（通信与信息系统专业论文）无线自组织网络同步式令牌mac协议研究(1).pdf

摘要 冲突避免的m a c 协议是目前无线自组织网络接入协议的研究热点。本文在分 析现有a dh o e 网络m a c 协议的基础上，针对数字单兵通信系统特有的应用环境 和业务需求提出了一种同步式令牌m a c 协议( 称为s t p 协议) 。该协议解决了系 统同步和传输碰撞两大技术难题。针对a dh o e 这种分布式多跳网络，该协议采用 了一种互同步技术，它不需要g p s 定时信号的支持。在进行分组接入方案设计时， 针对网络拓扑结构的动态变化和业务的突发特性，提出了一种动态群首和动态令 牌的传输控制方法。动态群首和动态令牌技术不但增强了系统的健壮性，同时保 证了节点接入信道的公平性，网络管理和控制也比较简单：其次，该协议由于采 用令牌来进行传输控制，因此可以完全解决传输碰撞问题，极大地提高了网络的 吞吐量。仿真结果表明：与c s m a c a 和一般的令牌传递比较，s t p 协议性能有 了明显提高。 关键词：无线自组织网络m a c 协议同步动态群首令牌 a b s t r a c t c o n f l i c tf r e em e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l so fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s h a v ea t t r a c t e dm a j o ra t t e n t i o nd u r i n gt h el a s tf e wy e a t s a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa n ds e r v i c er e q u i r e m e n t so ft h ed i 西t a ls o l d i e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，as y n c h r o n o u st o k e nm a cp r o t o c o l ，c a l l e da st h es 皿p r o t o c o l ，i sp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so fa dh o cn e t w o r km 匕虻p r o t o c o l s n e p r o t o c o lc o n s i s t so ft w os e c t i o n sw h i c ha r eh o wt os y n c h r o n i z ead i s t r i b u t e dw i r e l e s s n e t w o r kw i t h o u tt h eg p st i m i n gs i g n a la n dh o wt oa c c e s sc h a n n e l t h e r ea l et h r e e p r o b l e m so nw h i c ha u t h o rp l a c e se m p h a s i si nt h ea c c e s ss c h e m et h a ta r cc 0 - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ，a u t o a d a p t a t i o nt o t r a f f i cv a r i a t i o na n da u t o a d a p t a t i o nt o t o p o l o g y v a r i a t i o nr e s p e c t i v e l y n es c h e m eo fd y n a m i cc l u s t e r - h e a d e ra n dt o k e ni sa d o p t e dt o s o l v et h ec o n t e n t i o no v e ras h a r e dc h a n n e l ，w h i c he n h a n c e st h er o b u s t n e s so ft h es y s t e m a n de n s u r e st h ef a i r n e s sw h e nn o d e sa c c e s st h ec h a n n e l f u r t h e r m o r e ，s 1 pa d o p t o p e r a t e sd i s t r i b u t e d ，w h i c hc a nd e c r e a s et h ee r r o rt h a tc o m e sf r o mt h ec o n f l i c to fp a c k e t i na d d i t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts t pp r o t o c o lp e r f o r m sb e t t e rt h a nc s m 眦 a n dt o k e np a s s i n g , w h i c hp e r f o r m sw e l li na l ls y s t e ml o a d s k e yw o r d s ： a dh o cn e t w o r k m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l s y n c h r o n i z a t i o n d y n a m i cc l u s t e r - h e a d e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类【4 】：一类是集中式控制的，即 有中心的。