（计算机系统结构专业论文）ad+hoc网络中共享单信道mac协议研究.pdf

摘要 a dh o c 网络是一种自组织多跳无线网络，介质访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 是a dh o c 网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的直接摔 制者，m a c 协议能否高效地利用有限的无线资源对a dh o c 网络的性能起决定性作 用。 针对a dh o c 多跳路由、拓扑动态变化、无线干扰的时变性、以及节点分布式资源 共享等特点，本论文围绕m a c 协议性能这个关键问题，深入分析了影响协议性能的木 质原因，并提出相应的算法和改进机制。本文主要贡献和创新如下： 第一：当前的无线m a c 协议大多具有多速率支持，选择适合当前无线信道状态的 速率和包长度是优化无线信道利用率的有效方法；已有的速率自适应机制要么只进行 简单定性速率自适应，要么过于复杂而不适合便携移动设备。本章提出了一种定量的 速率自适应机制，通过优选包长度和发送速率定量实现网络性能优化，该机制包括基 于b e r 测量的s n r 估算过程( b e r - p r o b i n g b a s e ds n re s t i m a t i n g ，b p s e ) 和基于信 噪比估算的包长和速率自适应过程( s n r e s t i m a t i n g b a s e dl e n g t ha n dr a t ea d a p t a t i o n ， s l r a ) 。其中，b p s e 先通过发送高速特征序列串来测量比特误码率( 1 3 i te r r o r r a v e ) ，然后根据b e r s n r ( s jg n a l t on o i s er a t i o ) 经验曲线，查表得出当前信道的 s n r 以及当前s n r 下各个速率的b e r 。s l r a 先通过求解有效带宽( g o o d p u t ) 、b e r 和包长度的解析方程，然后得到各种速率下的最优有效带宽、及其相应的包长度，从 而在理论上优化有效带宽；由于s l r a 计算过程非常复杂，我们提出了近似查表的方 法来简化优化过程，使得其适用于便携式通信设备。理论分析和仿真试验结果表明， 该机制能极大优化多速率m a c 协议的有效带宽。 第二：在传统低速a dh o c 网络中，m a c 协议采用固定低速率的r t s c t s 握手机 制，但该机制不适合应用于当前的多速率高速a dh o c 网络，因为这将导致严重的大干 扰区问题和性能下降。我们提出了一种适合多速率高速a dh o c 网络的自适应 r t s c t s 握手机制，来解决多速率m a c 协议在a dh o c 网络中的大干扰区问题和性能 低下问题，该自适应过程包括发送端的自适应r t s 机制( a d a p t i v er t s ，a r t s ) 和 接收端的自适应c t s 机制( a d a p t i v ec t s ，a c t s ) 。在发送端，当传输过程出现一 次r t s 重传超时失败时，a r t s 机制就降低一档r t s 速率发送，只有连续1 0 次成功 传输时，a r t s 机制才提高一档r t s 发送速率，通过这种r t s 发送速率自适应策 略，可以避免固定低速率发送r t s 导致系统性能降低。在接收端，通过信号衰减模型 来判断接收端能否确保接收数据，当能确保正常接收数据时，接收端肯定反馈c t s ； 当不能确保正常接收数据时，接收端采用发送概率p 来反馈c t s 帧，其中p 由a i m d ( a d d i t i v e i n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 策略确定。仿真试验表明，a r t s 和a c t s 机制可以有效缓解a dh o c 网络中的大干扰区问题，提高有效带宽利用率和能量利 用率。 第三：a dh o c 中广泛存在多种阻塞问题，这严重影响a dh o c 网络的性能。本章 提出了基于混合访问方式和多目的：肖点的握手协议h m r t s c t s ( h y b r i d a n dm u l t i - d e s t i n a t i o n b a s e d ) ，该机制通过多目的地址请求帧( m u l t i p l e r t s ，m r t s ) 和接收端 发起的传输请求( r e c e i v e r i n i t i a t e dr t s ，r r t s ) 来缓解a dh o c 网络中各种原因引起 的包阻塞问题，从而提高a dh o c 网络的空间利用率。我们采用性能分析数学模型对 h m r t s c t s 、i e e e8 0 2 1l x 和一种采用额外忙音信道提高空间复用的机制进行了分 析，结果表明：当误帧率较低时，h m r t s c t s 性能最好；当误帧率较高时，h m r t s c t s 性能接近于采用忙音的改进机制。仿真试验进步验证了理论分析结果。 最后，总结r 全文，并给出了今后的研究方向。 