（通信与信息系统专业论文）ad+hoc网络中基于邻居意识的定向天线控制方法.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页捅斐a dh o c 网络是一种由一系列既有收发功能又有路由功能的移动节点组成的通信网络，可以实现多跳通信。由于a dh o c 网络不需要固定设施、具有高度的灵活性和抗毁性，可广泛应用于军事行动、紧急搜救和办公会议等临时场合。在无线a dh o c 网络中，多个通信节点使用同一频率，可能会出现多个移动节点同时接入信道的情况，导致报文发生冲突。为了解决这个问题，就需要媒体接入控制( m a c ) 协议来协调节点的接入，使节点可以公平、有序的接入到无线信道。a dh o c 网络m a c 协议大致可以分为基于谁先发起通信邀请，信道个数，以及是否使用定向天线等几大类。最基本的m a c 协议是8 0 2 1 1 协议，很多协议是在8 0 2 1 1 d c f 协议基础上改进来的。传统的m a c 协议都是基于全向天线的，这种天线结构简单、易于实现。定向天线由于有较高的天线增益，较高的空间信道利用率等，近几年才受到人们的关注，一些关于定向天线的m a c协议也随之产生。本文主要工作：a ) 本文在深入分析现有的m a c 协议的基础上，总结这些协议的优缺点，得出了现有的m a c 协议不能完全解决a dh o c 网络的问题的结论。重点分析了本文的理论基础d m a c 协议，在该协议的基础上提出了基于邻居意识的定向天线控制方法( n e m a d m a c ) 。b ) 本文研究的意义是利用本文提出的m a c 协议，提高空间信道利用率。当使用信道的节点比较多，空间信道比较繁忙时，本地信道使用指数就大，发送报文的节点的定向天线波束角度要变小一些，留出更多的空间信道让其它节点使用；当空间信道不繁忙时，本地信道使用指数就会比较小，节点定向天线的波束角度变大，尽量减少由于节点移动而造成的丢包。仿真结果表明n e m a d m a c 协议在吞吐量、抖动和延时性能方面都优于现有的m a c 协议。关键词：a dh o c 网络、n e m a d m a c 、定向天线、n s 2a b s t r a c ta dh o cn e t w o r ki sac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，i t sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k t h ed e v i c e si nt h ea dh o cn e t w o r kc a nb eu s e da st r a n s c e i v e ra n dr o u t e r ，s om u l t i h o pc o m m u n i c a t i o nc a nb ea c h i e v e db yi t s e l f a st h ea dh o cn e t w o r kd on o tr e q u i r eaf i x e di n f r a s t r u c t u r e ，ah i g hd e g r e eo ff l e x i b i l i t ya n ds u r v i v a b i l i t yc a p a b i l i t i e s ，c a nb ew i d e l yu s e di nm i l i t a r yo p e r a t i o n s ，e m e r g e n c ys e a r c ha n dr e s c u ea sw e l la so f f i c em e e t i n g s i nt h ew i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ，a l ld e v i c e su s i n gt h es a m ef r e q u e n c y ，t h e r em a yb ean u m b e ro fd e v i c e sa c c e s sc h a n n e la tt h es a m et i m e ，r e s u l t i n gi nc o l l i s i o n t os 0 1 v et h i sp r o b l e m ，w en e e dm 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 lt oc o o r d i n a t et h ed e v i c e s ，s ot h a ti tc a nb ee f f i c i e n t ，o r d e r l ya n de q u i t a b l eu s eo ft h em e d i a a dh o cn e t w o r kh a v em a n ym a cp r o t o c o l ，w h i c hc a ng e n e r a l l yb ed i v i d e di n t ob a s e do nt h ef i r s ti n v i t a t i o nt oi n i t i a t ec o m m u n i c a t i o n s ，c h a n n e ln u m