（通信与信息系统专业论文）ad+hoc网络中采用定向天线的mac协议性能分析.pdf

南京邮电学院学位论文独创性声明 7 6 5 1 5 2 本人声明所呈交的学位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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：董委 e l m ： 研究生签名：廷孟 ： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：址导师签名；焯日期：之蚪：z - 5 0 摘要 随着a dh o e 网络研究的f j 益深入，以前提出的很多问题得到了解决。但 是仍有一些关键问题，虽然提出了很多方案，但是仍然没有彻底解决，共享无 线媒质的接入方案就是其中一个。近年来，一类崭新的应用定向天线的解决方 案开始成为研究的热点。 论文首先介绍了a d h o c 网络产生的背景以及它的结构特点等，阐述a dh o c 网络接入层普遍采用的i e e e 8 0 2 1 l 的接入机制的原理，和接入层的存在问题。 然后介绍了几种比较典型的m a c 层接入协议( 包括使用全向和定向天线两 类) ，并对他们的空间利用率进行了比较。论文使用3 状态马尔可夫链模型对 o r t s - o c t s ，d r t s d c t s 和d r t s - o c t s 三种天线的方案进行了吞吐量理论 分析，经数值计算得出都使用定向天线的方案( 即d r t s d c t s ) 能获得更高 的吞吐量。然后经过仿真，得出相近的结论。 a b s t r a c t a sa dh o cn e t w o r kr e s e a r c hg o e so n ，m a n yp r o b l e m sh a v eb e e nr e s o l v e d b u t t h e r ea r es t i l ls o m ek e yd i f f i c u l t i e s m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) i so n eo f t h e m n o w a d a y s ，ak i n do fm a cp r o t o c o lu s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a si sb e c o m i n gm o r e p o p u l a r i n t h i st h e s i s ，f i r s tt h eh i s t o r ya n dc o n c e p to fa dh o ci si n t r o d u c e d ，a n dt h e i e e e 8 0 2 11p r o t o c o li se x p o u n d e d s e c o n dt h ep r o b l e mi nt h em a c l a y e ro fa d h o cn e t w o r ki si n d i c a t e d t h i r ds o m et y p i c a lm a c p r o t o c o l su s i n go m n i d i r e c t i o n a l a n t e n n ao rd i r e c t i o n a la r ee x p m i m e da n dc o m p a r e d f o ra n a l y z i n gt h ep r o t o c o lu s i n g d i r e c t i o n a la n t e n n a ，w ea d o p tt h r e es t a t e sm a r k o vc h a i nm o d e l a n dt h r e es c h e m e s o fa n t e n n a sa r e a n a l y z e d i nd e t a i l ：o r t s o c t s ( o m n i d i r e c t i o n a l r t s o m n i d i r e c t i o n a lc t s ) d r t s d c t s ( d i r e c t i o n a lr t s d i r e c t i o n a lc t s ) a n dd r t s - o c t s ( 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 ) b yc o m p u t a t i o nw e c a nr e c e i v et h et h r o u g h o u ti nt h e o r y f r o mt h er e s u l t sw ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a t d r t s d c t sc a i lg i v et h em o r et h r o u g h o u t w em a d es i m u l a t i o n so ft h et h r e e s c h e m e s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h et h r o u g h o u tb ys i m u l a t i o nc l o s e st ot h e t h r o u 【g h o u ti nt h e o r y 4 第一章a dh o c 网络概述 1 1a dh o c 网络的概念 无线网络可根据其结构分为有中心网络( i n f r a s t r u c t u r e dn e t w o r k ) 和无中 心网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 。