关键词：移动自组织网络，介质访问协议，性能，有效带宽 i i m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li na d h o cn e t w o r k s w i t hs i n g l es h a r e dc h a n n e l y a h j u nf e n g ( c o m p u t e r a r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db yc h u c ks o n g a dh o cn e t w o r ki sam u l t i - h o pa n ds e l f - o r g a n i z e dw i r e l e s sn e t w o r ki ns u c hn e t w o r k s ， m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lp l a y s a p i v o t a l r o l ei na dh o cn e t w o r k p e r f o r m a n c e ，f o ri t s d i r e c td e t e r m i n a t i o no fm a n yp r o p e r t i e so ft h es h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l a c c e s s i b l eb ys e n d e r sa n dr e c e i v e r s a s p r o p e r t i e s l i k e m u l t i h o pr o u t i n g ，d y n a m i ct o p o l o g y ，t i m e - v a r y i n g w i r e l e s s i n t e r f e r e n c ea n dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o na r ec o n s i d e r e d ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e p e r f o r m a n c eo fm a c ，b ya n a l y z i n ge s s e n t i a lp r o b l e m st h a tc a u s ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ， a n db yp r o p o s i n ga n de v a l u a t i n gr e l a t e ds o l u t i o n st os u c hp r o b l e m s m yt h e s i sh a st h e f o l l o w i n gm a i nc o n t r i b u t i o n s ： ( i ) m u l t i r a t e i s s u p p o r t e db ym o s tc u r r e n tm a cp r o t o c o l s ，a n d i s r e g a r d e d a sa n e f f e c t i v em e t h o df o rc h o o s i n ga p r o p e rr a t ea c c o r d i n g t oc u r r e n tw i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n s h o w e v e r ，c u r r e n tr a t e a d a p t a t i o ns o l u t i o n sa r es u b o p t i m a ld u et on om e t h o dt oq u a l i t a t i v e l y a d j u s t t h er a t e a c c o r d i n g t oc u r r e n tc h a n n e l s t a t e ，o rt o oc o m p l e xf o rp o r t a b l e w i r e l e s s t e r m i n a l sar a t e a d a p t a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c h c a no p t i m i z et h e g o o d p u tb y q u a n t i t a t i v e l yc h o o s i n gt h er a t ea n dp a c k e tl e n g t h t h es c h e m ee m p l o y st w om e c h a n i s m s ： b e r - p r o b i n g - b a s e ds n re s t i m a t i n g ( b p s e ) a n ds n r e s t i m