b e r ，a sw e l la sw h e t h e rt ou s ec a t e g o r i e so fd i r e c t i o n a la n t e n n a 8 0 2 11d c fp r o t o c o li st h em o s tb a s i cm a cp r o t o c o l ，al o to fm a cp r o t o c o li si m p r o v e m e n ti ni t l h et r a d i t i o n a lp r o t o c o lu s eo ft h ea n t e n n ai so m n ia n t e n n a ，t h i sa n t e n n as t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n t d i r e c t i o n a la n t e n n ac a l lb ea sar e s u l to fh l g h e rg a i na n t e n n a s ，a n dt oi m p r o v ec h a n n e lu t i l i z a t i o no fs p a c ea n ds oo n ，i nr e c e n ty e a r sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，an u m b e ro fd i r e c t i o n a la n t e n n am a cp r o t o c o la p p e a r i nt h i sp a p e r ，t h em a jo rw o r kd o n eb yt h ef o l l o w i n g ：1 t h i sp a p e ri si n d e p t ha n a l y s i so ft h ee x i s t i n gm a cp r o t o c o lo nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ea g r e e m e n t s ，r e s u l t e di nt h ee x i s t i n gm a cp r o t o c o lc a nn o tc o m p l e t es o l v et h ep r o b l e mo fa dh o cn e t w o r k d m a cp r o t o c o li st h eb a s i co ft h i sp a p e r sn e wm a cd r o t o c 0 1 d i r e c t i o n a la n t e n n ac o n t r o lm e t h o db a s e do nt h en e i g h b o r s a w a r e n e s si na dh o cn e t w o r k ，t h e r e f o r e ，i tp r e s e n t e dav e r yd e t a i l e d 2 t h es i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d yi st h a tu s i n gt h em a cp r o t o c o lp r o p o s e di n西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页t h i sp a p e rt oi m p r o v et h ec h a n n e lu t i l i z a t i o no fs p a c e i fm o r en o d e sw a n tt ou s et h ec h a n n e lt oc o m m u n i c a t i o n ，t h ec h a n n e li sv e r yb u s y ；t h ei n d e xo fl o c a lc h a n n e lw i l lb eh i g h e r s ow em a k et h ep u l s ew i d t hn a r r o w e r ，i tc a nl e a v em o r es p a c ec h a n n e lf o rt h eo t h e r sn o d e sw h i c hw a n tt ou s ei t i ff e w e rn o d e sw a n tt ou s et h ew i r e l e s sc h a n n e l ，t h ei n d e xo fl o c a lc h a n n e li ss m a l l ，a n dt h e nt h ep u l s ew i d t hs h o u l db ew i d e r ，a st h em o b i l en o d ei tc a nm i n i m i z et h ep a c k e tl o s s 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta g r e e m e n tn e m a d m a ct h r o u g h p u t ，j i t t e ra n dd e l a yp e r f o r m a n c ea r es u p e r i o rt ot h ee x i s t i n gm a cp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：a dh o c ；n e m a d m a c ；d m a c ；n s 2西南交通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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密盼使用本授权书。