（计算机应用技术专业论文）移动ad+hoc网络mac协议研究及性能仿真.pdf

摘要 移动a dh o c 网络是指由若干带有无线收发信机的节点构成的一 个无中心、多跳的和自组织的对等式通信网络。因为具有组网灵活、 分布实施等特点，使它拥有了广阔的应用前景，一直成为国内外研究 的一个热点。在移动a dh o c 网络中，可能会有多个无线设备同时接 入信道，导致信道资源浪费，吞吐量显著下降。为了解决这些问题， 就需要适当的媒体接入控制( m a c ) 协议来更有效、有序和公平地使用 共享媒体。 本文首先对传统窄带a dh o c 网络媒体接入控制协议c s m a 信道 利用率、公平性、吞吐量性能进行了分析。 其次重点研究了i e e e 8 0 2 1 1d c f 协议的退避算法，指出 i e e e 8 0 2 1 1d c f 协议传统的二进制指数退避算法b e b 存在极大的不 公平现象，利用乘性增加、线性减少退避算法( m i l d ) 和指数增加、 指数减小的退避算法( e i e d ) 来改变b e b 算法的公平性。本文在 g l o m o s i m 仿真平台上设计实现了m i l d 和e i e d 算法，并通过仿真 对比分析了三种退避算法的吞吐量和公平性。仿真结果表明：在本文 参数条件下，三种退避算法吞吐量性能相当，而m i l d 公平性最好， 其次是e i e d ，b e b 最差。但是随着流量负荷的增加，在重负荷下 三种算法的公平性趋于相当。可见在中等负荷或轻负荷情况下，m i l d 是移动a dh o c 网络首选退避算法。 最后，研究了码分多址a dh o c 网络( c d ma dh o c 网络) 的 m a c 协议性能。通过建立网络状态的马尔可夫模型，提出一种存在 多址干扰和背景噪声情况下，基于c d m a 的a dh o c 网络吞吐量性能 分析方法。这种新的分析方法能更精确反映真实网络的传输性能，具 有更加普遍的适用范围，数值仿真结果为c d m aa dh o c 网络设计和 参数优化提供有价值的理论依据。 关键词：移动a dh o c 网络、m a c 协议、退避算法、公平性、吞吐量 a b s t r a c t t h em o b i i ea dh o cn e t w o r k s2 u r eb yan u m b e rw i t haw i r e l e s s t r a n s c e i v e rn o d e c o n s i s t i n g o fa n o n c e n t e r ，n 1 u l t i h o p a n d s e l f - o r g a n i z a t i o n o f 也ep e e r - t o p e e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h e m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，t h e r em a yb em u l t i p l ew i r e l e s sd e v i c e s s i m u l t a n e o u s l y a c c e s sc h a 衄e l ，w h i c hc a u s ew a s t eo fr e s o u r c e s ，a s i g n i f i c a n td r o pi nt h r o u 曲p u t i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ， t h e 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 i st om o r ee 瓶c i e n t ， o r d e r l ya n d e q u i t a b l eu s eo fs h a r e dm e d i aa r en e c e s s a 巧 1 1 1t h i sp a p e r ，t h em e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lo ft h et r a d i t i o n a l n a 玎o w - b a n da dh o cn e t w o r k so fc h a n n e lu t i l i z a t i o nf a i m e s s ， 缸o u g h p u t p e r f - 0 r m a n c ea r ea n a l y z e df i r s t l y t h es e c o n df o c u s e do nt h ep r o t o c o io fn 三e e 8 0 2 11d c fb a c k o f r a l g o r i t h m ，p o i n t i n go u tt h a tt h et r a d i t i o n a lp r o t o c o lo fi e e e 8 0 2 11d c f b i n a l ye x p o n e n t i a l b a c k o