在有中一i l , 网络中，移动用户通过固定的 基站进行通信，如商用移动通信系统。 a d h o e 网络是由若干节点组成，各节点既是终端又是路由器，它们是对等。 该网络是一种无中心的网络。它指的是一种工作在无固定结构环境下的自组织 的无线移动网络，即m a n e t ( m o b i l e a d h o c n e t w o r k ) 。m a n e t 是自组织的， 因为它几乎不需要手工配置和维护使网络内的节点工作在一起，一个m a n e t 完全可以有能力不用在路由层配置而自发地形成网络的结构。而且，路由层可 以根据节点的移动处理频繁的网络拓扑结构的重配置。m a n e t 网络是移动的， 即网络中的所有节点都可以完全自由的在空间中移动，在任何时刻，一个连接 模式的建立只依赖于各个节点的位置和它们收发器的覆盖范围。只要节点可以 提供不同的网络接口，m a n e t 就可以成为一个多种网络并存的异种网络。a d h o c 网络因其灵活变化性，有着广阔的应用前景，因此i n t e m e t 工程工作组( i e t f ) 也成立了m a n e t 工作小组专门从事对于m a n e t 研究和标准化移动无线网 络中的路由问题。 在a d h o c 网络中，既不需要一个固定的网络结构，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相当于一个移动的路出 器，这些节点作为同等实体相互连接，实现信息包的转发，它们都参与路由的 发现和维护过程，从而构成了一个a d h o c 网络。与有中心网络相比，a d h o c 网 络更唪固、更耐用，而且不需要提供固定的骨干设施，用户就可以布置和操作 分组无线网。因此，a dh o c 网络主要应用在军事上，以及一些紧急情况，如受 灾地区的通信、边远地区和勘探等场合的通信。 在a dh o c 网络中，每一个移动节点都有自己的无线收发器，使之可以在 一定范围内与其它节点通信，一个节点也可同时配备几个收发装置，使得它可 以连接在固定网络上，成为与固定网络联系的一个接口。除非采用了间接通信 机制，否则一个节点是无法与在其通信范围之外的其它节点通信的。节点间的 通信可以通过个节点链，链上的相邻节点是直接通信的，沿着这条链路数据 就可以以“多跳”的方式传输。因此所有节点都必须有能够路由和转发数据的 能力。a d h o e 网络可以不需在路由层手工配置，而是自发的建立连接。而旦， a dh o e 网络的路由层具备当节点移动导致拓扑结构变化时重新配置路由的能 力。图i i 表示了一种简单的a dh o c 网络。 圈1 - 1 一种简叩的a d h o c | 叫络 1 2a dh o e 网络历史 a d h o e 这个词来源于拉丁语，意思是“f o r t h i s ”，引申为“f o r t h i sp u r p o s e o n l y ”，即“为某种目的设置，特别的”的意思。说明它是一种有特殊用途的 网络。a dh o e 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 。早在1 9 7 2 年，美国d a r p a 就启动了分组无线网项目p r n e t ，研究在战场环境下利用分 组无线网进行数据通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高残存性自适应 网络项目s u r a n ( s u r v i v a b l e a d a p t i v e n e t w o r k ) ，研究如何将p r n e t 的研究 成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动 信息系统g l o m o ( g l o b l em o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目，旨在对能够满足 军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。 但是从2 0 世纪7 0 年代到9 0 年代早期，我们很难从公，i ：的出版物上获得有价 值的理论与技术成果。由于自组网可以广泛地应用于战场通信指挥与控制、警 察与医疗部门的抢险救灾、传感器网络、课堂教育等众多领域，其战略意义非 常重要。9 0 年代中期，随着一些技术的公y r ， a dh o e 网络丌始成为无线移 动通信领域一个公开的研究热点。于是乎成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1l 标 准委员会采用了“a dh o c 网络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。 过去a dh o c 网络主要用于战场和灾区这些无法或不便预先敷设网络设施 的场合。现在，随着新兴的无线技术如蓝牙等的成熟，a dh o c 网络的商用前景 也越来越被看好，各种便携设备如笔记本、移动电话、p d a 、m p 3 播放器的互 联成为可能。目前a dh o c 网络尚未达到完全实用阶段，大部分工作仍处在仿 真和实验阶段，仿真实验规模在数百至数千节点，实验规模在几十个节点疋朽。 还有许多急待解决的问题。