( 请在以上方框内打“ )学位论文作者签名：黄弘豹日期：以多1 2 -f指导老师签名：坞锸免日期：乱幽，c ，is西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：本文使用前人提出的信道使用指数来实时的调整a dh o c 网络中定向天线波束角度，使空间信道利用率达到最大。具体调整策略为：当本地信道使用指数比较大时，定向天线波束角度变小；当本地信道使用指数比较小时，定向天线波束角度变大。酋牛劾y 弘，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页1 1 本文研究背景和意义第1 章绪论无线信道是一种比较稀缺和宝贵的资源，如何高效、公平的利用这种资源已经成为了研究的热点。传统的a dh o c 网络节点一般采用全向天线，这种天线结构简单、易于实现、成本低廉。当节点使用全向天线进行通信时，在该节点无线信号覆盖范围内的非目的节点都不能进行通信，而且容易产生隐藏终端和暴露终端，这样就造成大量无线信号资源的浪费。针对隐藏终端和暴露终端问题，研究人员经过不懈的努力提出了大量的m a c 协议，但是这些协议只能解决部分a dh o c 网络问题，而不能从根本上消除，因此如何最大限度的减少隐藏终端和暴露终端的影响成为研究m a c 层协议的目标之一。定向接入协议是近几年随着定向天线技术的发展而发展起来的。定向天线由于高增益、低干扰、传输距离远、可以在很大程度上提高空问信道利用率，得到了学术界和工业界的广发关注。虽然定向天线在蜂窝网以及其它通信网络中的应用已经很广泛，但是在a dh o c 网络中的应用还比较新，处于研究探讨阶段。定向天线应用至- i j a dh o c 网络虽然可以提高网络的整体性能，但是也会带来一些新的问题，比如新的隐藏节点、暴露节点和聋节点等。针对定向天线给a dh o c 网络带来的新问题，我们应该设计出新的m a c 协议来充分发挥定向天线的优势。本文研究的意义是通过a dh o c 网络中节点相互传递自己周围的信道使用情况，使每个节点对整个网络的信道使用情况有所了解，当接收或发送报文时，根据信道使用情况适当调整定向天线波束角度，在保证正常通信的情况下，尽量使其它节点有机会接入信道，使空间信道利用率达到最大值。1 2a dh o c 网络m a c 协议研究现状传统网络的共享方式有点对点式、一点对多点式和多点共享式，但是a dh o c网络的信道共享方式与传统网络不同。虽然a dh o c 网络也是一个共享的广播信道，但它不是一跳共享的。当a dh o c 网络中的节点发送数据时，只有它覆盖范西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页围之内的节点才能感应到通信的存在，其它节点感应不到。如果节点感应不到通信的存在，它就可以发起通信，而不会影响现有的通信链接，这样就增加了空间信道的复用度，提高了空间信道利用率，这也正是a dh o c 网络的优点之一。我们通常称a dh o c 网络为多跳共享的广播信道。多跳共享的广播信道对a dh o c 网络带来的直接影响是报文冲突与节点所处的位置有关，因此传统的m a c 协议已经不再适用，需要设计符合a dh o c 网络特点的m a c 协议。全新理念的m a c 协议都是几年前提出的，近几年只是在原有协议的基础上做的一些改进。a dh o c 网络m a c 协议一直都是研究的热点和难点。m a c 协议从最初的a l o h a 协议发展到现在已经有很多种类型，这些协议按照使用信道个数可以划分为单信道、双信道和多信道协议；按照谁先发起通信可以划分为源节点发起协议和目的节点发起协议；按照天线模式可以划分为全向模式协议和定向模式协议。这么多的m a c 协议都是为了使网络中的节点能够较公平的接入到信道中，尽量把空问信道利用率提高到最大。虽然现有的m a c 协议能够解决部分a dh o c 网络中的问题，但足并不能从根本上根除，只能最大限度的抑钸1 a dh o c 网络中的不利因素。在现有的这些m a c 协议中，定向接入协议出现较晚，由于定向天线自身的一些特性，在理论上它的性能是最好的。1 3 本文的研究目标和主要工作本文提出了一种改进的m a c 协议a dh o c 网络中基于邻居意识的定向天线控制方法( n e m a d m a c ) 。n e m a d m a c 协议的基本思想是通过a dh o c网络中的节点相互传递本节点已知的信道使用情况，使网络中的节点对整个网络的信道使用情况有整体的了解，当节点使用定向天线接收或发送分组报文时，根据周围信道使用情况适当调整定向天线的波束角度的大小，在保证不影响节点通信的情况下尽量提高空间信道利用率。