这类无线网络的运行依赖预先部署的网络基础设施。典型的例子有： 依靠基站和移动交换中心等基础设施支持的蜂窝移动通信系统；基于接入点 ( a c c e s sp o i n t ) 和有线骨干网模式工作的无线局域网。但对于某些特殊场合，如 战场上部队快速展开和推进、发生地震和水灾后的快速营救、野外科学考察、偏 远地区临时会议等，不可能有这种预先部署的固定设施。因此，需要一种能够临 时、快速、自动组网的移动通信技术，即形成了a dh o c 网络通信技术。 。 a dh o c 网络是一种特殊的无线移动通信网络。a dh o c 网络中所有节点的地位 平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。与传统的无线网络相比， 其显著特点是不需要建立固定的通信基础设施，仅仅由网络节点便可组成一个完 整的网络，有时节点间通信要经过多跳( h o p ) 才能到达目的地。在该网络中，所 有节点都是可以移动的，每个移动节点既是终端，又是路由器，能够提供分组业 务的存储转发功能，所有节点作为对等的实体存在于网络之中oa dh o c 网络的节 点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现网络的自动组织和运行。 a dh o c 一词来源于拉丁语1 3 1 ，是“特别地，专门地为某- - a p 将发生的特定目 标、事件或局势而不为其他的 的意思，这里提出的“a dh o c 网络技术所标称 的就是一种无线特定的网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念，又被 称为多跳网络( m u l t i h o pn e t w o r k ) 或自组织网络( s e r f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 等等。 a dh o c 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 ) 。对分组无线网的 研究源于军事通信的需要。早在1 9 7 2 年，美国n 慨( d e f e n c e a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c ta g e n c y ) 就启动了分组无线网( p r e n t ，p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目，研 究分组无线网在数据通信中的应用。p r e n t 项目完成之后，d a r p a 又在1 9 8 3 年 启动了高残性能自适应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l e a d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究 如何将p r n e t 的成果加以扩展，以支持更大规模的网络。此外，还需要开发能够 适应战场环境快速变化的自适应网络协议。为了进行持续研究，1 9 9 4 年d a r p a 又启动了全球移动通信系统( 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。 对能够满足军事通信应用要求的、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。成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网 2无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 络 一词来描述这种特殊的自组织、对等式、多跳无线移动通信网络，a dh o c 由 此诞生。i e t f 则将a dh o c 网络称为移动a dh o c 网络( m 黼，m o b i l ea dh o c n e t w o r k ) 。现在，美国政府资助的这方面计划仍在继续进行，比如战术互联网， 数字单兵系统。 另外，移动自组织网络在商业领域中也取得了较为广泛的应用，例如：将a d h o e 网络技术应用在数字移动通信网中，可以抵抗阴影处的信号衰落，或者以较低 的成本扩大数字移动通信网络的覆盖面积。目前较为普遍的无线局域网( w l a n ) 系统、无线城域网( w m a n ) 系统、内部车辆通信( c ) 以及大规模传感器网 络等都涉及到a dh o c 网络。 1 2 研究的目的和意义 a dh o c 网络是一种对等式网络，使用无线通信技术，网络中的节点没有主次 之分，同时充当主机和路由器的功能，并借助中间节点的转发来实现节点间的通 信。 由于a dh o c 网络无须固定通信设施的支持，因此，它必须采用分布式控制的 工作方式。