a t i n g b a s e dl e n g t ha n dr a t e a d a p t a t i o n ( s l r a ) d u r i n gt h eb p s ep r o c e s s ，ah i g h s p e e ds p e c i a lm o d ef r a m ei ss e n t ，b i t e r r o rr a t e ( b e r ) i sf e db a c kt ot h es e n d e r ，a sw e l la ss i g n a lt on o i s e ( s n r ) a n db e r sf o re a c h r a t ea r eo b t a i n e db yl o o k i n gu pt h ee m p i r i c a lb e r s n r c u f v e 、d u r i n gt h es l r ap r o c e s s ，t h e e q u a t i o no fg o o d p u tr e l a t i v e t ob e ra n df l a m el e n g t hi s s o l v e d ，t oo b t a i nt h em a x i m i z e d g o o d p u t a n di t sr e l a t e db e ra n df r a m el e n g t h t os i m p l i f yt h ec o m p l e xc a l c u l a t i o na b o v ef o r p o r t a b l ew i r e l e s st e r m i n a l s ，ap r o x i m a t ec a l c u l a t i o ni sp r o p o s e dt h a tu s e st a b l el o o k u pb a s e d m e c h a n i s mt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h em a x i m u mg o o d p u ti s a c h i e v a b l eh y c h o o s i n gp r o p e rv a l u e sf o rt h er a t ea n df r a m el e n g t h ( i i ) c o n v e n t i o n a l m a cp r o t o c o l s a d a p t s o m ef i x e d l o w - s p e e dr e q u e s t t os e n d ( r t s ) c l e a rt os e n d ( c t s ) h a n d s h a k i n gm e c h a n i s m h o w e v e ri t i sn o ts u i t a b l ef o rm u l t i a n d h i g h - s p e e da d h o cn e t w o r k sf o rt h ei n c u r r e n c eo fs e r i o u so v e r - i n t e r f e r e n c ea r e aa n d p o o r p e r f o r m a n c e i ns u c he n v i r o n m e n t as c h e m ei s p r o p o s e dt o s o l v et h i s p r o b l e m ，w h i c h i n c l u d e sa d a p t i v e - r t s ( a r t s ) a n da d a p t i v e c t s ( a c t s ) a tb o t hs e n d e ra n dr e c e i v e r s i d e a tt h es e n d e rs i d e ，w h e nar t sr e t r a n s m i s s i o nt i m e o u to c c u r s ，a - r t sw i l ld e c r e a s et o l i i al o w e r1 e v e lr a t ef o r s e n d i n g r t s w h e nt e ns u c c e s s i v ef r a m e sa r et r a n s m i t t e d s u c c e s s f u l l y ，ah i g h e rr a t ew i l lb eu s e d ，t h u sp r e v e n t i n gp o o rp e r f o r m a n c ec a u s e db yf i x e d l o w h a n d s h a k i n gr a t e a tt h er e c e i v e rs i d e ，b yu s i n gt h es i g n a l f a d i n gm a t h e m a t i cm o d e