在本文的最后使用仿真软件实现n e m a d m a c 协议，并将该协议的几个主要指标与现有的协议进行比较，证明本文提出的协议的优越性。本文的工作主要可以分为两大部分，第一部分分析现有的m a c 协议；第二部分提出新的m a c 协议，通过仿真证明本协议的优越性。第一部分分析了a dh o c 网络的特点，它独有的无中心自组织性、动态变化西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页的网络拓扑结构、多跳的组网方式等特性，使得它与传统网络截然不同。a dh o c网络的特点使现有的通信协议不再适用于该网络，必须针对它的特点设计出合适的通信协议。m a c 协议是a dh o e 网络中比较重要的协议，控制着节点的信道接入方式。本文将m a c 协议按照不同的划分标准分为了几大类，每个类别中选出具有代表性的几个协议进行分析，然后归纳总结了m a c 层协议存在的缺点。由于本文是在d m a c 协议基础上改进来的，为了突出d m a c 协议的重要性，将该协议分析部分单独作为一节。虽然d m a c 协议性能比较优越，但是它也存在定向协议固有的缺点，l i - , p n 新隐藏节点、新暴露节点以及聋节点等。定向接入协议中用到的定向天线也是实现通信重要的一环，由于定向天线的加入改变了原来关于邻居的概念，对a dh o e 网络产生了一定的影响。第二部分首先声明了本文协议实现的两个基本假设条件：首先假设天线可以根据波达角( d o a ) 判断信源的方向；其次假设a dh o c 网络中的节点是静止不动的。在上述两个前提条件下实现n e m a d m a c 。通过网络中节点问相互传递信道使用情况，使每个节点都了解整个网络的信道使用状况，当节点发送或接收报文时适当调整定向天线波束角度，这就是n e m a d m a c 的基本思想。n e m a d m a c 是在d m a c 协议的基础上实现的，因此它的工作机制与d m a c 协议大致相同。本文的最后使用n s 2 仿真软件来实现n e m a d m a c 协议，并将几个主要的性能参数与现有协议的参数相比较，仿真结果证明了本文所提协议的优越性。1 4 本文组织结构本文主要分析了现有的m a c 层协议，在d m a c 协议基础上结合信道使用指数来实时的控制定向天线的波束角度，使空间信道利用率达到最大值。第1 章讲述了m a c 协议的重要性及研究意义，介绍了目前的研究现状。然后详细阐述了本文的研究目标及所作的主要工作。第2 章介绍a dh o c 网络产生的背景、工作方式和分层结构等。从a dh o c 网络特殊的组网方式总结出它独特的分层结构和特点，这些都是传统网络所不具有的。本章的最后介绍了目前a dh o c 网络的研究热点。第3 章首先介绍了m a c 协议在通信中的地位和作用，介绍了几个具有代表西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页性的m a c 协议，重点介绍了d m a c 协议，分析了现有这些协议存在的不足。后半本部分阐述了定向天线的工作原理，以及在a dh o c 网络中的使用。定向天线使用在a dh o c 网络中对网络性能有了较大提高，但同时也带来了很多新问题，对a dh o e 网络的性能产生了很大影响。第4 章是本文的核心，介绍了作者提出的a dh o e 网络基于邻居意识的定向天线控制方法( n e m a d m a c ) 。首先提出了本协议的两个前提假设条件，详细说明了邻居间如何相互传递本地信道使用情况，以及节点有数据要发送或接收时如何根据信道使用情况适当调整定向天线波束角度。第5 章是n e m a d m a c 协议仿真的实现。在n s 2 仿真软件中，实现了信道使用指数的计算和定向天线波束角度的调整。建立了一个虚拟的通信场景，分别使用n e m a d m a c 、d m a c 协议和8 0 2 1l 协议完成通信。最后分析仿真数据，把几个主要的性能参数和现有协议的参数相比较，证明了本文所提协议的优越性。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页第2 章a dh o c 网络概述2 1a dh o c 网络综述在无线网络所有应用和服务中，网络连接和数据处理能力是最重要的。为了保证这些无线设备能够顺利通信，目前它们之间的绝大部分连接是通过固定基础设施的来完成的。尽管这些基础设施为无线通信提供了方便，但是建立这些基础设施需要花费大量的人力、物力和财力，并且建设周期长、施工难度大，特别是在一些特殊场合，如没有布置固定设施的荒野和一些无法布置固定基础设施的地方，就需要一种不依靠固定设施就可以工作的网络。这种网络可以解决许多实际问题，比如战场上部队的快速展开和推进；发生地震或水灾后的营救；野外科学考察；偏远山区和临时会议等。实现这些场合下移动设备的互联和网络服务已经成为一个挑战性的任务。在这种情况下产生，a dh o c 网络就是就应运而生，为无线移动设备的互联提供了一种很好的解决方案。a dh o c 网络也称为“自组织网络”或“无固定设施网络”n 1 ，它有组网快、灵活、使用方便、不需要固定基础设施等优点，已经得到了学术界和工业界广泛关注，目前的应用也越来越广泛，已经成为无线通信发展的一个重要方向。