f f a l g o r i t u n b e be x i s t e n c eo f g r e a t i n e q u a l i t i e s ，a na n a l y s i so ft h eu s eo fm u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s e ， 1 i n e a rt o r e d u c et h eb a c k o f fa 1 重o r i t h m ( m i l d ) a n di n d e xi n c r e a s e ，t h ei n d e x d e c r e a s e st h eb a c k o f fa l g o r i t h n ( e 正d ) t oc h a n g et h ea l g o r i t l mb e b f a i m e s s i nt h i s p a p e ，o n g l o m o s i ms i m u i a t i o np i a t f i o n nd e s i g na n d i m p l e m e m a t i o no f t h em i l da n de i e da l g o r i t h ma n dt h r o u g hs i m u l a t i o n c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o f缸e eb a c k o f fa l g o r i t h m t h r o u 曲p u t a n d f a i m e s s u n d e rt h ep a r a m e t e r sc o n d i t i o n ss e ti nt h ep a p e r ，t h et h r o u g h p u t o f 缸e eb a c k o f f a i g o r i t h mi sc o n s i d e m b l e ， a n dt h ef a i m e s sm i l db e s t ， f o l l o w e db ye i e d ，b e bw o r s t h o w e v e r ，w i mt h ei n c r e a s ei nc h a n n e l n o wl o a d ，u n d e rh e 2 r v y1 0 a dt 1 1 ef a i m e s so ft h et h r e ea l g o r i t h m sb e c o m e c o n s i d e r a b l e m i l di nm o b i l ea dh o cn e t w o r k si st h ep r e f e r r e db a c k o f f i i a l g o r i t h mi nm i d d l e l o a do rl i g h tl o a dc o n d i t i o n f i n a l l y ， t h es t u d yo ft h ep e r f o 咖a n c eo fm a c p r o t o c o la b o u t t h e c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s sa dh o cn e t w o r k s( c d m aa dh o c n e t w o r k s ) t h r o u 曲m ee s t a b l i s h m e n to f m en e 觚o r ks t a t u so ft h em a r k o v m o d e l ，t h ec d m a - b a s e da dh o cn e t w o r kt h r o u g h p u tp e r f o m a n c e a n a l y s i sm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ea n d b a c k g r o u n d n o i s e c o e x i s t ，t h i s n e w a n a l y s i s m e t h o d sc a nm o r e r e a l i s t i c a l l yr e f l e c tt h e n e 似，0 1 kt r a n s m i s s i o np e r f o r n a a n c ea n dm o r e g e n e r a ls c o p eo fa p p l i c a t i o n ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d ea v a l u a b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rc d m aa dh o cn e m o r kd e s i g i la n d