下面将逐步讲述到。 1 3a dh o c 网络特点 a dh o c 网络是一种有特殊用途的对等式网络，使用无线通信技术，网络中 的节点互相作为其邻居( 在其直接通信范围内的节点) 的路由器，通过节点转 发实现节点间的通信。它又被称为多跳网络( m u l t i h o pn e t w o r k ) 、无固定网 络设施的网络或自组织网络( s e l f _ o r g a n i z e dn e t w o r k ) 。 a d h o c 网络是没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动 主机构成。在a dh o e 网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时， 它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较 远的主机要进行通信，则需要通过它们之问的移动主机的转发才能实现。因此 在a dh o c 网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。 在a dh o c 网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成， 数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故a dh o c 网络也被称为多跳无线 网络。 a dh o c 网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在a dh o c 网络中， 使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便 携式计算机、个人数字助理( p d a ) 等移动终端设备。a d h o c 网络不同于目前 i n t e m e t 环境中的移动i p 网络。在移动i p 网络中，移动主机可以通过固定有线 网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在a dh o c 网络中只存在无线 链路一种连接方式。在移动i p 网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的 支持爿能通信，在基站和基站( 代理和代理) 之间均为有线网络，仍然使用 i n t e m e t 的传统路由协议。而a dh o c 网络没有这些设施的支持。此外，在移动 9 i p 网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从 一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构而a dh o c 网络中移动主机 的移动将会导致拓扑结构的改变。 与其它传统通信网络相比，a dh o c 网络具有以下显著特点： ( 1 ) 无中心和自组织性：a dh o c 网络中没有绝对的控制中心，所有节点的 地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和 任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展丌并自动组网。由 于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点使得网络的健壮性 和抗毁性很好。 ( 2 ) 自动配置：自动配置是a d h o c 网络的基本特征，节点必须检测其它节 点以及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络 能够f 常工作，这涉及到连接i n t e r n e t 的网关节点的更换，簇头的更新等。在 网络形成阶段，节点可以就网络拓扑进行协商( 星形、环形、点到点、点到多 点、平面和分级) ，这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。 ( 3 ) 动态变化的网络拓扑：a dh o c 网络中，移动终端能够以任意速度和任 意方式在网中移动，并可以随时关闭，加上无线发送装置的天线类型多种多样、 发送功率的变化、无线信道日j 的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移 动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和 速度都难以预测。 ( 4 ) 受限的无线传输带宽：a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通信手 段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低 得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之 i 日j 干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。 ( 5 ) 移动终端的局限性：a dh o c 网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵 巧等好处，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、c p u 性能较低等， 从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于丌展 功能较复杂的业务。 ( 6 ) 安全性较差：a dh o c 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、分布式控制等技术，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。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全 1 0 措施都需要特别考虑。 ( 7 ) 网络的可扩展性不强：在目前i n t e r n e t 环境下，可以采用子网、无级域 问路由( c i d r ) 和变长子网掩码( v l s m ) 等技术，增强了i n t e m e t 的可扩展 性。但是动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于 一个a d h o c 网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在a dh o e 网络 环境中。 ( 8 ) 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，需要中问节点的转发。此外，a dh o c 网 络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是出专用的路出设备( 如路出 器) 完成的。 ( 9 ) 存在单向的无线信道：a dh o e 网络采用无线信道通信，由于地形环境 或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。 ( 1 0 ) 特殊的信道共享方式：传统的共享广播式信道是一跳共享的。而在 a d h o e 网络中，广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节 点可以听到。 ( 11 ) 供电问题突出：考虑到成本和易于携带，节点不能配备太多数量的发 送接收器，并且节点一般依靠电池供电。因此如何节省节点电源、延长工作时 间是个突出问题。 1 4a dh o e 网络的结构 下面从网络的横向拓扑结构和纵向分层来说明。 1 4 1a dh o e 网络的拓扑结构 ， 、 ，一一一一一、 图1 - 2 平面结构 a dh o c 网络的拓扑有两种：平面结构和分层结构。在图1 2 所示的平面结 构中，所有节点地位平等，所以成为对等式结构。分级结构中网络被分为簇， 每簇由簇头和多个簇成员组成。分级结构中，簇头负责簇间的转发。 j ，簇簇头同关 簇成员 图1 3 单频分级结构 分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种，如图1 3 和图1 4 所示。 单频分级只有个频率，所有节点使用同频率通信。只要网关的支持，就可 以实现簇头问通信。而多频分级中，不同级嘲采用不同频率通信。如图1 - 4 所 示频率1 用于簇头和簇成员间通信，而频率2 用于簇头问通信。 ：，热)：r p j 、l ，一，。 ：一、) 簇簇头 簇成员 图1 - 4 多频分级结构 平蕊结构比较简单，可以使用多条路径分担负荷。但是它规模受限，每个 节点需要维护大量路由信息。网络越大，路由维护开销越大。而分级结构的最 大优点就是扩充性好。可以增加簇的个数和级数来提高网络容量。分级结构也 有缺点维护分级结构需要复杂的簇头选择算法，经过簇头的选路不一定是最 佳路由。 分级结构其实就是无中心和有中心模式的混合体，可以吸取两种模式的技 术优势。虽然分级结构采用了簇头作为控制中心，但是簇头和簇成员是动态变 化的，节点仍是自组的。 1 - 4 2a dh o c 网络的分层结构 对应与i s o 七层协议对应，a dh o c 网络分层结构如图1 - 5 所示。 语音、数据、图像等高层应用上三层 无线t c p u d p 协议 传输层 表驱动路由按嵩驱动路由网络层 d s d v i w r pf s rs 1 a ra o d vd s rt o r as s rl a r 各种随机接入协议，包括m a c a 、m a c a w 、p a m a s 等链路层 可使用蓝牙、h i p e r l a n 2 、i e e e 8 0 21i 系列协议 物理层 a dh o c 网络的分层结构对应于o s i 的层次 图1 5a d h o c 网络分层结构 下面逐层进行简单介绍： 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，例如i e e e8 0 2 1 l 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。它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。 a d h o c 链路层开始采用i e e e 8 0 2 1 1 的c s m a c a 协议。后来为了解决它存在 的问题，又提出了很多改进的方案。