2 1 1a dh o c 网络的定义a dh o c 网络是一组具有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自组织通信网络。这种通信网络中的节点不需要固定基础设施的支持就可以相互通信，网络中的每个节点不但具有通信终端的功能，同时还具有路由器的功能，因此可以通过中间节点的转发实现多跳通信【1 】。2 1 2a dh o c 网络工作方式a dh o c 网络中移动节点既有通信终端的功能又有路由器的功能，作为通信终端它要处理面向用户的应用程序；作为路由器，它需要运行相应的路由协议。由于a dh o c 网络中的节点具有路由功能，因此这些节点通过无线连接可以构成西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页网络拓扑，并且这种拓扑结构随着节点的移动随时都在发生变化。a dh o c 网络的物理组网结构和逻辑组网结构如图2 1 所示。a ) a dt t o c 网络物理组网图矿孙誓鬯夕拗也，罗b ) a dh o c 网络逻辑组网图图2 1a dh o c 组网图2 1 3a dh o c 体系结构参考o s i 的经典7 层协议模型和t c p i p 的体系结构，结合a dh o c 网络自身的特点，可以将a dh o c 网络的协议栈划分为5 层，如表2 1 所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页表2 1a dh o c 网络层次结构o s i 的七层结构a dh o c 网络分层结构应用层应用层表示层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层a dh o c 网络各层的功能描述如下：1 物理层物理层的功能包括信号的接收、发送、调制、解调和无线信号的检测等。由于物理层采用无线通信方式，节点问的相互干扰和多径传播引起的多径衰落、码间串扰等因素，使a dh o c 网络传输链路的带宽容量比理论值要低很多1 。a dh o c 网络物理层所采用的技术主要有三种：正交频分复用技术( o f d m ) 、红外传输( i r d a ) 和扩展频谱技术。2 数据链路层数据链路层分为l l ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 )子层。l l 子层负责屏蔽不同的m a c 协议，向网络层提供统一的服务。m a c 层定义了节点接入无线信道的方法，使网络中的节点能够较公平的使用无线信道。m a c 子层的功能可以分为两部分：一是信道划分；二是信道分配b 3 。3 网络层网络层主要负责实现路由协议的功能，具体功能是从源节点到目的节点通信链路的建立、维护和拆除。a dh o c 网络中节点的移动性较强，网络拓扑结构变化比较快，传统的路由协议已经不能满足a dh o c 网络的需求。针对a dh o c 网络的特点，路由协议应该满足以下要求：分布式运行；无环路路由；按需路由等。西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页4 传输层及应用层传输层可以屏蔽底层链路的不稳定问题，使上层应用与通信子网相隔离，并根据路由协议的特性高效利用网络资源。研究表明由于a dh o c 网络的延时变化比较大、误码率比较高、带宽比较窄等因素，导致传统网络中的t c p i p 、u d p协议不适合a dh o c 网络，应该根据a dh o c 网络自身特点对传统协议做相应的修改3 | 。2 2a dh o c 网络特点通过以上描述我们可以看出，a dh o c 网络有很多特点是传统通信网络所不具有的。主要有以下特点：1 无中心和自组织性a dh o c 网络采用平面式分布结构，网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位都是平等的。由于a dh o c 网络没有控制中心节点，因此任何节点发生故障都不会影响到整个网络的运行，具有很强的抗摧毁性m 。网络中的各节点通过网络协议和分布式算法协调彼此的行为，网络中节点的加入或离开具有随意性。2 动态变化的网络拓扑由于a dh o c 网络中节点的移动，天线类型多种多样，电台功率大小不一，以及地形和天气等因素使以无线方式连接起来的网络拓扑不断变化，而且这种变化是难以预测的。具体的体现就是在拓扑结构中节点的增加或消失、代表无线信道的有向边的增加和消失、网络拓扑结构的分割和合并乜1 。3 多跳的组网方式由于受发射功率的限制，a dh o c 网络中每个节点的覆盖范围都是有限的，当节点要与覆盖范围之外的其它节点进行通信时，就需要借助中间节点的转发来完成通信。如图2 2 所示，当节点a 不能和节点c 直接通信时，可以借助节点b的转发使用多跳来完成通信，报文转发是通过普通节点b 来完成的，而不是像传统网络那样通过专门的路由器来完成心3 。一一图2 - 2 多跳通信西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页4 无线传输a dh o c 网络采用无线信道作为传输介质，它提供的网络带宽比有线信道低很多，并且无线信道的环境复杂，通信质量比较差。另外竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道干扰等，使移动节点获得的实际带宽比理论上的最大带宽要小很多，并且带宽会随时间发生变化窿1 。