o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，m a cp r o t o c o l ，b a c k o f f a l g o r i t h m ， f a i m e s s ，t h j ? o u g h p u t i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：忒岁劝戈 加听 年月l 玉日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 ，保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 黧筝：；0 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1a dh o c 网络综述 a dh o c 网络的显著特点是它不需要固定通信设备( 如基站) 的 支持，不依赖于一个固定的网络节点。同时，a dh o c 网络能随着节 点的加入、离开，以及节点的移动自组织、自管理。由于a dh o c 网 络具有组网灵活、分布实施、抗毁能力强、可快速组网等特点，使它 拥有了广阔的应用前景，成为国内外研究的一个热点。 a dh o c 网络的前身是d a ) a 的无线分组网络( p r n e t ：p a c k e t r a d i o 卜k 觚o r k ) 【l - 3 】研究计划。p r n e t 计划的目的是在没有基础通信 设施的环境中为移动通信终端之间建立一个分组交换网络。p i 州e t 的 可行性在1 9 8 0 年得到证实，但是，由于受当时无线电技术的限制， p r n e t 的移动终端的体积大，而且耗电。同时，由于采用距离矢量路 由协议，p r n e t 存在严重的可扩展性问题。 到2 0 世纪9 0 年代，基于射频和红外的各种无线通信设备的出 现、笔记本电脑的流行，以及信息家电的发展，a dh o c 网络在民用 通信领域有了巨大的应用空间。随着m e e8 0 2 1 1 委员会采用“a dh o e n e t w o r k s ”，a dh o c 网络有了商用的概念。随着各种非军事应用领域 的发现，a dh o c 网络引起了越来越多的人的关注，a dh o c 网络进入 了一个新的研究发展阶段。 a dh o c 网络作为一种无中心、自组织的无线移动通信网络，从 技术以及环境方面来看，主要具有以下些特点n 3 ： 网络自组性：即网络的布置不需要依赖于任何预先架设的网 络设施。节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立地网络。 无中心：所有节点地位平等，节点可以随时加入离开网络，任 意节点故障不会影响整个网络运行，是一个无中心结构对等式网络， 硕士学位论文 抗毁性强。 多跳路由：固定的节点发射功率限制了节点的通信距离，节点 的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需 要中间节点的转发，即要经过多跳。 动态变化的拓扑结构：即网络中的节点可以任意移动，并且可 以随时关闭。发送装置的天线类型多种多样，发送功率的变化，无线 信道间的相互干扰，地形和天气等综合因素的影响，造成网络的拓扑 结构变化难测。 有限的传输带宽、容量时变：由于拓扑动态变化导致每个节点 转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，因此与有线网络不 同，它的链路容量表现出时变特征。 存在单向信道：由于各个节点发射功率的不同及地形环境的影 响，网络中可能产生单向无线信道。 能源限制：由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池 作为动力，因而在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标。 安全性差：a dh o c 网络原则性面临的安全性威胁主要来自无 线信道和网络的拓扑结构。无线信道容易被窃听和干扰，而无中心和 无组织的网络结构很容易受到主动攻击。由于a dh o c 网络节点处理 能力有限，无法实现复杂的加密算法，更增加了被窃密的可能性。 1 1 2a dh o c 网络体系结构 与o s i 模型相对应，a dh o c 网络的体系结构如图1 1 所示。 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 上层应用协议应用层 u d pt c p 表示层 多播路网间q o s路由 由协议互联支持安全会话层 单播路由协议 传输层 i p v 4 、i p v 6 其它网络层协议 链路媒体接入控制 _ 网络层 天线控功率控 制接口制接口 无线控制接口数据链路层 天线控功率控调制解信号处 制技术制技术调技术理技术 物理层 a dh o c 模型o s i 模型 图l la d h o c 网络体系结构 在该体系中，物理层主要使用各种先进的调制解调技术、信号 处理技术、功率控制技术和天线技术来完成无线信号的发送和接收。 数据链路层主要完成控制无线信道的共享访问、流量控制等功能，同 时还要考虑到物理层所使用的信号处理技术、功率控制技术和天线技 术对该层协议设计带来的影响，留下相应的控制接口。