l ，w e c a nd e c i d ew h e t h e rt h er e c e i v e rc a r lr e c e i v es u b s e q u e n td a t ac o r r e c t l y w h e ni ti sa s s u r e do f r e c e i v i n gs u b s e q u e n td a t a ，t h ec t sw i l l b es e n to u t o t h e r w i s et h ec t si ss e n to u ta ta p r o b a b i l i t yp ，w h i c hi sm a i n t a i n e dt h r o u g h as c h e m ec a l l e da d d i t i v e i n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ( a i m d ) s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w t h a t ，b ya p p l y i n ga - r t s a n da c t sm e c h a n i s m s ， t h eo v e r i n t e r f e r e n c ep r o b l e mc a nb em i t i g a t e d ，a n dd a t ag o o d p u ta n dp o w e r e f f i c i e n c yc a l l _ b e i m p r o v e d ( 1 l t ) t h e r ee x i s tm a n yk i n d so fb l o c k i n gp r o b l e m sc a u s i n gp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni n a dh o cn e t w o l k s ah y b r i dm u l t i d e s t i n a t i o n - b a s e dr t s c t s ( h m r t s c t s ) m e c h a n i s m ， w h i c he m p l o y sm e c h a n i s m so f m u l t i p l e r t s ( m r t s ) a n dr e c e i v e r i n i t i a t e dr t s ( r r t s ) ， i s p r o p o s e dt o d e a lw i t ht h o s e b l o c k i n gp r o b l e m s ，a n dt o i n c r e a s e s p a t i a l r e u s er a t i oa p e r f o r m a n c ea n a l y t i c a lm o d e li sc o n s t r u c t e df o rh m r t s c t s ，i e e e8 0 2 11 ，a n df o ra n o t h e r m e c h a n i s mw h i c hm i t i g a t e sb l o c k i n gp r o b l e m sv i aa l le x t r ab u s yt o n ec h a n n e l a n a l y t i c a l r e s u l l ss h o wt h a t ，w h e nt h ef l a m ee r r o rr a t e ( f e r ) i sl o w ，t h ep e r f o r m a n c eo fh m r t s c t s i st h eb e s t ；w h i l et h ep e r f o r m a n c eo fh m r t s c t si ss i m i l a rt ot h eb u s yt o n em e c h a n i s m w h e nf e ri sh i g h w ef u r t h e rv e r i f i e do u r a n a l y t i c a lr e s u l t sw i t ho u rs i m u l a i o n r e s u l t s k e y w o r d s ：a d h o cn e t w o r k ，m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，p e r f o r m a n c e ，g o o d p u t i v 声明 我声明木沦文是我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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含 他人l 经发表或撰丐过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做 的仃何贞献均已存沦文中作厂明确的说明并表示了谢意。 