这种网络一般工作在异步模式，即所有节点的时间基准不要求统一； 其介质接入控制多采用随机接入技术，例如a l o h a 和c s m a 等；节点之间的通 信多采用分组交换和传输技术。这种工作方式的主要不足是支持实时业务的能力 较差，性能也不够理想。但在实际应用中，实时业务，例如话音业务等，对于多 数系统来讲又是不可或缺的，甚至是最主要的业务。这样就使得自组织网络的应 用领域受到了一定的制约和限制。另外，这种无线自组织网络还具有系统管理和 控制比较复杂、存在隐藏终端和暴露终端问题、信道访问公平性不够理想等方面 的不足。 本论文的目的就是将传统的网络同步技术、分布式管理和控制技术相结合， 实现一种同步的自组织网络，以使自组织网络能够对实时业务具有更好的支持能 力。同时，结合使用动态群首和动态令牌传递技术，以降低自组织网络管理和控 制的复杂度，彻底解决隐藏终端和暴露终端问题，改善信道访问的公平性，并能 够实现可变速率业务的传输，从而具有更好的多媒体支持能力。 本文主要研究移动自组织网络的m a c 协议，安排如下：第二章，阐述有关 a dh o c 网络的概念，第三章，介绍a dh o c 网络的m a c 协议，第四章详细讨论同 步技术，第五章论述令牌传递机制，第六章，协议性能分析与仿真，第七章总结 全文。 本课题的研究隶属于“十五军事预研项目“单兵通信系统总体技术 。在该 课题中，作者主要研究了无线自组织网络的同步式令牌技术。主要内容如下： 第一章绪论 3 设计适于多跳环境下的同步方式； 设计适于结合使用的令牌传递方式； 仿真几种典型的无线a dh o e 网络m a c 协议，并从理论上通过仿真分析其 性能。 第二章无线a dh o c 网络概述 5 第二章无线a dh o c 网络概述 2 1 1 无线a dh o c 网络的定义 2 1 基本概念 a dh o e 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时自治 系统。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。这 种网络可以独立工作，也可以与i n t e r n e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中， a dh o c 通常是以末端子网( 树桩网络) 的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率 的限制，移动a dh o c 网络( m 糨) 一般不适于作为中间承载网络，它只允许 产生于或目的地是网络内部节点的信息进出，而不让其它信息穿越本网络，从而 大大减少了与现存i n t e r n e t 互操作的路由开销。每个移动终端兼备路由器和主机两 种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由，终端需要运 行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。a dh o c 网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊的移动计算机 通信网络。图2 1 ( a ) 为a dh o c 网络的一种典型物理网络结构，图2 1 ( b ) 为其 逻辑结构，图中终端a 和i 无法直接通信，但可以通过路径a b g i 进行通信。 量。园 目橐； 移动终端厶 目 凰 ( a )( b ) 图2 1 典型的a dh o c 网络的物理结构和逻辑结构 6无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 2 1 2 无线a dh o c 网络的特点 耄- 与普通的移动网络和固定网络相比，a dh o e 网络具有以下特点： 1 网络的分布式。a dh o c 网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能，不存在 类似于基站的网络中心控制节点，各节点地位平等，可以随时加入或离开网络， 采用分布式控制方式，增强了网络的健壮性。 2 自组织性。a dh o e 网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需要现有的网络设 备的支持，可以形成一个自由移动的通信网络。 3 动态拓扑结构。a dh o e 网络是一个动态的移动网络。网络节点可以随处移动， 也可以随时开机和关机，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相 互干扰、地形因素的影响等，节点通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会 发生变化。 4 多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点进行 多跳转发。这种多跳转发是由普通节点( 而不是专门的路由设备) 完成的。 5 有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使a dh o c 网络的网络带宽相 对有线方式要低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、 阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。 6 移动终端的有限性。