地形和发射功率等因素使a dh o c 网络中可能存在单向信道。如图2 3 所示，车载终端的发送功率大于手持端的，手持终端设备可以收到车载设备的信号，车载设备则有可能收不到手持设备的信号。国一图2 3 瞥向通信5 移动终端移动终端具有便于携带、轻便小巧等优点，但是同时也存在一些缺点，例如能量受限，内存小，c p u 月一e 力不强等。a dh o c 网络中的移动终端不但要运行面向用户的应用程序，而且还要执行路由算法，因此对c p u 的要求很高心1 。6 安全性差a dh o c 网络由于采用无线信道作为传输媒介、使用分布式控制等技术，它比有线网络更容易受到网络攻击。因此，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、等安全措施都需要特别考虑汜1 。7 网络的扩展性不强由于传统i n t e m e t 网络采用了子网技术，因此它具有较强的可扩展性。但是a dh o c 网络中具有不同子网地址的移动终端可能处在同一个网络，因此传统网络中的子网技术不可以用在a dh o c 网络砼1 。8 。生存时间短由于a dh o c 网络通常是由于特殊原因临时建立起来的通信网络，多用于战场、救灾等场合，任务完成后，网络就会自动消失。西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页2 3a dh o c 网络研究热点由于a dh o c 网络与传统网络的组网方式完全不同，传统的通信协议不再适用与该网络，因此研究出新的适合这种网络的通信协议就成为了最迫切的需求。此外，学者们不希望a dh o c 网络单独工作，更希望它能够和现有的i n t e r n e t 网络和蜂窝网络相连，因此研究如何和现有网络互联也成为了一个研究热点。近几年a dh o c 网络的研究热点主要集中在以下几个方面：1 提出新的路由协议。新协议为了避免广播风暴，一般采用广播或组播方式组建路由来适应动态变化的网络拓扑。全新的路由协议一般是2 0 0 0 年以前提出的，后面的工作只是在这些协议基础上做的改进，比较典型的路由协议有d s d v 、a o d v 、d s r 等。2 提出新的m a c 协议。为了解决a d h o c 网络中的隐藏节点和暴露节点问题，m a c 协议引入了r t s c t s a c k 方案，最有代表性的是m a c a 协议。使用多信道和使用定向天线的m a c 协议也成为了研究热点，使用定向天线的m a c协议在理论上性能最为优越。3 与现有蜂窝网互联。有些学者提出在蜂窝小区内使用a dh o c 网络补盲，来提高蜂窝网的性能。也有学者提出在蜂窝网上再覆盖一个a dh o c 网络，用一些无线路由器代替蜂窝网的一些节点。该方案是在2 g 网络上做的试验，通过优化路由、信道规划和功率控制等达到了提高系统吞吐量的目的。4 基于a dh o c 网络的t c p 协议、地址分配、功率控制、安全性、分布式算法等问题也得到了广泛的研究。5 网络构建的研究。有些学者正在研究使用蓝牙技术组建a dh o c 网络。蓝牙技术本身可以组建微微网，微微网通过桥节点互联，就可以组成建a dh o c 网络。2 4 本章小结本章了介绍a dh o c 网络产生的背景、工作方式和分层结构等。从a dh o c 网络特殊的组网方式总结出它独特的分层结构和特点，这些都是传统网络所不具有的，因此应该改进现有的通信协议来适应a dh o c 网络的特点。本章的最后介绍了近几年a dh o c 网络的研究热点。西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页第3 章m a c 层协议和定向天线分析a dh o c 网络是共享无线信道的多点多跳网络，网络中各个节点通过竞争占用无线信道。m a c 层协议负责控制节点对无线信道的占用，保证网络的整体性能，使各个节点能够公平的接入到无线信道中。从a dh o c 网络产生起一直到现在，m a c 层协议一直就是研究的热点和重点，这也体现了m a c 层协议的重要性。本章将详细介绍a dh o c 网络的各种m a c 协议，阐述它们的工作机制。本章后半部分介绍了定向天线的工作原理和定向天线应用到a dh o c 网络后，给该网络带来的影响。3 1m a c 层协议m a c 层协议主要负责节点如何接入到共享的物理介质。发送数据时，m a c 协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以就给数据包加上一些控制信息，将数据和控制信息以规定的格式发送到物理层；接收数据时，m a c协议首先判断接收到的信息足否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息后发送至l l c 层。3 1 1m a c 协议功能a dh o c 网络的数据链路层协议可以划分为两个子层：逻辑链路控制子层l l c 和媒体接入控制子层m a c 。逻辑链路控制子层主要完成连接控制、分簇等与信道无关的链路控制层功能。媒体接入控制子层控制节点的无线信道接入，为上层提供快速、可靠的报文传送。3 1 2 典型的m a c 层协议1 基本的多重接入协议a l o h a 类a l o h a 协议是最早的a dh o c 网络信道接入协议，它主要用于全互联的西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页无线网络中3 。