其中包括m a c a ( m e d i u ma c c e s sc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 【l 】，m a c a w ( m a c a f o rw i r e l e s s ) 2 】、p a m a s ( p o w e r a w a r e m 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 ) 、f a m a s ( f l o o ra c q u i s i t i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、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 ) 、c a t a ( c o l l i s i o n a v o i d a n c et i m ea l l o c a t i o n ) 、r t m a c ( r e a lt i m em a c ) ，以及 基于p c d m 刖m u d 的m a c 层协议( 具有定位功能基于多用户检测的c d m a 系统的m a c 层协议) 等。 a d h o c 路出层协议主要分为两种：按路出表驱动的路由协议；按需驱动的 路由协议。按路由表驱动的协议有d s d v ( d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r ) 、w r p ( w i r e l e s s r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、f s r ( f i s h e y es t a t er o u t i n g ) 和 s t a r ( s o u r c et r e ea d a p t i v er o u t i n g ) 等。按需驱动的路由协议有a o d v ( a d h o co nd 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 ) 、 t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 、s s r ( s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g ) 和l a r ( l o c a t i o na i d e dr o u t i n g ) 等。 a dh o c 传输层借鉴有线网络的t c p u d p 方法，并进行修改，以适应无线 环境。传统t c p 丢包严重，所以需要对之进行改进。现已提出的有t c ps a c k 和t c p a s a c k 等。 a dh o c 应用层可以采用各种应用层协议，比如w a p 等。它需要承载传统 业务和无线数据业务。由于无线环境的影响，它需要考虑更多的实际情况，克 服更多的困难。 1 5a dh o c 网络的应用 a d h o c 网络的应用范围广泛，它的许多良好特性为它在民用和军事通信领 域占据一席之地提供了有利的依据。首先+ 网络的自组性提供了廉价而且快速 部署网络的可能。其次，多跳和中问节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范 围的条件下减少每个终端的发射范围，从而降低设计天线和相关发射接收部件 的难度，也降低了设备的功耗，从而为移动终端的小型化、低功耗提供了可能。 从共享无线信道的角度来看，a dh o c 网络降低了信号冲突的概率，提高了信道 利用率。从对使用者的保护来看，高功率的无线电波产生的电磁辐射对用户的 身体健康也有影响。另外，网络的健壮性满足了某些特定应用需求。它的应用 场合可以归纳为以下几类： ( 1 ) 军事应用：军事应用是a dh o c 网络技术的主要应用领域。因其特有的 无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字化战场通信的首 选技术，并已经成为战术互联网的核心技术。为了满足信息战和数字化战场的 需要，美军研制了大量的无线自组织网络设备用于单兵、车载、指挥所等不 同的场合，并大量装备部队。美军的近期数字电台n t d r 和无线互联网控制器 4 等通信装备都使用了a dh o c 网络技术。 ( 2 ) 传感器网络：传感器网络是a dh o c 网络技术应用的另一大领域。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，并且传感器的发射功率 很小。分散的传感器通过a dh o c 网络技术组成一个网络，可以实现传感器之 间和与控制中心之间的通信。这种网络具有非常广阔的应用前景。 ( 3 ) 紧急和突发场合：在发生了地震、水灾、火灾或遭受其它灾难后，固 定的通信网络设施都可能无法正常工作。此时a dh o c 网络能够在这些恶劣和 特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有重要意义。此外当刑警或 消防队员紧急执行任务时，可以通过a dh o c 网络来保障通信指挥的顺利进行。 ( 4 ) 偏远野外地区：当处于边远或野外地区时。无法依赖固定或预设的网 络设施进行通信。a dh o c 网络技术具有单独组网能力和自组织特点，是这些场 合通信的最佳选择。 ( 5 ) 临时场合：a dh o c 网络的快速、简单组网能力使得它可以用于临时场 合的通信。比如会议、庆典、展览等场合，可以免去靠线和部署网络设备的工 作。 ( 6 ) 动态场合和分布式系统：通过无线连接远端的设备、传感节点和激励 器。a dh o c 网络可以方便地用于分布式控制，特别适合于调度和协调远端设备 的工作，减少分布式控制系统的维护和重配置成本。a dh o c 无线网络还可以用 于在自动高速公路系统( a h s ) 中协调和控制车辆，对工业处理过程进行远程 控制等。 ( 7 ) 个人通信：个人局域网( p a n ) 是a dh o c 网络技术的又一应用领域， 用于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构建 虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用( m p 2 p ) 。