网络层中， i p v 4 、i p v 6 或其它协议提供网络层数据服务；网络层的单播路由协议 维护路由表，使其与当前的a dh o c 网络拓扑结构保持一致或者动态 的发起路由查询等；多播路由协议提供对群组通信的支持；网间互联 则支持a dh o c 网络与其它现有网络的互联互通；q o s 支持可提供有 保证的服务质量；路由安全则提供对路由协议的安全保障。传输层仍 然主要使用u d p 和t c p 两种协议，但是针对a dh o c 网络的无线运 行环境，这两种协议需要进行相应的修改，尤其是t c p 协议。上层 应用协议则是指面向用户的各种服务。 1 1 3a dh o c 网络面临的技术挑战 a dh o c 网络无中心、自组织、多跳路由等特点使得它要面临很 硕士学位论文 多其他无线通信网络所没有的特殊问题，这些问题都成了a dh o c 网 络面临的技术挑战。 信道接入技术：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，它是多跳共享的广播信道，这会带来隐藏终端和暴露终端问题， 这些问题为a dh o c 网络信道接入协议的设计提出了特殊的要求。因 此，如何设计高效的信道接入协议，满足多跳共享无线广播信道的要 求，是a dh o c 网络研究面临的一大技术挑战。 无线多跳路由：多跳性是a dh o c 网络的主要特征，要实现分组 的多跳转发，必须有路由协议的支持。而a dh o c 网络使用带宽较窄 的无线信道，且由于主机的移动造成拓扑变化比较频繁，如果直接将 传统路由协议应用于a dh o c 网络中，这些周期性的控制信息将会占 用大量的无线信道资源，降低系统效率。因此，必须为它设计专门的 路由协议。 功率控制和节能：由于不存在蜂窝移动通信系统的中心控制节 点，a dh o c 网络的功率控制算法必须是分布式的，通过各节点协调 完成。简单、有效、开销小的分布式功率控制算法也是a dh o c 网络 的关键技术之一。节能问题是a dh o c 网络面临的另一个挑战。 1 1 4a dh o c 网络m a c 协议综述 移动a dh o c 网络中，移动节点既是信源或信宿点又充当邻居节 点的路由器，通过节点转发实现源节点和目的节点之间的通信。由于 移动a dh o c 网络的特殊性，传统的基于广播信道的多址接入技术无 法直接应用到a dh o c 网络中。移动a dh o c 网络没有类似基站这样的 控制中心，a dh o c 网络研究的关键技术之一就是m a c 协议的设计。 m a c 协议对服务质量( q o s ) 、网络容量和复杂度等都有着重要的影 响。移动节点通过共享有限的无线信道资源来实现业务接入，实现数 据高速传输和提高信道利用率是m c 协议设计要实现的功能和要达 1 到的目标。a dh o c 网络m a c 协议的功能是控制节点的报文传输对无 移动a d h o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 线媒体的占用，保证网络的整体性能【5 。如图1 1 所示，a dh o c 网 络的链路层协议可以被划分为两个子层：链路控制子层l l c 和媒体 接入控制子层m a c 。链路控制子层完成连接控制、分簇等与信道无 关的链路层控制功能。m a c 子层控制节点接入无线信道，为上层提 供快速、可靠的报文传送支持。 m a c 层处在协议栈中的软件最底层。它控制节点接入无线信道， 是报文在信道上发送和接收的直接控制者。因此，信道接入协议对信 道状态的感知是最快的，对a dh o c 网络的性能起着决定性的作用。 a dh o c 网络具有特殊的网络组织形式，且具有动态性。因此，其信 道接入协议面临很多新的问题。这些问题包括：m c 相关的无线接 收问题、不同的信道共享方式、隐藏终端问题、暴露终端问题、节点 移动的影响等。a dh o c 网络的m 忪c 协议必须尽量消除这些因素的影 响。 经过长期与广泛的研究，研究人员己提出了数十种a dh o c 网络 信道接入协议。由于m a c 协议是传输信道相关的，因此，不同的 m a c 协议具有各自不同的设计目标，可使用各种不同的信道复用技 术，对适用的应用环境也是多种多样的。即使未来a dh o c 网络实现 标准化，不同传输环境的m a c 协议也是不同的。 1 1 5i 匪e8 0 2 11d c f 协议综述 i e e e8 0 2 1 lm a c 协议本身是为无线局域网( w l a n ：晰r e l e s s l a n ) 制定的m a c 规范。然而，如今m e e8 0 2 1 1m a c 协议己被广 泛应用于a dh o c 网络的各种仿真和测试平台中。i e e e8 0 2 1 ld c f ( d i s t m u t e dc o o r d i n a t ef u n c t i o n ) 是i e e e8 0 2 1 1 媒体接入控制的最 重要成员。 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议采用c s m c a 机制，加入了a c k 控制 报文来实现链路层的确认。它采用载波监听机制，节点在发送报文之 前先监听信道的忙闲状况。