当节点有数据要发送时，它就直接发送，不采用任何信道占用标志。因为没有采取任何载波监听和冲突避免措施，它的数据报文冲突的概率很大。c s m a 类c s m a 协议首次将载波监听机制引入到无线信道分组协议中，它的基本思想是在发送数据报文之前监听信道，如果信道空闲就发送数据，信道忙就延迟发送，以此来减少报文的冲突。2 基于单信道的信道接入协议m a c am a c a 首次使用r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 和c t s ( c l e a rt os e n d ) 控制报文握手方式，用这种方式来解决a dh o c 网络中的部分隐藏终端和暴露终端问题。m a c a 的基本思想如下：源节点发送数据前先向目的节点发送r t s ；目的节点接收到r t s 后回复c t s ；源节点接收至i c t s 后，开始发送数据；非目的节点收到r t s 后的一段时问内停止发送任何消息，以此来保证源节点能正确接收到目的节点发来的c t s ；非源节点接收至i j c t s 后的一段时间内停止发送任何消息，以此来保证目的节点能正确接收源节点发的数据包。i e e e 8 0 2 11d c f ( 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 )在c s m a c a 协议基础上加入a c k 控制报文进行链路层的确认，同时保留载波监听机制就成为了8 0 2 1 1 d c f 协议。数据报文较长时采用报文交互顺序为r t s c t s d a t a a c k ；当数据报文较短时，直接采用d a t a a c k 交互顺序。8 0 2 11d c f t _ 作机制如图3 1 所示。节点必须在检测到信道空闲时间超过d i f s 或s i f s 才可以发送相应的报文；n a v 是虚拟向量表，节点接收到不是发向自己的报文后，提取报文中的通信持续时间更新自己的n a v ，在这段时间内节点不能通信；c o u n t 是随机退避时间，当节点检测到信道空闲时间超过d i f s 或s i f s 时，再选择一个随机的退避时间c o u n t ，退避时间减到零后才可以发送报文。西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页受曼堇：= ：= ：= = ：! ：芝i 上一，f u ir 1d a t ahji jiir t s- _ ；卜- - - 一s i f s 商册司。i乙1 u南l f ? 。n a 吖尺弼ic o u n t 砌o人一玎c 两ll弓vi)tualc 。 r i e rs e n s i n g+ ln av ( d a t a )i一、，7jdefern c c e s sib a c k o f f图3 - 1i e e e 8 0 2 11d c f 工作机制3 基于双信道的信道接入协议b a p u ( b a s i ca c c e s sp r o t o c o lf o rw i r e l e s s )b a p u 是使用双信道的无线信道接入协议，它从m a c a w 改进而来的，适用于a dh o c 网络。它所采用的报文交互顺序是r t s c t s d s d a t a a c k 。控制报文r t s 、c t s 和d s 在控制信道上发送，数据报文d a t a 和控制报文a c k在数据信道上发送n 1 4 3 。d b t m ad b t m a 协议有四个信道，分别是数据信道、控制信道、和两个带外忙音，这两个带外忙音是发送忙音和接收忙音。该协议的报文交互顺序为r t s c t s d a t a ，i 玎s 和c t s 在控制信道上传输，d a t a 在数据信道上传输。当源节点周围没有接收忙音时允许它发送r t s ，当目的节点周围没有发送忙音时允许它发送c t s 和接收忙音，源节点收至i j c t s 后，发送数据和发送忙音。4 基于多信道的多址接入协议h r m af h o pr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s )h r m a 是使用低速跳频直接序列扩频系统的多信道接入协议n8 1 ，它的原理是通信节点按照预先设好的跳频模式来确定传输信道。当两个节点经过r t s c t s 握手后，使用固定的信道进行数据传输，其它节点继续跳频，直到通信信道建立。这种方式只适用于低速跳频a dh o c 网络。d c a ( d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t )西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页d c a 使用一个固定信道传输控制报文，其它的信道传输数据报文。网络中的每个节点都有两个接接收发送设备，并且每个节点可以同时在控制信道和数据信道上监听。源节点根据周围信道条件设置数据信道参数，将该参数放在r t s 报文中；目的节点从源节点列出的数据信道参数中选择数据信道，并将该信道信息放在c t s 分组中；d a t a 和a c k 在数据分组中传输。5 基于定向天线的信道接入协议定向接入协议在发送数据报文前也用r t s 和c t s 来完成信道预约。