考虑到电磁波的辐射问 题，个人局域网通信设备的无线发射功率应尽量小，这样a dh o c 网络的多跳 通信能力将再次展现它的独特优势。 ( 8 ) 商业应用：组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和 无线设备网络，开展移动和可携带计算以及无所不在的通信业务等。 ( 9 ) 其它应用：考虑到a d h o c 网络具有很多优良特性，它的应用领域还有 很多，这需要我们进一步去挖掘。比如它可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统 的覆盖范围，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，实现汽车和飞机等交通工具 之间的通信，用于辅助教学和构建未来的移动无线城域网和自组织广域网等。 1 6a dh o c 网络存在的问题 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，它的体系结 构、q o s 保障和应用等问题比较复杂并难以实现。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，因此需要为a dh o c 网络设计 专门的协议和技术。 ( 1 ) 信道接入技术：信道接入技术控制着节点如何接入无线信道，对 a dh o c 网络的性能起着决定性的作用。a dh o c 网络的无线信道不同于普通网络 的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信 道，它是多跳共享的多点信道。此外，a d h o c 网络还存在隐终端、暴露终端和 入侵终端等问题。目前m a c 层方面的研究主要集中在以下几个方面：一是接 入公平性研究；二是多跳情况下吞吐量的改善：三是设计能量效率高的m a c 协议：四是设计采用定向天线的m a c 协议等。其中定向天线的设计逐渐成为 热门。许多研究定向天线的论文涌现。有的是设计实际的定向天线系统，有的 则是分析定向天线的性能。近年来，定向天线的研究主要集中在方案的设计以 及各种天线的实现上。另外也有关于定向天线的缺点和临节点发现协议的研 究。现今，国内对这个方面的研究尚未出现。 ( 2 ) 路由协议：路由协议是a d h o c 网络的重要组成部分。要实现无线多 跳路由，必须要有专用路由协议的支持。i e t f 成立的m a n e t 工作组目前主 要负责a d h o c 网络i p 层路由的标准化工作。 ( 3 ) 网络体系结构：早期的a dh o c 网络主要是为数据业务设计的，没有 对体系结构作过多考虑，但是当a dh o c 网络需要提供多种业务和支持一定的 服务质量保障时，就应当考虑如何选择最为合适的体系结构，并需要对原有的 协议栈进行重新设计。 ( 4 ) 服务质量保证：a d h o c 网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。 随着应用的不断扩展，需要在a dh o c 网络中传输多媒体信息。多媒体信息对 带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量 保证。a dh o c 网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的 1 6 机制。它的研究至今仍是一个开放闽题。 ( 5 ) 广播和多播：由于a d h o c 网络的特殊性，广播和多播问题也变得非 常复杂，它们需要链路层和网络层的支持。目前这个问题的研究已经取得了阶 段性进展。 ( 6 ) 安全问题：a dh o c 网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻 击。因此，需要研究适用于a c th o e 网络的安全体系结构和安全技术。 ( 7 ) 网络管理：网络管理的范围较广，包括a dh o c 网络中的移动性管理、 地址管理、服务管理等。要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题。 ( 8 ) 能耗节省机制：可以采用自动功率控制机制来调整移动节点的功率， 以便在传输范围和干扰之间进行折衷i 还可以通过切换到休眠模式、采用能量 控制路由、使用功耗很小的硬件来减少节点的能量消耗。 1 7 论文安排 【3 p 9 研究了a dh o c 网络的接入性能，并提出了进一步研究的方向，包括 跳数的影响、采用定向天线、以及跨层设计等。本文延续了【3 的研究，考虑采 用定向天线的协议，以提高空i 、日j 利用率，降低冲突概率，改善接入性能。 由于以下对各个采用全向或定向天线协议的分析都是以i e e e 8 0 2 1 l 为基 础，并与之进行比较，所以第二章首先介绍i e e e 8 0 21 1 的d c f 机制。( 其实 i e e e 8 0 2 1l 也是现在a dh o c 网络实际采用的接入方案。) 然后在第三章中简 单介绍和比较已经提出的部分a d h o c 网络的m a c 协议。由于提出的各种m a c 协议比较多，很多都只是针对某方面进行的改进，本文只比较其中几种典型的 协议。然后第四章分析三种定向天线的性能。最后总结本文研究的成果，提出 往后进步研究的方向。 