如果信道空闲并持续一个d i f s ( d c fi n t e r f m m es p a c e ) 的时间，就开始发送报文。如果信道忙或在d i f s 内信 硕士学位论文 道变忙，就执行退避算法，计算一个随机的退避时间，一直等到信道 空闲，并持续空闲d i f s 时间后，节点开始以时隙为单位递减退避时 间。如果递减到o ，节点就开始发送报文。如果在递减过程中信道变 忙，节点就冻结退避时间，等待信道变闲并持续空闲了d i f s 的时间 后继续递减。 1 1 6 基于c d m a 的a dh o c 网络m a c 协议综述 传统的窄带a dh o c 网络为了解决“隐藏终端 和“暴露终端” 问题，通常采用载波监听技术，限制发射节点数量，在同一覆盖区域 任何时候最多只能有一个节点处于发射状态，否则将发生数据碰撞， 导致所有数据都不能被成功检测。这种通信方式严重影响了网络的吞 吐量及信道的利用率。随着a dh o c 技术的不断发展，具有更高无线 资源利用率的接入协议逐渐成为研究热点。c d m a 是一种多址接入 技术，多个用户可以通过互相关性很小的扩频序列相互区分，进而共 享无线资源，可以在相同的频段同时进行通信，彻底打破了在窄带通 信网络中定义的传输范围的概念，其安全性能和信道利用率远高于传 统的窄带a dh o c 网络。学术界对基于c d m a 技术的a dh o c 网络有 了越来越浓厚的兴趣【8 13 1 ，将c d m a 技术引入a dh o c 网络成为可行 的高效无线网络技术。 1 2 论文所完成的工作和主要贡献 本文主要取得以下研究成果和创新： ( 一) 研究了无线多跳网络m a c 协议隐藏终端和暴露终端问题， 对各种a dh o cm a c 协议进行了详细分析，得出了各种协议的性能比 较。 ( 二) 研究了i e e e8 0 2 1 1 协议分片接入方式、随机退避机制、四 次握手机制等问题，并研究了退避算法的协议公平性问题，分析了改 进公平性能的退避算法。 ( 三) 对i e e e8 0 2 1 1d c f 协议b e b 退避算法和改进算法进行了 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 详细仿真分析，分别仿真了三种算法下的吞吐量性能及公平性。 ( 四) 基于c d m a 技术的a dh o c 网络扩频码的分配方案对系统 吞吐量性能有着重要的影响，如何充分利用c d m a 多址接入能力提 高a dh o c 信道利用率等网络性能，是一项具有很强挑战性的研究。 通过建立网络状态的马尔可夫模型，提出一种分析吞吐量性能的方 法，所提出的方法适用于同时存在背景噪声和多址干扰的情况。最后 通过数值仿真分析了扩频增益和信噪比对吞吐量性能的影响，并对网 络参数进行了优化配置。本文研究成果对基于c d m a 技术的a dh o c 网络设计和优化提供了理论依据。 1 3 论文组织结构 论文的组织结构如下： 第一章绪论，分别对a dh o c 网络体系结构、面临的技术挑战、 m a c 协议问题、i e e e 8 0 2 1 1d c f 协议以及c d m a a dh o c 网络m a c 协议性能进行了综述，并归纳了本文的主要贡献。 第二章研究了移动a dh o c 网络的m a c 协议，分别研究了无线 多跳网络m a c 协议隐藏终端和暴露终端问题，最后对各种a dh o c m a c 协议进行了详细分析。 第三章分析了i e e e8 0 2 1 1d c f 协议，对i e e e8 0 2 1 1d c f 协议 b e b 退避算法和改进算法进行了详细仿真分析，分别仿真了三种算 法下的吞吐量性能及公平性。仿真结果表明，在本文仿真环境下，三 种退避算法吞吐量性能相当，而m i l d 公平性最好，其次是e i e d ， 最差的是b e b 。但是随着流量负荷的增加，在重负荷下三种算法的 公平性趋于相当。可见在中等负荷或轻负荷情况下，m i l d 是移动 a dh o c 网络首选退避算法。 第四章分析基于c d m a 的a dh o c 网络m a c 协议性能，通过建 立网络状态的马尔可夫模型，提出一种分析吞吐量性能的方法，所提 出的方法适用于同时存在背景噪声和多址干扰的情况。最后通过数值 仿真分析了扩频增益和信噪比对吞吐量性能的影响j 。并对网络参数进 硕七学位论文 行了优化配置。 8 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 2 移动a dh o c 网络m a c 协议 2 1a dh o cm a c 协议面临的问题 2 1 1 隐藏终端和暴露终端问题 多跳共享方式使得a dh o c 网络的信道接入问题变得非常复杂。 在a dh o c 网络中报文冲突只是局部事件，并非所有节点都能感知到， 一个节点正确接收了报文，而该报文可能会在另一个节点处发生冲 突。也可能报文在接收节点处发生了冲突，但发送节点并不一定能觉 察到，也就是说发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相同， 这就会带来隐藏终端、暴露终端等问题。一 ( 1 ) 隐藏终端 隐藏终端是指处在接收节点的覆盖范围内、发射节点的覆盖范 围外的节点。