（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络的多信道mac协议研究及性能分析.pdf

摘要 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，以下简称w m n s ) 是一种高速率、 高容量的多点对多点网络，可以用无线的方式构建宽带家用网、宽带社区网、宽 带企业网及临时组建的网络，也可以构建一个城域规模的宽带无线网，在宽带多 媒体业务上是3 g 的有力竞争对手，因为3 g 的速率标准不过2 m b p s ，而v v v i n s 能提供数十m b p s 的速率，其成本也比3 g 低得多。w m n s 是a dh o e 网络的一个 变种，也可把它看成是i n t e r n e t 结构一个无线版本，因为它们都是m e s h 结构。近 些年来，w l a n 得到一定程度的发展，但是，w l a n 接入点覆盖范围比较有限， 若要在一个较大区域内布设w l a n ，则需要配置多个接入点，并且每个接入点都 必须具备有线连接，这样会增加网络成本，网络的部署也不方便灵活。而w 正n s 网络有可能克服这种缺陷，因为它充分吸取a dh o e 网络的多跳白组织、自配置及 有基础设施的w l a n 的优势，能够快速方便低成本的部署网络。现有的a dh o e 、 w l a n 及其它无线通信技术如i e e e 8 0 2 1 6 1 a 、1 e e e 8 0 2 1 5 、z i g b e e 、w i m a x 均 不能充分满足w m n s 的需求，从应用层、传输层、网络层、m a c 层、物理层， 所有现有的协议都需要增强或重新设计协议。 本文着重在已有的单信道m a c 协议的基础上，研究适用于w i b n s 的多信道 m a c 协议，重点讨论如何提高系统容量，减少分组间碰撞，增加信道利用率，消 除隐藏终端及暴露终端问题，并解决多信道带来的其它问题。文章对a v a y a 实验 室于2 0 0 5 年9 月提交给i e e e 8 0 2 1 l s 工作组的公共控制信道协议进行了分析，并 在该实验室j i f f t a o 博士的支持下，得出仿真数据。仿真结果表明基于多信道的公 共控制信道协议较8 0 2 1 1 系统容量得到显著提高，延迟减小。在此基础上，为提 高信道的利用率及增加频率空间复用度，作者对公共控制信道协议作了一些修改， 并对增加的空间复用度作了数学上的分析。 关键词：无线m e s h ( w m n s ) ，m a c 协议，多信道，公共控制信道协议， e c c c 一 垒呈! 坚垒坚 a b s t r a c t w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ( w m n s ) i sa h i g h - s p e 州，h i g h - c a p a c i t y m u l t i p o i n t - t o m u l t i p o i n tn e t w o r k i tc a l lb eu s e dt ow i r e l e s s l yc o n s t r u c t et h eb r o a d b a n d h o m en e t w o r k s ，b r o a d b a n dc o m m u n i t yn e t w o r k s ，b r o a d b a n de m e r p f i s en e t w o r k ， t e m p o r a r yn e t w o r k , a n dm e t r o p o l i t a na r e ab r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k s i ti sas t r o n g c o m p e t i t o ra g i u s t3 gi nb r o a d b a n dm u l t i m e d i ab u s i n e s s e s ，b e c a u s et h er a t eo f3 g s t a n d a r di s2 m 【b p s a n dw m n s p r o v i d e sm o r et h a n1 0 m b p sr a t ei nm u c h l o w e rc o s t w m n si sav a r i a t i o no fa dh o cn e t w o r k , a n da l s oc a nb ee o u s i d e r e da saw i r e l e s s v e r s i o no fi n t e r n e t b e c a u s et h e ya r ea l lm e s hs t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，w l a nh a s b e e nac e r t a i nd e g r e eo fd e v e l o p m e n t , b u tt h ec o v e r a g eo fw l a ni sl i m i t e db ya c c e s s p o i n t s i fp l a n t e di nal a r g ea r e ao fw l a n ，i tn e e d s t ol o c a t ean u m b e ro fa c c e s sp o i n t s ， a n de a c ha c c e s sp o i n tm u s th a v ec a b l el i n k , w h i c hw o u l di n c r e a s et h ec o s to ft h e n e t w o r k i tw o u l da l s on o tf a c i l i t a t et h ed e p l o y m e n to fn e t w o r kf l e x i b i l i t y w m n s w o a l do v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，b e c a u s ei tf u l l ya b s o r b st h ea d v a n t a g e s ，s u c ha s m u l t i h o ps e l f - o r g a n i z i n g ，s e l f - c o n f i g u r a b l e ，f r o ma dh o en e t w o r k s i tc a r lc o n s t r u c t e n e t w o r kr a p i d l ye a s i l ya n di nal o wc o s t e x i s t i n ga dh o c ，w l a na n do t h e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha si e e e 8 0 2 1 6 mi e e e 8 0 2 1 5 ，z i g b e e ，w i m a x ， a r en o tf u l l ys a t i s f yt h en e e d so fw v i n 8 f r o mt h ea p p l i c a t i o nl a y e r , t r a n s p o r tl a y e r , n e t w o r kl a y e r , t h em a cl a y e r , p h y s i c a ll a y e r , a l lt h ee ) 【i s t i n gp r o t o c o l sn e e dt ob e s t r e n g