作者签名：冯劣詹 噍2 0 0 午1 1 2 、2 2 论文版权使用授权书 本人授权中国科学院计算技术研究所可以保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复e 1 j 件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本 沦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 捕q ；复制- j ：段保存、汀i 编本论文。 ( 保密晗文有n 角翠密后适用本授权书。) 懈虢冯荡屉铆繇秀仪魄渺9 小 第一章引言 a dh o e 网络是一种由一组带有无线收发装置的节点组成的、多跳的、临时性自治 系统 h d l 0 2 ，r r 0 2 ，g c g 0 4 1 ，节点既具有普通主机的功能，又具有路由器功能。当要 与其无线覆盖范围外的节点通信时，中间节点承担路由器功能、自行组织路由并转发 数据包，因此a dh o c 网络又被称为多跳网络，或自组织网络。 根据网络中节点是否移动，可以将a dh o c 网络分为传感器网络( s e n s o r n e t w o r k ) 和移动a dh o c 网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ，m a n e t ) 。传感器网络是一 种特殊形式的a dh o c 网络，它有一组带有传感器的无线终端以a dh o e 方式构成有线 或无线网络，其目的是协助感知、采集和处理网络覆盖地理区域内感知对象的信息， 并将处理后的数据发布给观察者 t a h 0 2 ，李0 3 1 。 与传统有线( 或无线) 局域网相比，a dh o c 网络的显著特点包括：网络为无中 心对等结构、节点同时具有主机和路由器两者的功能、不需要基础设施支撑、能够快 速组网、以及任意节点的故障不会影响整个网络的运行，这使得a dh o c 网络具有很强 的抗毁性 e h 0 0 1 ；根据无线信道干扰情况、地形、天气等外部环境、以及节点位置 的变化，删络可以动态自组织网络拓扑结构，这使得a dh o c 网络具有很好的鲁棒性 f i c p 9 9 1 。抗毁性和鲁棒性的特点使得a dh o c 网络具有很高的生存能力和灵活性，可 f “泛应用于敌对或不易建设固定通信设施的环境中，如野战通信、紧急搜救、临时会 议、情报收集等，如图1 1 所示。 ( a ) 传统w l a n( b ) a dh o c 网络典型民用环境( c ) a dh o c 网络典型军事应用 图11 ：a d h o c 网络与w l a n 的区别及典型应用 a dh o c 的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 无线分组网络 a b r 7 0 以及d a r p a 在1 9 7 2 年启动的分组无线电网络( p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p r n e t ) r r 0 2 ；之后， d a r p a 在1 9 8 3 年启动了旨在研究高残存性、高抗毁性网络的s u r a n ( s u r v i v a b l e 中国科学院博士学位论文：a d h o c 网络中共享单信道m a c 协议研究 a d a p t i v en e t w o r k ) 项目。一直以来，较高的器件价格因素制约了它的应用推广，在过 去的几年，随着超大规模集成电路的迅速发展，使得无线局域网( w i r e l e s sl o c na r e a n e t w o r k ，w l - 、n ) 得以广泛应用，a dh o c 网络研究也随之迅猛发展，并进入初级应用 阶段 h t 9 8 ，b b 0 1 。 1 1a dh o c 网络协议体系结构 根据a dh o c 网络的特征，参照o s i 的经典七层协议模型和t c p i p 的体系结构 t a n 9 7 ，可以将a dh o c 网络协议划分为：物理层、介质访问层、网络层、传输层和 应用层，各个层次的功能简述如下： ( 1 )物理层：主要实现信道的区分和选择、无线信号的监测、调n 解调等。物理 层的设计目标是以相对较低的能量消耗，克服无线媒体的传输损伤，获得较 大的链路容量； ( 2 ) 介质访问层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) ：m a c 层主要用来协调多用户 间如何共享无线资源，即控制移动节点对共享无线信道的访问f c g l 0 0 ， j l b 0 4 。该层包括o s l 协议模型中的m a c 层和逻辑链路层( l o g i c a ll i n k c o n t r o l ，l l c ) 两者的功能。因此，它既要对无线信道进行管理，包括信道划 分、分配和能量控制；又要负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层1 i 同的信 道控制方法，实现数据流复用、拥塞控制、优先级排队1 、帧检测、分组发送 和确认、差错控制和流量控制等： ( 3 )网络层：主要实现路由管理，邻近管理私分组转发等功能 h x 0 0 2 ，l h h 0 3 】。 