r t s和c t s 的组合方式是多样的，k l 女n o r t s ( 全向r t s ) - - o c t s ( 全向c t s ) 、o r t s - - d c t s 、d r t s d c t s 等，定向接入协议根据不同的情况选择不同的组合方式。虽然r t s 和c t s 报文交互形式多种多样，但是d a t a 和a c k 都是定向发送的。由于本文要重点介绍d m a c 协议，因此将该协议放在了下一节做详细介绍，下面简单介绍几种其它的定向接入协议。d b t m a d ad b t m a d a ( d b t m ap 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 ) 心引用定向天线( 波束转换天线) 来传输o r t s d c t s 、数据帧和双忙音，因此该协议需要移动节点具备多部收发机。a dh o c 网络中的节点通过向邻节点发送o r t s ，返回d c t s 来获得各自的位置信息。协议的实现如下：当节点有数据要发送时，监听控制信道同时启动竞争计时器，如果在规定的时问内没有检测到接收忙音b t r ( r e c e i v eb u s yt o n e ) ，就全向发送一个包含坐标信息的o r t s ，并启动r t s计时器，如果有接收忙音则等待；目的节点接收到0 l 汀s 后，监听控制信道，在规定的时间内如果没有检测到传输忙音b t t ( t r a n s m i tb u s yt o n e ) ，就发送一个包含坐标信息的d c t s ，并启动c t s 计时器，发送接收忙音直到数据传输结束或者是计时器停止，如果检测到发送忙音则取消发送d c t s ；发送节点收多j d c t s 后，开始发送传输忙音b t t 直到数据传输结束，并在数据信道上传输数据分组。当发送节点的r t s 计时器结束仍未收至i j d c t s 时，取消发送。如图3 2 a 所示，当节点s 向节点d 发送数据时，如果发送全向传输忙音b t t ，则节点b 可以检测到，在节点s 发送数据这段时间内，节点b 不能接收任何消息。如果节点a 这时有数据要向节点b 发送，节点b 是不能接收的。如果定向发送传输忙音如图3 2 b 所示，则当节点s 向节点d 发送数据时，定向传输忙音，则节点b 听不到节点s 发送的传输忙音，如果节点a 有数据向节点b 发西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页送，此时节点b 就可以正常的接收。因此使用定向传输忙音也可以增大空间信道的容量。l，一a ) 全向忙音，一7 一、图3 - 2 忙音b ) 定向忙音a b f c s m a c a文献刚提出了自适应波束形成a b f c s m a c a ( a d a p t i v eb e a mf o r m i n gc s m a c a ) 协议。该协议在r t s 和c t s 分组报文中预先设置训练序列，自适应阵列天线根据训练序列进行波束形成，波束形成后传输d a t a 和a c k 。每个节点保存有两个n a v ，o n a v 和b n a v ：o n a v 记录邻节点用全向天线占用信道的时间，b n a v 记录邻节点用定向天线占用信道的时间，o 为全向模式，b 为定向模式( b f ) 。节点空闲时用全向天线模式监听信道。a b f c s m a c a i作模式如图3 3 所示。，tt lt 2f马母发送节点二= 兰兰立j 三五：乏一生二兰型二戛商i 发送节点芒二= j 足乙s 幺= 叫i一苎二二型幽z 丝垒：鱼2 ：，：f：接收节岗i 釜二垒虹蛊幺i = 二赢-1 - - - j-其它节点!；! ：丘塑丝芝；-；b n a o p c a v l ；：图3 - 3a b f c s m a c a 工作机制m m a cm m a c ( m u l t ih o pd r t sm a c ) 3 协议建立在d m a c 基础之上，源节点使西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页用多跳的d r t s 与较远的节点建立连接，目的节点使用一跳、定向传输d c t s的方式与源节点建立链接，d a t a 和a c k 都是定向传输。该协议适用与收发节点都是定向天线的情况。图3 - 4m m a c 协议示意图如图3 4 所示，当节点a 有数据要向节点d 发送时，m a c 层根据路由层的路由信息向节点b 发送d r t s ，该d r t s 按照路径a 一 b 一 c 一 d ，最终到达节点d ，节点d 根据d r t s 中的信息，使用大功率向节点a 发送d c t s ，节点a 收到d c t s 后，它们之间的通信链路就建立起来，a 和d 就可以使用定向天线直接通信。3 2m a c 协议存在的问题分析由于a dh o e 网络特殊的组网形式，它的信道接入协议面临着很多新问题，这些问题包括不同的信道共享方式、隐藏终端问题、暴露终端问题和拓扑结构变化产生的影响等，信道接入协议必须尽量减小这些因素的影响。1 信道的共享方式a dh o c 网络是多点共享的信道接入方式，它依靠m a c 层协议，使多个节点能够较公平的接入到信道中。由于a dh o c 网络是特殊的信道共享方式，这一方式带