a dh o e 网络中的移动用户终端内存小、c p u 处理能力低、 所带电源有限使得a dh o e 网络的设计更加困难。 7 安全性差。a dh o e 网络是一种无线方式的分布式结构，所以更容易被窃听、入 侵、网络攻击和拒绝服务等。 8 存在单向无线信道。 9 生存时间短，可扩展性不强。组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使 用结束后，网络环境将会消失。a dh o c 网络的生存时间相对于固定网络而言是 短暂的。 a dh o c 网络可分为a dh o cw l a n ( a dh o cw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 和 m o b i l ea dh o c 网络两类。a dh o cw l a n 网络是一种全连通网络，网络中的任一 节点与其它所有节点仅相距一跳范围，任意时刻只能有一个节点占用信道；m o b i l e a dh o e ，即m a n e t ，是一种非全连通网络，网络中任意两个节点的距离大于或 等于一跳范围，可以通过信道空间复用技术提高系统的通过率。 无线局域网中，配备有无线局域网网卡的移动节点一般通过接入点( a p ) 连 接到固定网络，因此从网络的角度来看，无线局域网是一个单跳网络，而a dh o e 是一个多跳网络。无线局域网的研究内容集中在物理层和数据链路层，而a dh o e 覆盖了协议的所有层。 第二章无线a dh o c 网络概述 7 表2 1a dh o c 网络与现有无线网络的主要区别 、j a dh o c 网络 现有无线网络 无线网络结构 。 无中心，多跳有中心，单跳 拓扑结构任意固定 安全性和服务质量较差较好 配置速度 快 慢， 生存时间短 长 路由选择和维护困难容易 网络健壮性，强差 研究重点协议所有层物理层和链路层 中继设备无线节点和无线骨干网基站和有线骨干网 无线节点通常只有一部收发基站有多部收发信机，全双 中继节点的特点。信机，半双工方式，不易实现工方式，有专用硬件，易于 全网同步 实现全网同步 瓤 无线节点的控制管由无线节点本身负责，通常采 由基站集中负责，无线基站 必须先与基站通信，再通过 理 用分布式方式 基站与目的节点通信 “ 2 2 无线a dh o c 网络的体系结构。 n 考虑到网络的特殊性，a dh o c 网络采用分布式控制方式，并且节点具有自组 织功能。分布式控制就是将网络的控制功能分散到多个节点或全部节点中；而节 点的自组织功能是指节点在网络拓扑结构变化的情况下可以自动检测网络拓扑信 息，动态确定传输路由和选择工作参数，从而实现网络的控制和管理。a dh o c 需 要解决的一个问题是如何发现、收集和使用拓扑信息来形成较为合理的网络结构， 从而提高网络的性能和各种业务的服务质量。因此，网络体系结构对于网络协议 和各种功能模块的设计起着至关重要的作用，从很大程度上决定了网络规划和整 体的性能。 2 2 1 节点结构 a dh o e 网络的节点同时具有移动终端和路由器的功能，因此节点通常包括主 机、路由器和电台三部分。其中主机部分( 外置计算机或嵌入式计算机) 完成移 动终端的功能，包括人机接口、数据处理等；路由部分主要负责维护网络的拓扑 结构和路由信息，完成报文的转发；电台部分( 无线接口) 提供无线传输功能。 8 无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 如图2 2 所示，从物理结构上分，节点可以分为以下几类：单主机单电台、单 主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用单机多电台结构， 复杂的车载台可能包括通信车内部的多个主机，它可以采用多主机单多电台结构， 以实现多个主机共享一个或多个电台。多电台使节点具有更大的灵活性和自适应 能力，不仅可以使用多个电台来构建叠力u ( o v e r l a y ) 网络，还可以作为网关节点 互联多个a dh o c 网络以及接入其它网 2 2 2 网络结构 路由器 主机 单主机单电台多主机单电台 路由器 主机 单主机多电台多主机多电台 图2 2a dh o c 网络节点的几种物理结构 由于节点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控制节点 容易被发现和摧毁，使得a dh o e 网络不适合采用集中式控制结构，因此，a dh o c 网络一般有两种结构：平面网络结构和分级网络结构。 平面结构中所有节点的地位平等，所以又可称为对等式结构，如图2 3 ( a ) 所示。分级结构中，网络被划分为群。每个群由一个群首和多个终端组成。这些 群首形成了高一级网络。在高一级网络中，还可以再次分群，形成更高一级的网 络，直至最高级。在分级结构中，群首节点负责群间数据的转发，它可以预先指 定，也可以由节点使用算法选举产生。 根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可分为单频分级网络结构和多频分 级网络结构两种。这里的频率应理解为信道。信道的区分可以采用各种多址技术， 如f d m a ，t d m a ，c d m a 等。单频分级结构如图2 3 ( b ) 所示，网络由群首节 点、网关节点和普通节点组成，所有节点使用同一个频率通信。群与群间的通信 必须由网关节点( 同时属于两个群的节点) 支持。