路由管理和分组转发主要是发现和维护去往目的节点的路由，将网络层分组 从源节点转发到目的节点，以实现不相邻的节点问通信；邻居管理主要用来 收集网络拓扑信息； ( 4 ) 传输层：传输层的任务是根据下面通信子网的特性最佳地利用网络资源，并 以可靠和经济的方式，为源端和目的端的进程之间建立条传输连接，以透 明地传输报文f 冯0 4 a ； ( 5 ) 应用层：用于提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢包限制 的实时应用( 如传感器紧急信号传输) ，基于r t p r t c p 的自适应应用( 如 视、音频传输) 等。 1 在有线网络中，拥塞控制和优先级排队大多由网络层实现，这是因为有线嘲络的链路速度高系统瓶颈是路由器缓 冲医访问速度而在无线网络中，系统瓶颈是资源有限的无线链路，分组会堆积在m a c 层，所以优先级t 4 b l s ) t 和拥 塞控制大多由m a c 层来实现，如i e e e8 0 21l e d o t l1 e 】提供优先级排队机制，kx u 和zf u 分别在【x g q 0 3 ， f z l 0 3 】证明了网络层拥塞控制在a d h o c 网络中不起作用、而m a c 层的拥塞控制却非常有效，这是a d h o c 网络的 一个显著特点。 2 第一章：引言 已有的研究主要集中在m a c 协议和i p 路由协议，这是因为： m a c 协议能否有 效地利用有限的无线资源对m a n e t 的性能起决定性作用，它是影响a dh o c 性能的一 个关键因素： a dh o c 网络中节点频繁移动，易造成路由中断，从而影响系统性能， 因此网络层路由协议是影响a dh o c 性能的另一个关键因素。本论文主要针对a dh o c 网络固有的特点，着重进行m a c 层协议性能优化研究。 1 2a dh o e 网络中m a c 协议简介 m a c 协议是a dh o c 网络协议中重要的组成部分，它既要对无线信道进行信道划 分、分配和能量控制，又要负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的信道控制方 法，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、确认、差错控制和流量控制等。它是报 文分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，因此，m a c 协议能否高效、公平地利 用有限的无线资源对m a n e t 的性能起决定性作用。在过去的几十年里、尤其是近几 年随着无线网络硬件技术的成熟，学术界对a dh o c 网络m a c 协议进行了大量的研 究，并出现了许多m a c 层协议 c g l 0 0 ，j l b 0 4 1 。 评价a dh o c 网络m a c 协议性能的指标包括：网络吞吐率、传输时延、实现复杂 度、公平性、能量消耗情况、资源划分和冲突避免和缓解( c o n t e n t i o na v o i d a n c ea n d r e s o l u t i o n ) 措施、隐藏终端问题解决程度、支持网络的规模和鲁棒性等，其中前两个 指标是最重要的指标，也是本文研究的重点。 m a c 协议分类的方法很多，其中资源划分和分配是m a c 协议研究的最重要内 容，根据信道划分和访问方式可以将这些m a c 协议粗略分为基于分配的m a c 协议 ( a l l o c a t i o n b a s e dm a c o rs l o t t e d b a s e dm a c ) 和基于竞争的m a c 协议( c o n t e n t i o n b a s e dm a c ，o rr a n d o ma c c e s sb a s e dm a c ) 。此外，根据可用的无线信道个数，可以 分为支持单信道、双信道和多信道的m a c 协议；发射天线的种类很多，如全向天线、 定性天线、或多入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 天线，随天线类型不 同，m a c 协议也会有所差异 y l s 0 3 ，h s 0 2 。 基于随机竞争的m a c 协议：如a b r 7 0 、k t 7 5 ，k a r 9 0 ，b d s 9 4 ，f g 9 5 ，d o t l1 ， t g f 9 7 ，g f 0 2 1 ，这类协议显著的特点是：发送数据的时刻是由发送方或接收方单独决 定，不需要和其他节点协调同步，即数据发送是异步的1 ，因此该类协议在传送时不能 确保没冲突，而且缺少q o s 的保障，但是该协议实现简单，具有很好的鲁棒性，非常 适合a dh o c 网络的动态分布式环境。 