隐藏终端由于监听不到发送节点的的发送而可能向同样 的接收节点发送报文，造成报文在接收节点处冲突，隐藏终端示意图 如图2 1 所示。 图2 1 隐藏终端示意图 在图2 1 中，当节点a 向节点b 发送报文时，节点c 处在节点 a 的覆盖范围以外，但节点c 发送半径覆盖了节点b ，因此c 是隐 藏终端。当a 要向b 发送报文时， c 感知不到a 正在给b 发送报文， 由于c 处在a 的覆盖范围以外， 此时c r 虫可能给b 发送报文从而 硕士学位论文 造成冲突。这种情况下因为c 是作为发送者而造成的隐藏终端，称 为隐发送终端。隐发送终端问题可以通多址访问与碰撞避免( m a c a ， 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 ) 协议解决，m a c 协议采用 两种固定长度的短控制报文，即请求发送( i 盯s ，r e q u e s tt os e n d ) 报文和允许发送( c l e a rt 0s e n d ) 报文。当a 要向b 发送数据时，a 先向b 发送一个i 玎s 控制报文，b 收到i 玎s 后，以c t s 控制报文响 应；a 收到c t s 后才开始向b 发送数据，收不到c t s ，a 就认为发 生了冲突，就要重发r t s 报文。这样，隐发送终端c 就能够听到b 发送的c t s ，知道a 要向b 发送报文，c 不能发送任何信息，它就 延迟发送。 还有一种情况为隐接收终端，图2 1 中节点d 即为隐接收终端。 采用m a c a 协议，当c 收到b 发送的c t s 控制报文而延迟发送时， 如果此时d 向c 发送r t s 控制报文请求发送数据，因为c 此时不能 发送任何信息，所以d 就无法收到c 回应的c t s ，这就是隐接收终 端问题( 隐终端c 作为接收者) 。d 无法判断是r t s 控制报文发生了 冲突还是c 没有开机，或者c 是隐藏终端。d 只能认为i h s 控制报 文发生了冲突，就重新向c 发送r t s 。显然，d 在a 和b 通信期间 不可能收到来自c 的c t s ，这就造成了不必要的重发。 隐藏终端问题可能会引起报文冲突，从而影响信道利用率，所 以必须设法加以解决。 ( 2 ) 暴露终端 暴露终端是指在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。暴露终端因听不到发送节点的发送而延迟发送。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迟，需要想办法解决。 在图2 2 中，当节点b 向节点a 发送报文时，节点c 处在b 的 覆盖范围内而处在a 的覆盖范围外，c 是暴露终端。c 因听到了b 的发送而可能会延迟向d 的发送报文，但实际上c 向d 发送并不会 影响b 向a 的发送。 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 图2 2 暴露终端不意图 如果仍然采用解决隐终端问题提出的握手机制。当b 发向a 发 送数据时，c 听到了b 发送的i 盯s 报文，但没有听到a 发送的c t s 报文。此时，c 便知道自己是暴露终端，它向d 发送数据并不会影响 b 与a 的通信。暴露终端也可分为暴露发送终端和暴露接收终端两 种。 在b 向a 发送数据时，c 只听到了i s 控制报文，知道自己是 暴露终端，认为自己可以向d 发送数据，c 向d 发送r t s 控制报文。 如果采用单信道，来自d 的c t s 会与b 发送的数据报文在c 处发送 冲突，即c 收不到d 的c t s 报文。同样，由于c 不知道d 的当前状 态，就重发r t s 。显然，如果使用单信道，在b 与a 通信期间，c 无论发送多少次r t s ，它都不可能收到来自d 的c t s 。c 不但没有 向d 成功发送数据报文，反而重发了很多无用的r t s 。这就是暴露 发送终端问题。从上文可知，如果采用发送数据前握手机制，因暴露 终端c 无法和d 成功握手，它还是不能向d 成功把送报文。因此， 暴露发送终端问题在单信道条件下使用握手机制无法解决。 2 1 2 节点移动的影响 a dh o c 网络中的节点是移动的，这会造成网络拓扑结构不断变 化。a dh o c 网络的路由协议要适应这种动态变化的拓扑结构，提供 正确的路由。节点移动对信道接入协议也有一定的影响。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( 被成为入侵节 点) 可能会发送( 或正在发送) 数据而引起报文冲突。已有文献n 们通过理 论和仿真分析证明了节点移动对信道接入协议的影响是微乎其微的， 硕士学位论文 甚至可以被忽略。因此，在后续的内容中，将不考虑节点移动带来的 影响，只对节点静止状态下a dh o c 网络的信道接入协议进行描述和 分析。 2 2 几种m a c 协议的比较分析 己有的a dh o c 网络信道接入协议分为基于单信道、基于双信道 和基于多信道协。在本节中只介绍前两种，另外，本节还将介绍由接 收者发起预约信道的接入协议和节能意识多址接入协议。 