群首和网关形成高一级的网络， 第二章无线a dh o c 网络概述 9 称为虚拟骨干网络。 a b 骨干网 子网 c _ 群首一网关0 普通终端 a 平面网络结构b 单频分群网络结构c 多频分群网络结构 一 图2 3 网络结构示例 多频分级网络如图2 3 ( c ) 所示，不同级采用不同的通信频率。网络由群首 节点和普通节点组成。群内通信和群间通信使用不同的频段，而且群间通信只能 在各群的群首之间进行。低级节点的通信范围较小，高级节点要覆盖较大范围。 高级节点同时处于多个群中，有多个频率，用不同的频率实现不同群的通信。在 图2 3 ( c ) 所示的两级网络中，群首节点有两个频率。频率1 用于群首与群中成 员的通信，频率2 用于群首之间的通信。分级网络每个节点都有可能成为群首， 所以需要适当的群首选举算法，算法要根据网络拓扑变化重新分群。 平面网络结构简单容易实现，适用于节点数目较少的自组织网络。在该网络 中，各节点地位等同，都要维护网络的管理信息，如路由信息。当节点数目较多 时，控制开销较大，网络效率不高，甚至会阻塞正常的通信。因此，对于平面结 构的自组织网络，网络规模要受到限制。 对于分级结构的自组织网络，群首负责网络的管理和维护。群内普通节点的 功能较为简单，不需要维护大量的网络管理信息，因此大大减少了网络的控制开 销。所以，分级结构适用于节点数目较多、规模较大的自组织网络。 2 2 3 协议栈 根据a dh o c 网络的特征，参照o s i 的经典7 层协议栈模型和t c p i p 的体系 结构 6 1 ，可以将a dh o c 网络协议栈划分为5 层，本文从底三层上来介绍无线a dh o t ： 1 0无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 网络的技术特点。如图2 4 所示，两层之间的虚线框表示可选的功能部件。 最低层是一组低功率、高能力、能在移动环境中工作的物理传输设备，提供 无线传输能力、完成无线信号编码、译码、发送和接收等工作，以支持移动组网。 数据链路层对共享无线信道的访问及逻辑链路进行控制，提供可靠的无线通信逻 辑链路层，以支持有效的介质访问，其中，m a c 协议性能的好坏直接关系着信道 的利用效率和整个网络的性能，因此，从a dh o c 出现至今，m a c 协议一直是研 究的热点。网络层支持网络工作的传输协议、移动组网算法和动态路由协议。 醴孽搿剃实时业务、自适应应用、数据报业务 3 移动定位、自动配置、安全策略 ， ? i 鬻黼( w ) t c p 、u d p ： 信令协议：d ( r s v p ) i n s i g n i a i 萋鞫誊网络互连层i p v 4 、i p v 6 、m o b i l ei p ；壤囊 ；蘑囊 网络层邻居发现、路由协议、v c 机制 ： 分级( 群首选择和维护) ， 0 i ；攀熊蓥逻辑链路控制子层( l l c )分组转发确认、差错控制 誊藏舞萋 拦空：j ： 媒质接入控制子层( m a c )t d m a 、c d m a 、i e e e8 0 2 1 l z ：礴：= ： 0 功率控制和拓扑控制 ， ： 期理震i 扩频技术( d s - s s 、h f - s s ) 、调制解调、发送接收 图2 4a dh o c 网络的通用协议栈结构 下面分别介绍这三层的功能和设计考虑： a dh o c 物理层 功能包括信道的区分和选择、无线信号的检测、调制解调等。由于多径传播带 来的多径衰落、码间串绕，以及无线传输的空间广播特征带来的节点间的相互干 扰，使a dh o c 网络传输链路的带宽容量很低。因此，物理层的设计目标是以相对 低的能量消耗克服无线传输介质的传输损耗，获得较大的链路容量。此外，还需 确定采用哪种无线扩频技术( 直接序列扩频d s s s 或跳频扩频f h s s ) 。 a dh o c 数据链路层 链路层解决的主要问题包括介质控制，数据传输、同步、纠错以及流量控制 第二二章无线a dh o c 网络概述 等。基于此，无线数据链路层又可以分为信道接入子层m a c 和链路控制子层l l c 。 信道接入子层控制节点接入无线信道，为上层提供快速、可靠的分组传输支持， 决定了数据链路层的绝大部分功能。链路控制子层完成连接控制、分级等与信道 无关的链路控制功能。 在多跳无线网络中，m a c 子层规定了不同的用户如何共享可用的介质资源， 即控制移动节点对共享无线信道的访问。包括两部分：一是信道划分，即如何把 频谱划分成不同的信道：二是信道分配，即如伺把信道分配给不同的用户。信道 划分包括频分、时分、码分或这些方法的组合。在a dh o c 网络中，必须克服隐藏 终端和暴露终端问题，使用的力法有随机竞争机制( c s m a 、i e e e8 0 2 11 或m a c a 等) 、轮转机制( 轮询或令牌环) 、动态调度机制或以上机制的组合。 正是由于m a c 协议对于a dh o e 网络的重要性，它便成为了研究的一个热点， 也是本文的主要研究方向。 a d h o e 网络层 ， 一个好的a dh o c 网络层的路由协议 7 1 应当满足以下要求：分布式运行方式； 提供无坏路路由；按需进行协议操作；具有可靠的安全性；提供设备“休眠 操 作和对单向信道的支持等。 对一个a dh o e 网络层路由协议进行定量衡量比较的指标应该包括：端到端平 均时延、分组的平均递交率、路由协议开销和路由请求时间等。 2 3 无线a dh o c 网络的关键技术和研究方向 与传统的有线网络和蜂窝网络相比，无线a dh o e 网络没有固定基础设施，每 个节点都可能随时加入和离开网络，整个网络采用分布式控制。