基于分配的m a c 协议：包括：令牌环协议、时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 、频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 、码分复用 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 等几种基本类型协议( 见图1 2 ) ，以及这些 孽譬点“类似”有线网络中的以太网( e t h e m e t ) 、 3 中国科学院博士学位论文：a dh o c 网络中共享单信道m a c 协议研究 协议的混合派生协议，如h i p e r l a n 2 h i p e r l a n l 。这类协议的一个显著特点是：节点间 先采用同步方式静态或动态地同步分配好信道( t d m a 中的时隙，f d m a 中的频段， c d m a 中的码字) ，再同步传输数据1 ，因此该类协议可以避免冲突、保障较高的吞吐 率稳定，并且流速稳定，这使得该类协议具有服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保 证。该类协议需要某种形式的集中式协调调度机制，这一点在w l a n 中很容易保证， 但在分布式的a dh o c 网络中却是一件非常复杂的事情；同时，集中式的协调调度还会 带来较大的管理开销，因此尽管出现了很多相关研究，但是却很少应用到分布式的a d h o c 网络中。 图12 ：a d h o c 网络中三类基于分配的m a c 协议 l u oh a i y u n 在 l m c 0 1 】一文给出了a dh o c 网络中m a c 协议设计的几个基本需 求：分配机制必须是完全分布式的，应该尽可能在本节点实现算法；分配机制必 须具有较好的全局性能，如公平性等；分配机制必须具有很好的可扩展性和鲁棒 性，它应该既可以适应a dh o c 网络中节点众多或分布稠密的情况，又可以适应a dh o c 网络中常见的节点移动和节点失效问题；分配机制应该尽可能高效，以适应a dh o c 网络中节点计算能力和能量较低的情况。 对照上述几个基本需求，显然基于竞争的协议比基于分配的协议更适合a dh o c 网 络的应用，i e e e8 0 2 1l 协议在当前a dh o c 网络中的广泛应用就是一个很好的例证。 本文重点也放在了基于竞争的m a c 协议的性能及其优化研究，除非特别指出，下文所 有m a c 协议均是基于竞争的m a c 协议。 1 3a dh o c 网络中m a c 协议面临的困难和挑战 a dh o c 网络是一种特殊形式的无线网络，它除了具有普通w l a n 所面临的共同 问题外，还面临着一些更为严峻，以及一些独特的问题 z f 0 4 。 1 3 1 无线网络共有的困难 ( 1 ) 隐藏终端问题：隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点覆盖范 该特点“类似”有线网络中的a i m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 4 第一章：引言 围外的节点，隐藏终端因听不到发送节点的发送，而可能同时进行发送，造 成分组在接收节点冲突，降低信道的利用率 t k 7 5 。隐藏终端又可分为隐藏 发送终端和隐藏接收终端。如图1 3 所示，当节点a 向节点b 发送分组时， 节点c 显然不能发送信息。由于节点c 在节点a 的通信范围外，节点a 显然 无法通知节点c 它要发送分组。因节点c 感知不到节点a 的发送，它认为自 己可以发送分组。如果节点c 此时向节点b 或节点d 发送分组，就会干扰节 点接收节点a 传输的数据，此时节点c 成了隐发送终端( 隐藏终端c 作为发 送者) 。当节点c 听到节点b 发送的c t s 控制分组而延迟发送时，如果此时 节点d 向节点c 发送r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 控制分组请求发送数据时，由 于节点c 不能发送任何消息，所以节点d 无法收到节点c 应该回应的c t s ，：c l e a rt os e n d ) ，此时节点c 成了隐接收终端( 隐藏终端c 作为接收 者) ： ，一、，：x ： j 7 、j j 、 f 全_ 辅艮p 11 、 ! ，0 、一l 铷愀獬 节点a 的天线覆盖、一，7 7 、妄：三二二二_ 一节点c 的天线覆盖范 图1 3 ：隐藏终端问题 ( 2 ) 暴露终端问题：所谓暴露终端是指在发送节点覆盖范围内，而在接收节点覆 盖范围外的节点 t k 7 5 。暴露终端因能听到发送节点的发送而可能延迟发 送，但因为它在接收节点的通信范围之外，它的发送实际上并不会造成冲 突，这就引入了不必要的延时。暴露终端分为暴露发送终端和暴露接收终端 两种，如图1 4 所示，如果节点d 要向暴露终端c 发送数据，则来自节点d 的r t s 会与来自节点b 的数据分组在节点c 处冲突，节点c 收不到来自节点 d 的r t s ，节点d 收不到来自节点c 的c t s ，就超时重发r t s ，这就是暴露接 收点问题( 暴露终端为接收者) 。在节点b 向节点a 发送数据时，节点c 只 能昕到r t s 控制分组。如果节点c 向节点d 发送r t s 控制分组，来自节点d 的c t s 会与节点b 发送的数据分组在节点c 处发生冲突，导致节点c 收不到 节点d 发送的c t s ：同样由于节点c 不知道节点d 的状态，就超时重发r t s ； 显然，在节点b 与节点a 通信期间，节点c 无论发送多少次r t s ，都不可能 听到来自节点d 的c t s ，这就是暴露发送终端问题( 暴露终端为发送者) 。 