第二章a dh o e 网络m a c 层采用的方案 2 1i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网概述 由于a d h o c 网络m a c 层采用的是i e e e 8 0 2 1 1 的c s m a c a ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 机制，有必要介绍一下i e e e 8 0 2 1 1 协议，以及其中的c s m a c a 的原理。 2 1 1 无线局域网概述 目前，无线局域网技术主要有i e e e8 0 2 1 1 协议族、蓝牙b l u e t o o t h 、i r d a 、 h o m e r f 和宽带无线标准i e e e8 0 2 1 6 等几种。 ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1 协议族 i e e e 8 0 2 1 1 已经是无线局域网事实上的主要标准。 在无线l a n 中，8 0 2 1 l 指由i e e e 提出的协议族，它们是8 0 2 1 l ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 。i e e e 8 0 2 1 1 无线网络标准早在1 9 9 7 年颁布，当时规定了一些诸如 m a c 层功能、漫游功能、自动速率选择功能、电源消耗管理功能、保密功能 等：1 9 9 9 年无线网络国际标准的更新及完善，进一步规范了不同频点的产品及 更高网络速率产品的开发和应用，除原i e e e 8 0 2 1 1 的内容之外，增加了基于 s n m p ( 简单网络管理协议) 协议的管理信息库( m i b ) ，以取代原o s i 协议 的管理信息库。另外还增加了高速网络内容。i e e e 8 0 2 11 分i e e e 8 0 2 1 1 8 和 i e e e 8 0 2 1 1 b 。 i e e e 8 0 2 1 1 a 规定的频点为5 g h z ，用征交频分复用技术( o f d m ) 来调制 数据流。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。传输速 率为：1 到2 m b p s 。 i e e e 8 0 2 1 l b 工作于2 4 g h z 频点，采用补偿码健控c c k 调制技术。当工 作站之间的距离过长或干扰过大，信噪比低于某个门限值时，其传输速率可从 l1 m b s 自动降至5 5 m b s ，或者再降至直接_ 芋列扩频技术的2 m b s 及1 m b s 速 率。但是8 0 2 1 1 b 标准的速率上限为2 0 m b p s ，它保持对8 0 2 1 1 的向后兼容。 所有这些协议都以c s m a c a 为媒质共享策略，如果源需要发送数据时， 它必须检查传输媒质是否正在被别人使用，如果媒质未被别人使用，就发送数 据包：反之，源主机就必须等待一段时间，等至4 媒质空闲后才能够发送。源通 过不断发出r t s ( 准备发送) 包来检查媒质的占用情况，在目的主机返回c t s ( 可以发送) 包后，源主机就可以发送了。 i e e e 8 0 2 “e 及i e e e 8 0 2 1 1 9 是下一代无线l a n 标准。被称为无线l a n 标准方式i e e e 8 0 2 1 l 的扩展标准。所谓i e e e s 0 2 11 的扩展标准，是在现有的 8 0 2 1l b 及8 0 2 1 l a 的m a c 层追加了q o s 功能及安全功能的标准。制订标准的 工作由名为8 0 2 “e 及8 0 2 1 1 f 的工作组进行。追加q o s 功能，可以提高传输 语音数据和数据流数据的能力。另外工作组8 0 2 1l g 也随之成立，由它来探讨 扩展物理层标准i e e e 8 0 2 11 b ，使最高数据传输速度从目前的l1 m b s 提高到 2 0 m b s 以上。使用的频带与过去相同，仍为2 4 g h z 频带。 昌 节点 且 i 玺】2 - l8 0 2 1 l 无线局域网 i e e e 已经成立8 0 2 1 l n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准 8 0 2 1 1 1 3 。8 0 2 1 l n 工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，出8 0 2 1 1 9 工 作小组主席m a t t h e wb s h o e m a k e r 担任主席一职。该工作小组计划在2 0 0 3 年9 月召开首次会议。i e e e 8 0 2 1 1 n 计划将w l a n 的传输速率从8 0 21 1 a 和8 0 2 1 1 9 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为8 0 2 1 1 b 、 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 1 9 之后的另一场重头戏。和以往地8 0 2 1 1 标准不同，8 0 21 l n 协议为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) 。这样1l n 保障 了与以往的8 0 2 1l ab ，g 标准兼容。i e e e 8 0 2 11 n 计划采用m i m o 与o f d m 相 结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的 传输距离大大增加，可以达到几公里( 并且能够保障1 0 0 m b p s 的传输速率) 。 