然而，传统网络 中对连接性和业务传输的基本要求，在无线a dh o c 网络中也同样需要得到满足。 目前关于无线a dh o e 网络研究中的主要难点问题为m a c 协议、路由协议、服务 质量、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理等。研究重点主要集中在 m a c 协议、路由协议、网络体系结构、服务质量保证、安全问题、传输层服务、 网络互联技术、能耗节省机制、网络的公平性等方面。 a dh o e 网络采用无线信道、有限电源、分布式控制等方式，容易受到多径干 扰、敌方干扰、环境噪声等各种网络攻击。网络存在被窃听和被入侵等多种泄密 隐患，必须采用加密措施来保证数据传输的安全。除了在传输上采用扩频和跳频 技术之外，有些设备还采用了自适应、突发传输、跳波束等处理的干扰技术。数 据本身也必须采用加密技术，以及接入认证和多级保密等。 1 m a c 协议：m a c 协议是a dh o e 网络协议的基础，它控制着节点如何接 入信道，对a dh o e 网络的性能起着决定性作用。a dh o e 网络的无线信道不同于 1 2无线白组织网络同步式令牌m a c 协议研究 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有基站控制的 无线信道，它是多跳共享的多点信道。即一个节点发送信息时，只有邻居节点可 以接收到。此外，a dh o c 网络中存在特有的隐藏终端和暴露终端问题，这些问题 需要通过专门设计m a c 协议来解决。本文会在后续章节详细讨论其设计要求和有 关m a c 协议。 2 路由协议：开发良好的路由协议是建立a dh o c 网络的热点和难点。传统 的距离矢量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构高度动态变化的a dh o c 网 络。开发一种能有效地发现节点白j 路由的动态路由协议成为无线a dh o c 网络设计 的关键。 i 3 网络体系结构：早期的a dh o c 网络主要是为简单的数据业务设计的，随 着a dh o c 网络需要提供多种业务并支持一定的服务质量保证要求的提出，对其体 系结构的研究就显得重要起来。应考虑选择最佳的体系结构并对原有协议栈进行 重新设计；对于分级a dh o c 网络，还要对分群机制和分群算法进行研究。一 4 服务质量保证：a dh o c 网络出现的初期，主要用于传输少量的数据信息。 随着应用的不断扩展，需要其传输话音、图像等多媒体信息。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 d h o c 网络中的服务质量保证是一个系统性的问题，不同层都要提供相应的机制，针 对于某个特定的网络和应用环境进行系统研究。 5 能耗节省机制：能耗节省问题是无线a dh o c 网络能否大规模应用的核心 问题之一。一般的无线系统是干扰受限的系统，无论在传统蜂窝还是无线a dh o c 网络中，一般都需要功率控制。由于无线a dh o c 网络是一个多跳网络，其功率控 制要比传统蜂窝网络复杂得多。 功率控制涉及到无线网络的各层。物理层可以调整节点的发射功率，来减少 网络的能量消耗；m a c 层的主要措施是减少数据发送的碰撞、避免重传，使其进 入休眠状态。在网络层，采用功率控制路由算法，而不是以最少跳数和最小延迟 作为衡量路由的标准。 6 网络安全：无线a dh o c 网络存在以下安全性问题：无线链路使a dh o c 网络容易受到链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏； 节点在地方环境( 如战场) 漫游时缺乏物理保护，使网络容易受到已经泄密的内 部节点( 而不仅仅是外部节点) 的攻击：无线a dh o c 网络的拓扑结构经常改变， 节点间的信任关系经常变化，与移动i p 相比，无线a dh o c 网络没有值得信任的 第三方证书帮助，在节点间建立信任关系成为无线a dh o c 网络安全的中心问题。 7 传输层服务：a dh o c 网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动性等因素 造成分组碰撞和丢失，这将严重影响网络的性能。因此，a dh o c 网络中要对传输 层服务进行修改，以满足数据传输的需要。 第二章无线a dh o c 网络概述 8 无线a dh o c 网络的互联：无线a dh o c 网络是一种多跳网，通过使用网关 路由器，可以实现几个a dh o c 网络的互联及网内节点访问互联网的功能。这可通 过向多个地理位置上分散的工作小组提供协同通信能力实现。 9 无线a dh o e 网络资源管理：与蜂窝网络相比，无线a dh o c 网络的资源管 理更为复杂。首先，无线a dh o e 网络的乇线资源管理主要针对各种数据业务，其 服务质量要得到保证；其次i 在这种应用中，网络的拓扑结构快速变化，而且不 可预知，即网络中没有了蜂窝通信系统中类似于基站的节点。数据分组可能在任 何两个移动节点之间直接传送，或者经过中间节点转发，而不需要固定基站的转 接，转发的节点数受路由协议和服务质量要求的限制。所以无线资源管理不仅仅 涉及了如蜂窝网络中的介质访问层，还扩展到了路由层甚至更高的传输层。 1 0 网络公平性：在有中心网络中，基站控制移动终端的接入，可根据设置 的策略来对移动终端进行控制，以实现公平接入。