2 2 1 单信道m a c 协议 基于单信道的a dh o c 网络信道接入协议用于只有一个共享信道 的a dh o c 网络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送 和接收。受传播时延、隐终端和节点移动等因素的影响，单信道的 a dh o c 网络中有可能发生控制报文之间、控制报文和数据报文、数 据报文之间的冲突。由于数据报文一般要比控制报文长得多，数据报 文的冲突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报文，尽量减少数据报文的冲突。典型的基 于单信道的a dh o c 网络信道接入协议有c s m a ，m a c a ，m a c a w ， i e e e8 0 2 1 1d c f 和f a m a 等。 ( 1 ) c s m a 协议n 5 1 c s m a ( c a 盯i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 协议是首次使用载波监 听的分组无线网信道接入协议。节点在发送数据之前，首先监听信道。 根据不同的监听策略，c s m a 分为非坚持、1 坚持、p 坚持。从吞吐 量、时延、实现难度几方面综合考虑，非坚持c s m a 是最佳的选择， 它的应用也最广泛。 ( 2 ) m a c a 协议n 6 3 m a c a ( m u l t ia c c e s sc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 是第一个使用 r t s c t s 控制报文握手来解决a dh o c 网络中隐终端和暴露终端问题 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 的信道接入协议，它源于c s m c a ( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 。m a c a 不使用载波监听，降低了硬件实现的复杂度。在单信道条件下，m a c a 通过i 珂s c t s 控制报文部分地解决了隐终端问题，但无法解决暴露 终端问题。当发送节点在发送用户数据之前，它首先向对方发送r t s 帧，帧中包含将要发送的报文的长度，当接收站收到i 盯s 后，将回 送一个捎带长度信息的c t s 帧。收到r t s 的其它站要延迟一段时间 以保证发送站能够接收并响应c t s 帧，听到c t s 的站知道有一个站 正在接收一定长度的报文，并实施退避算法，延迟发送来避免冲突。 发送站只有在收到c t s 后才能发送数据，否则执行二进制指数退避 算法( b e b ) ，延迟重发i 玎s 。m a c a 协议处理流程如图2 3 所示。 图2 3m a c a 协议流程示意图 m a c a 协议具有以下优点： 硕士学位论文 提高了无线信道的利用率：采用普通的c s m 协议时，一旦 发生冲突，冲突的各方都需要重传数据，这样就降低了无线信道的利 用率。采用m a c a 协议，尽管仍有可能发生i 盯s 帧和c t s 帧的冲突， 但由于i 汀s 帧和c t s 帧的长度比数据分组短得多，从而大大缩短了 冲突的概率和时间。当然，如果数据本身很短，就没有必要发送i 玎s 消息。因此，可以在链路层设置i 玎s 发送门限，只有数据长度大于 该门限，才发送i 汀s 帧。 解决了隐终端问题：如图2 3 所示，采用i 盯s c t s 机制后，b 在收到a 的i 玎s 帧会向a 发送c t s 帧，该c t s 帧同样会被c 听到， 因此c 此时就知道有节点将向b 发送数据，并根据c t s 帧中携带的 数据长度，等待相应的时间后再请求发送，从而解决了隐终端问题。 m a c a 虽然有上述优点，但也存在如下问题： 与c s m a 相比，m a c a 减少了数据报文的冲突。但是，虽然 i s c t s 帧的长度很小，但当网络负荷比较大时，在i s c t s 交互 期间也存在冲突。它不能解决a dh o c 网络m a c 协议控制分组之间 的冲突问题，这种控制分组之间冲突问题包括：i 汀s 之间的冲突，r t s 和c t s 之间的冲突，以及c t s 之间的冲突等。 m a c a 不具备链路层确认机制，当发生冲突时需要上层超时 重发，从而降低了效率。 由于采用的是二进制指数退避( b e b ) 策略，信道接入的公平性 很差。如果某个节点的退避计数器值较大，那么在后续的竞争中，它 失败的可能性也较大，从而使得退避值进一步增大，造成“饿死 现 象。 ， ( 3 ) m a c a w 协议n 铂 、m a c 删( m a c af o rw i r e l e s sl a n s ) 对m a c a 进行了改进。 m a c a w 采用r t s c t s d s d a t a a c k 的帧交换方式，i 汀s 、c t s 帧的作用同m a c a 中i 盯s 、c t s 帧的作用相同，a c k 帧用于目的节 点在正确收到数据帧后对源节点的确认，d s 帧由源节点在发送数据 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 帧之前发送，用于告诉源节点的相邻节点后续d a t a a c k 帧的发送 所需的时间，收到d s 帧的节点将根据d s 帧给出的时间作延迟等待。 