i e e e 8 0 2 1 1 n 标准全面改进了8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用 9 新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能，优化数据帧结构，提高网络的 吞吐量性能。 现在，我们常用的、技术成熟的是i e e e 8 0 2 1 1 b 。图2 1 即为采用i e e e 8 0 2 1 1 协议的无线局域网的例子。 ( 2 ) 蓝牙技术b l u e t o o t h 蓝牙系统和无线个域网( w p a n ) 的概念相辅相成，它已经是无线个人局 域网的一个雏形。在其1 9 9 9 年1 2 月发布的蓝牙1 0 版的标准中，已定义了包 括使用w a p 协议连接互联网的多种应用软件。它能够使蜂窝电话系统、无绳 通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真 机、打印机设备增添无线传输和组网功能。在家庭和办公自动化、家庭娱乐、 电子商务、无线公文包应用、各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场 合开辟了广阔的应用。随着无线个域网的发展，i e e e 8 0 2 1 5 的一个工作小组汇 在制订速率可达2 0 m b s 以上的无线个域网标准，这一标准也是基于蓝牙规 范。因此，无线个域网和蓝牙必然会趋于融合。 蓝牙技术从应用的角度来讲，与日前广泛应用于微波通信中的一点多址技 术十分相似，因此，它很容易穿透障碍物，实现全方位的数据传输。早在蓝牙 标准制定的前一年，i e e e 的有关工作组就已经开始无线个域网的准备工作。 起初，i e e e 执行委员会认为，出于这是局域网内部的无线通信技术，所以就 将此任务交给了对无线局域网有着突出贡献的8 0 2 11 工作组，当时主要的工作 就是实现无线局域网和无线个域网的无缝隙连接。经过一年的努力工作，小组 成员的结论是，现有的i e e e 8 0 2 1 l 中有关支持三种物理媒质层的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，媒介访问控制) 中规定的基础结构，并不适用于无 线个域网。 8 0 2 1 5 工作组于1 9 9 9 年秋天开始起草一项以蓝牙1 0 版本为基础的标准， 2 0 0 0 年1 1 月提交到i e e e 标准委员会讨论。之所以如此迅速，主要是i e e e 8 0 2 1l 工作组在制定无线局域网标准时过于滞后于市场，继而造成了无线局域 网标准重蹈a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 、异步传输模式) 的覆辙。虽 然i e e e8 0 2 1 1 是国际公认的技术标准，但市场份额并不大，因此蓝牙爿决定 使用无线局域网使用的2 4 g h z 波段( 由于频率的冲突，很可能造成现有无线 局域网性能的下降) 。蓝牙的支持者甚至大胆地预测，随着蓝牙技术的不断发 展，采用i e e e8 0 2 1 1 标准的无线局域网将不复存在，从而双方的频段之争将 迎刃而解。 ( 3 ) r d a 红外线数据标准协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年，是 非营利性组织，致力于建立无线传播连接的国际标准，目前在全球拥有1 6 0 个 会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。简单地讲，i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较 成熟。它在技术上的主要优点有： a 、无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏， 频道使用费用增加的背景下是非常重要的。 b 、具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。惠普( h p ) 公司 目前已推出结合模块应用的约从2 5 8 0 x 2 9 ( m m ) 到5 3 1 3 o x 3 8 ( m m ) 的 专用器件，与同类技术相比，耗电量也是最低的。 c 、传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网( p i c o n e t ) 中是最高的， 由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 m b s 。 除了在技术上有自己的技术特点外，i r d a 的市场优势也是十分明显的。目 前，全世界有5 0 0 0 万台设备采用i r d a 技术，并且仍然每年以5 0 的速度增长。 有9 5 的笔记本电脑安装了i r d a 接口。在成本上，红外线l e d 及接收器等组 件远较一般r f 组件来得便宜，i r d a 端口的成本在5 美元以内，如果对速度要 求不高，甚至可以低到1 5 美元以内，相当于同附蓝牙产品的十分之一。 面对其他技术的挑战，i r d a 并没有停滞不前。除了传输速率由原来的f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 的4 m b s 提高到最新v f i r 的1 6 m b s 标准；接收角度也由 传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。这样，在台式电脑上采用低功耗、小体积、移动 余度较大的含有i r d a 接口的键盘、鼠标，就有了基本的技术保障。同时由 于i n t e m e