中国科学院博士学位论文：a d h o c 网络中共享单信道m a c 协议研究 这两种情况都会造成无谓的重发，浪费无线资源和电源， x s 0 2 还指出暴露 终端问题会导致m a c 协议性能降低和t c p 层的不公平性。 ，一一7 ：、 ，一、 ff 金1 譬瑚1 、! ，j卜节点c 的天线覆盖范 节点a 的天线覆盖、h 二二二：一一节点b 的天线覆盖范 图14 ：暴露终端问题 ( 3 )完全的单工通讯模式：这是因为收发器在进行发送操作时，会在本节点内部 引入大量的自我1 i 扰( s e l f - i n t e r f e r e n c e ) ，自我干扰噪声远大于该节点接收 到的其他节点发送的信号强度，这使得收发器在发送数据的时候不能接收， 冈此无线网络中不能采用有线网络中采用的冲突检测( c o l l i s i o nd e t e c t i o n ， c d ) c j l 0 0 ；由于不能进行及时的冲突检测，冲突避免( c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c a ) 在无线网络中才显得尤其重要： ( 4 )较为恶劣的无线信道：无线信号在传输中受反射、衍射、散射的影响，接收 端收到的信号是各种物理信号的叠加，即多径传播( m u l t i p a t h p r o p a g a t i o n ) ，因此接收到的信号强度随时间的改变而改变；此外无线信道 是一个丌放资源，会出现较多的其他类型的噪声；这两种因素使得无线信道 的误码率较高 c j l 0 0 1 ； ( 5 ) 无线信噪比估计和多速率自适应问题：现有无线m a c 协议大多可以支持多 种速率，根据当前无线信道的状态选择合适的发送速率和包长度，是优化 m a c 协议性能的有效方法 e s 9 8 ；然而在无线网络中，尤其对于便携式移动 设备，测量信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 非常困难 b o u 0 3 ，s n r ， 这使得速率自适应也变得非常困难 h l l 0 4 。 此外，a dh o c 网络移动、多跳、自治的特点使得基于竞争的m a c 层协议面临着 比w l a n 更为严峻的与位置相关的竞争问题，和一些a dh o c 特有的困难。 1 3 2 更为严峻的与位置相关的竞争问题 有线局域网中每个节点都可以有众多的不能直接通信的邻居节点，这些不能直接 通信的邻居节点的在物理上彼此隔离，无竞争关系，更与节点地理位置无关；但是在 w l a n 和f dh o c 网络中，由于隐藏终端和暴露终端问题的存在，这些不能直接通信的邻 6 第一章：引言 居节点存在着与地理位置相关的竞争问题。 由于无线局域网是单跳路由、网络拓扑相对稳定、且有集中式的基站调度，所以 隐藏终端和暴露终端的影响较小。而a dh o c 网络是多跳路由、网络拓扑容易因节点移 动而频繁发生变化、并且采用缺少集中式的控制机制，这使得a dh o c 网络m a c 协议的 隐藏终端和暴露终端问题比w l a n 中更加严峻 x s 0 2 。 n on ln 2 n 3n 4n 5 r ”下。面万+ 两“ ( a ) f 0 图1 5 ：与位置相关的竞争问题 f 2 ( b ) f 4 以图1 5 ( a ) 所示的简单网络拓扑为例 l c l 0 4 ，其中n on 5 为节点、f o f 4 为节点 间的数据分组流。在a dh o e 网络，与位置相关的隐藏终端和暴露终端问题形成了图 1 5 ( b ) 所示的竞争关系图，竞争关系图中相互连接的两个流不能同时传输，否则就会 斟竞争导致传输失败。因为n 1 是f 2 的暴露终端、n 4 是f 2 的隐藏终端，所以f 2 在传 输时，n 1 和n 4 都不能进行发送操作。 1 3 3a dh o c 特有的困难 f 1 ) 1分布式的资源调度：无中心、自组织是a dh o c 网络的典型特征，a dh o c 网 络m a c 层资源调度是一个典型的分布式调度系统，m a c 层的资源调度不仪 和节点内部的数据流相关，而且和周围节点以及周围节点内的活动流相关， 随着网络规模的增大，在a dh o c 网络中实现高效的m a c 层资源管理非常凼 难，这是一个众所周知的分布式资源管理难题 l l b 0 0 1 ； ( 2 1隐藏点和暴露点的衍生问题：由于a dh o c 网络多跳的特性，使得隐藏点和暴 露点会衍生出一些特有的问题，如接收端阻塞问题( r e c e i v e rb l o c k i n g ) r c s 0 3 ，如对于图1 3 所示的结构中，节点a 在向节点b 发送数据的同时， 节点d 要向节点c 发送数据，显然节点c 不能向节点d 回应c t s ，于是节 点d 就会退避后重复发送r t s 帧，在此退避过程中，由于节点a 始终有发 往节点b 的数据分组，从而使得节点d 很难收到c t s 帧，当失败超过一定 次数时，就会引发路由故障消息，该问题对t c p 流量影响非常大x s 0 2 ， s h s 0 4 ； ( 3 1动态影响因素：a dh o c 网络中存