但在a dh o e 网络中，各节点根 据信道接入算法自主接入网络，容易出现不公平接入。这需要对a d h o e 网络公平 性进行明确的定义，并研究实现公平接入的算法来实现公平接入。 第三章无线a dh o c 网络m a c 协议的分析与比较 第三章无线a dh o c 网络m a c 协议的分析与比较 3 1m a c 协议简介 a dh o c 网络是共享无线传输介质的多点多跳网络，其m a c 协议的功能是控 制节点占用无线介质进行分组传输，保证网络的整体性能。因此，a dh o c 网络 m a c 协议的研究极具挑战性和重要性。 信道接入( m a c ) 处在协议栈中软件的最底层。它控制节点接入无线信道， 是分组在信道上发送和接收的直接控制者。因此，i v i a c 协议对信道状态的感知是 最快的，它能否有效地使用无线信道的有限带宽，将对a dh o c 网络的性能起着决 定性的作用。它的好坏直接关系着信道利用率和咝个网络的性能。 由于a dh o c 网络具有特殊的网络组织形式和特性，它的m a c 协议面临很多 其它网络没有的问题。这些问题包括不同的信道共享方式、隐终端和暴露终端问 题等。a dh o c 网络的m a c 协议必须设法解决这些问题，以减少或消除这些问题 带来的负面影响。 3 2m a c 子层面临的问题 3 2 1a dh o c 网络信道共享方式 1 普通通信网络中的信道共享 普通通信网络中，信道的共享方式一般有三种：点对点、点对多点、多点共享。 如图3 1 所示。 点对点是最简单的共享方式，其特点是只有两个节点共享一个有线或无线信 道。在单信道时，两个节点可以通过半双工方式实现共享；在双信道时，可实现 双工通信。 点对多点共享一般用于有固定基础设施集中控制的无线信道，例如目前广泛应 用的蜂窝移动通信的无线信道或无线局域网的信道。在这种方式中，终端( 如移 动电话) 在中心站( 如基站) 的控制下共享一个或多个无线信道。终端均处于中 心站的覆盖范围之内，但收发双发可处于不同的中心站覆盖范围。 多点共享指多个终端共享一个广播信道。以太网就是典型的多点共享方式。在 多点共享方式中，一个终端发送分组，所有的终端都可以听到，这相当于一个全 1 6无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 互联的广播式网络。这种共享方式下的信道也称为一跳共享广播信道。 ( a ) 点对点共享 ( c ) 多点共享 ( b ) 点对多点共事( d ) 多跳共事 图3 1 不同的信道共享方式 2 a dh o c 网络的多跳共享性 a dh o c 网络的信道共享方式与上述不同。虽然a dh o c 网络的无线信道也是 一个共享的广播信道，但它不是一跳共享的，如图3 1 ( d ) 所示。a dh o c 网络中， 当一个节点发送分组时，只有在它覆盖范围内的节点( 称为邻居节点) 才能够收 到，而覆盖范围之外的节点感知不到任何通信的存在。这正是a dh o c 网络的优势 所在：发送节点覆盖范围外的节点不受发送节点的影响，可以同时发送分组，由 此可大大提高频率的空间复用度( 这与蜂窝网思想一致) 。在使用一个通信频率的 情况下，a dh o c 网络中可有多对节点同时进行通信，这种共享信道称为多跳共享 广播信道。 3 多跳共享性对m a c 协议的影响 多跳共享广播信道带来的直接影响就是分组碰撞与节点所在的地理位置相 关。在一跳共享的广播信道中，分组碰撞是全局事件。所有节点要么都正确接收 分组，要么都会感知到分组碰撞。而在a dh o c 网络中，分组碰撞只是局部事件， 并非所有节点都能感知到。一个节点正确接收了一个分组，该分组可能会在另一 个节点处发生碰撞：也可能分组在接收节点处发生碰撞，而发送节点丝毫察觉不 到。也就是说，发送节点和接收节点感知到的信道状况不一致，这将会带来隐终 端、暴露终端等一系列问题。 由于在a dh o e 网络这种特殊的信道共享方式下，基于点对点共享信道和一跳 共享广播信道的信道接入协议无法被a dh o c 网络直接使用，需要设计专用的信道 接入协议。 第三章无线a dh 0 c 网络m a c 协议的分析与比较 1 7 3 2 2 隐终端、暴露终端和入侵终端问题 1 隐终端问题 隐藏终端是指位于发送节点覆盖范围之外而处于接收节点覆盖范围之内的苛 点，又可分为隐藏发送终端和隐藏接收终端。隐藏终端因侦听不到发送节点发送 数据而可能向相同的接收节点发送数据，从而导致数据在接收节点处碰撞。冲突 后发送节点需要重传碰撞的数据，这降低了信道的利用率。 2 暴露终端问题 暴露终端是指处于发送节点覆盖范围之内而在接收节点覆盖范围之外的节点， 也可分为暴露发送终端和暴露接收终端。暴露终端因可以侦听到发送节点的发送 而可能造成发送延迟。由于它在接收节点的通信范围以外，它的发送不会造成碰 撞，但引入了不必要的延迟，因此也要设法解决。 3 入侵终端问题 由于节点的移动性，当一对节点正在通信时，因移动而进入接收节点通信范围 的节点可能会发送( 或正在发送) 数据而导致碰撞，这称为入侵终端问题。由于 数据分组的发送时间非常短暂，在普通的移动速度下，节点的位置并不会发生太 大的变化，也就是说入侵终端问题的影响并不会太严重1 1 3 l ，文献1 1 1 1 2 】证明了节点 移动对心协议的影响微乎其微。因此在研究a dh 酏的心协议时节点移动 的影响可以忽略。 3 3m a c 协议的设计要求 针对a dh 0 c 网络信道接入协议面临的许多新问题，信道接入协议应具有以下 的基本特性： 1 高空间复用度 a dh 0 c 网络的优点之一就是可以实现多对节点同时进行通信和频率的空间复 用。