扰都是a dh o c 网络m a c 协 议设计时需要考虑的因素。 2 1 1 无线介质接入方式概述 与w l a n 的拓扑结构相适应，i e e e8 0 2 1 1 定义了两种访问控制功能：分布 协调功能( 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 ，d c f ) 和中心协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 9 1 。d c f 是i e e e8 0 2 1 1 提供的基本介质访问控制机 制。d c f 使用带冲突避免的c s m a ( c s m a c a ，c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 协议来协调多个无线站点对共享信道的争用，这是一个非常 复杂的协议。r t s c t s 握手交互机制作为i e e e8 0 2 1 1 标准中的选项，对于解决隐 1 0 第二章a d h o c 网络m a c 协议分析 蔽终端问题有重要意义。 p c f 建立在d c f 之上，提供了无争用服务。一个中心节点采用与轮询类似的 机制实现仲裁，实现多个节点的无争用接入。p c f 模式特别适用于无线局域网的 有中心模式【l o 】，由于诸多原因，p c f 模式未能得到普遍应用。 下图( 图2 1 ) 说明了i e e e 8 0 2 1 1 信道接入方式的分类。 一 图2 18 0 2 11 信道接入方式 2 1 2c s m n c a 协议 c s m a c a 是i e e e8 0 2 11 d c f 功能的基础，也是无线局域网m a c 层的主要 协议。主要目的是实现共享无线信道的高效率利用。 c s m a c a 协议的基本框架是： 站点有数据发送时，先侦听无线信道： 如果：无线介质空闲，立即发送数据； 否则：推迟发送，继续侦听信道，并启动随机退避； 如果：无线信道累计空闲时间到，发送数据； 如果：数据发送再次发生冲突，则c w ( 争用窗口) 加倍后并再次启动随机后 退； 如果：重发次数超过限定的值，放弃发送，退出c w 指数增长过程【1 】 1 1 1 。 电子科技大学硕士学位论文 d e s t n a t i o n r d t 瞥 b 刮 t j d 嘴 n a vh 竞争宙口 i 道 图2 2c s m a ，c a 信道接入机制 2 1 2 1 时隙 c s m a c a 是一种基于时隙的c s m a 协议。i e e e8 0 2 1 1 中时隙的概念是：在 一个b s s 内，若一个无线站点在某个时隙接入到了无线信道，在下一个时隙开始 的时候，其他站点都能检测出信道的忙状态，这个时间的长度就是时隙长度。 i e e e8 0 2 1 1 1 9 9 9 中对采用d s s s ( 直接序列扩频) 的p h y 规范而言，典型的时 隙为2 0 | is 。每个站点的发送只可能在时隙的起点，站点接入信道失败时也是在 时隙起点启动随机退避过程。 2 1 2 2 帧问间隔 分组信息的传输要有适当的时间间隔来保证前后分组不会重叠而相互干扰， 无线站点的接口电路进行收发转换、发射功率稳定、同步建立等动作都需要一定 的时间。因此每个站点在发送完成后，必须等待一段时间才能继续发送下一帧， 这段时间称为帧间间隔i f s ( i n t e r - f r a m es