另外，不同于m a c a ，m a c a w 对竞争窗口( c w ：c o n t e n t i o nw i n d o w s ) 采用乘性增加，线性减小的策略。m a c a w 会话机制如图2 - 4 所示。 图2 4 m a c a w 会话机制 对m a c a 协议的具体改进如下几个方面： 增加了链路层确认机制 m a c a w 采用r t s c t s d 闷巳t a c k 握手机制。如果发送站没有 收到来自接收站的c t s ，它超时重发r t s ：如果接收站没有收到 d a l 隗，它回应c t s ；如果正确收到d a t a ，它认为c t s 被发送站正 确接收，回应a c k 。重发r t s 时，如果没有收到任何数据，退避计 数器增加；若收到a c k ，退避计数器减小；若收到c t s ，退避计数 器不变。采用这种方法能够进一步提高信道的利用率。 硕士学位论文 对退避算法的改进 在某节点发送数据报文时，报文头部包含本节点的退避计数器 值，收到报文的节点可将此值作为自己的退避计数器值。这样可使两 者获得相同的退避计数器值。当传输完成后，所有的退避计数器恢复 到最小值。这种方法能够在一定程度上防止“饿死”现象，但是忽略 了网络当前的竞争激烈状况，在网络负荷很大时，增加了分组冲突的 可能性。另外，m a c a w 不是采用的二进制指数退避b e b 算法，而 采用了乘法增加线性减少退避m i l d ( m u l t i p l ei n c r e a s e l i n e a u r d e c r e a s e ) 算法，在m i l d 算法中，计数器值以1 5 的比例增加，以1 的步长减少，可以获得较好的公平性。但是这种算法使用单一的退避 计数器会使拥塞问题过度传播，例如当某节点关闭时，计数器值会急 剧增长，从而将降低系统的效率。另外，m a c a w 还可以为不同的目 的站维护和拷贝多个退避计数器值。 在其他方面的改进 在r t s 和c t s 成功交互后，发送节点可以发送一个简短的d s 消息，来通知其他站此时停止发送信号。暴露终端在收到d s 信号后， 不再发送信号，这样便解决了m a c a 中的暴露终端退避计数器连续 增加的问题。此外为了判断r t s 和c t s 交互失败的原因，可以在i 盯s 和c t s 头部包含本次交互发送的i 玎s 和c t s 报文的数目，通过计算 一次成功交互i 玎s 和c t s 需要重发的次数可以判断冲突的具体情况， 从而合理调整双方的退避计数器的值。m a c a w 的主要缺点是在一次 通信中控制信息交互次数太多，过多的握手信号占用了大量的网络资 源，如果考虑无线收发装置的转换时间，其效率并不理想。m i l d 退 避可以在一定程度上解决公平性问题，但是，使用单一的计数器会使 拥塞问题过度扩散。所以，尽管m a c a w 提高了网络的吞吐量，但 是网络开销和传输时延比m a c a 大，另外m a c a w 也不适合用于多 播环境。 m a c a w 的主要缺点是通信中控制信息交互次数太多，如果考 虑无线设备的发送和接收的转换时间，这种方法的效率并不高，并且 移动a dh o c 网络m a c 协议研究与性能仿真 它也不能完全解决暴露终端问题。 ( 4 ) f a m a 协议u 副 龇对m c a 和m a c a w 作了进一步改进。它通过延长c t s 控制报文的长度来消除控制报文的冲突，比较好地解决了隐发送终端 问题。f a m a 还允许一次r t s c t s 成功握手，节点可以连续发送多 个报文，从而增加了网络的吞吐量，提高了信道的利用率。f a m a 是 基于单信道的a dh o c 网络信道接入协议中较成功的一种。美军在无 线互联网网关( w i n g ) 中使用的信道接入协议就是m a 。 ( 5 ) i e e e 8 0 2 1 1d c f 协议u 引 i e e e 8 0 2 1 1d c f 协议对c s m c a 进行了扩展，加入了a c k 控制报文来实现链路层的确认，采用的报文交互顺序是 i 玎s c t s d a r a a c k 。节点在发送报文前先监听信道的忙闲状况。 如果信道空闲，并持续d i f s 的时间，它就开始发送报文；否则执行 退避算法，计算一个随机的退避时间，一直等到信道空闲，并持续空 闲了d i f s 的时间后，节点开始以时隙为单位递减退避时间。如果退 避到o ，节点就开始发送报文；如果在递减过程中信道变忙，节点就 冻结退避时间，等待信道变闲并持续空闲了d i f s 的时间后继续递减。 i e e e8 0 2 1 1d c f 是目前应用最广的无线a dh o c 网络m a c 机制，它 已被众多无线网卡的生产厂家实现为无线局域网的m a c 协议。同时， i e e 8 0 2 1 1d c f 也被广泛应用于无线a dh o c 网络研究的仿真和实验 网中。本文的第三章将对其基本原理作详细介绍。 2 2 2 双信道m a c 协议 基于双信道的信道接入协议用于有两个共享信道的a dh o c 网， 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报文，而 数据信道只传