信道接入应尽量提高这种复用度，使网络中更多节点可以同时进行通信，从 而提高网络的总吞吐量。隐接收终端问题和暴露发送终端问题的解决将会提高频 率的空间复用度。 2 避免分组之间的碰撞 由于采用了特殊的信道共享方式，a dh o c 网络信道接入协议要面临分组碰撞 的威胁。特别是数据分组( 长度一般较长) 的冲突，会影响到无线信道的利用率。 因此，要尽量避免分组间碰撞，尤其要实现数据分组无碰撞的发送。 1 8无线自组织网络同步式令牌m a c 协议研究 3 提供冲突解决的方法 分组不可避免的发生碰撞时，信道接入协议要提供有效方法，尽量减小分组 碰撞带来的影响。常用方法是退避重发。 4 硬件无关性 + ； ， 普遍适用的a dh o e 网络信道接入协议应具有硬件无关性，即不能对电台的功 能做过多的假设。 理想的a dh o e 网络信道接入协议还应具备公平、节能、提供安全措施、提供 对多播和广播的支持、支持实时业务等。这些功能形成了a dh o e 网络信道接入协 议研究的不同侧面。 3 4m a c 协议分类 j 。目前，已经提出了数卜种a d h o e 网络m a c 协议。这些协议具有不同的设计日 标，使用不同的信道复用和控制技术，并对应用环境也相应做了不同的假设，因 此对它们进行严格分类是非常困难的。根据a dh o e 网络m a c 协议使用的信道数 目，我们将其分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类。 1 基于单信道的m a c 协议 基于单信道的m a c 协议用于只有一个共享信道的a dh o e 网络。所有控制分组 和数据分组都在同一个信道上发送和接收。受传播时延、隐藏终端和节点移动等 因素影响，单信道a dh o e 网络中有可能发生控制分组之间、控制分组和数据分组 之间、数据分组之间的碰撞。一般而言数据分组要比控制分组长的多，数据分组 的碰撞会严重影响信道的利用率。所以，这种m a c 协议的主要目标之一就是通过 使用控制分组尽量减少甚至消除数据分组的碰撞，即设计合适的碰撞避免策略。 典型的基于单信道的a dh o c 网络m a c 协议有c s m a 1 4 1 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 、m a c a l l 3 1 ( 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 ) 、m a c a w l l 5 】( m a c a f o r w i r e l e s s ) 、m a c a - b i 1 q ( m a c a b vi n v i t a t i o n ) 、i e e e 8 0 2 1 1d c f 1 7 1 、m a r c h 1 8 1 ( m u l t i p l ea 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 1 9 1 ( c o l l i s i o n - a v o i d a n c et i m e a l l o c a t i o n ) 、m a c r s v 2 0 l ( r e s e r v a t i o nb a s e dm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 、f a m a 2 1 l ( f l o o ra c q u i s i t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系列等。 2 基于双信道的m a c 基于双信道的m a c 协议用于有两个共享信道的a dh o e 网络。两个信道分别为 控制信道和数据信道。控制信道只传送控制分组，数据信道只传送数据分组。因 为使用了两个不同的信道，控制分组不会与数据分组发生碰撞。通过适当的控制 机制，可以很好的消除隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据分组的碰撞和提高 空间复用度。典型的基于双信道的a dh o e 网络m a c 协议有b a p u 2 2 1 ( b a s i c a c c e s s 第三章无线a dh o e 网络m a c 协议的分析与比较1 9 p r o t o c o ls o l u t i o n sf o rw i r e l e s s ) 、d b t m a 矧( d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ) 、 p a m a s l 2 4 1 ( p o w e ra w a r em u l t i - a c e c s sp r o t o c o lw i t hs i g n a l i n g ) 等。 3 基于多信道的m a c 协议 基于多信道的心协议用于具有多个信道的a dh o e 网络。由于网络中有多 个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时进行通信。在使用多信道的情况下， 接入控制更加灵活。可以使用其中一个信道作为公共控制信道，也可以使控制分 组和数据分组在同_ 个信道上混合传送。这种信道接入协议要关注