t h e no rr e d e s i g n e d t h i sp a p e rs t u d yam u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o la p p l i e dt ow m n sb a s e do nt h e s i n # e - c h a n n e lm a cp r o t o c o l ，a n dd i s c u s sh o w t oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y , r e d u c e c o l l i s i o n s ，i n c r e a s ec h a n n e lu t i l i z a t i o n ，d i m i n a t et h eh i d d e nt e r m i n a l ，e x p o s et e r m i n a l p r o b l e m s ，a n ds o l v eo t h e rm a t t e r so ft h em u l t i c h a n n e l p a p e ra l s oa n a l y s et h ec o m m o n c o n t o f lc h a n n e lp r o t r 0 1 w h i c h 冰感kl a b o r a t o r ys u b m i t t e dt o t h ei e e e 8 0 2 1 l s w o r k i n gc r o u pi ns e p t e m b e r2 0 0 5 t h es i m u l a t i o nd a t aw e r eo b t a i n e dw i t ht h es u p p o r t o f d r j i f t t a o t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o m m o nc o n t r o lc h a n n e lp r o t r o lb a s e d o nm u l t i c h a n n e ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e ss 筘t e mc a p a c i t ya n dr e d u c e sd e l a y su p o n 8 0 2 1 1 b a s eo nt h e m a u t h o rm a d es o m ec h a n g e st ot h ec o m m o nc o n t r o lc h a n n e l a b s t r a c t p r o t r o l t oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fc h a n n e la n dr e u s a b i l i t yo ff r e q u e n c ys p a c e n u m e r i c a la n a l y s e sa r ea l s og i v e n k e y w o r d ：w i r e l e s sm e s h ( w m n s ) ，m a cp r o t r o l ，m u l t i - c h a n n e l ，c o m m o n c o n t r o ic h a n n e lp r o c t o l ，e c c c l l i 图表索日 图表索引 图卜1 m e s h 路由器的结构2 图卜2 m e s h 客户机的种类3 图1 3 有骨干基础设施的删n s 4 图1 4 客户型的w m n s 4 图卜5 混杂型的阳v n s 5 图2 1 隐藏终端闯题l o 图2 2 隐发送终端问题1 0 图2 3 隐接收终端问题1 l 图2 4 多信道情况下隐藏终端问题1 1 图2 5 暴露终端问题1 2 图2 6 节点伪阻塞问题1 3 图2 7 非理想信道问题1 4 图2 - 8c s m a ( 红线) 与a l o h a ( 蓝线) 信道利用率之间的比较1 8 图2 - 9 多跳情况下载波侦听问题1 8 图2 1 0m a c a w 协议的五次握手机制2 1 图2 一l lm a c w 协议存在的缺陷2 3 图2 1 2m a c a w 协议的计数机制2 9 图2 1 3 业务流的公平性问题2 3 图2 1 48 0 2 1 1 m a c 子层的基本结构2 4 图2 1 58 0 2 1 1 d c f 通信规程2 5 图2 1 68 0 2 1 1 m a c 协议n a v 取值长度2 9 图2 1 78 0 2 1 1 m a c 协议的帧间间隔及接入方法2 7 图2 - 1 8d b t m a 协议信道分配2 9 图2 1 9m m a c 协议的信道预留过程3 3 图2 2 0p c a m 多信道m a c 协议信道分配示意图3 5 图3 1 删n s 业务量的汇聚3 6 图3 2 公共控制信道协议业务信道的预约过程3 7 图3 3 公共控制信道协议的两步n a v 设定4 1 图3 - 4 公共控制信道协议已用业务信道的提前预约4 3 图3 5 公共控制信道协议用于f d 凇模式的频率划分4 4 图3 6 隐藏终端问题4 5 图3 7 暴露发送终端4 6 图3 8 暴露接收终端4 6 图3 9 公共控制信道协议节点模型4 8 图3 一1 0 公共控制信道协议的m a c 进程模型4 8 图3 一l l8 个节点，4 个业务流模型5 0 v i 图表索日 图3 1 21 6 个节点，8 个业务流模型5 0 图3 - 1 3 公共控制信道协议业务信道数与吞吐量的关系( 1 5 帧) 5 l 图3 一1 4 公共控制信道协议业务信道数与吞吐量的关系( 1 0 帧) 5 l 图3 一1 5 信道访问延迟( t x o p = i 帧) 5 2 图3 一1 6 队列延迟( t x o p = i ) 5 2 图3 1 7 信道访问延迟( t x o p = i o ) 5 3 图3 1 8 队列延迟( t x o p = i o ) 5 3 图3 1 9e c c c 信道的预约5 5 图3 2 0b c 的最大通信距离5 7 图3 2 1 节点间一个业务流的转发5 8 图3 2 2 节点间两个业务流的转发5 8 图3 2 3 业务流的开销比较5 9 图3 2 4 公共控制信道协议的网络连通性6 0 图3 2 5e c c c 协议的网络连通性6 0 图3 2 6e c c c 用于固定信道的通信6 l 表3 1 仿真参数设置4 9 表3 28 个业务流平均延迟统计5 4 裹召一3 双射频的组合5 5 符号和缩略词说明 a c k b a _ p u b e b c d m a c s m a c s m p c a d b t m a d c a p c d i f s e c c c f d m a m a c m a c a m a c a w m i l d s i f s t d m a w 飞d i s 符号和缩略词说明 a c k n o w l e d g e m e n t 确认 b a s i ca c e s sp r o t o c o ls o u t i o nf o rw i r e l e s s 无线网络基本接入协议 b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f 二进制指数避算法 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址接入 c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s 载波侦听多址接入 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e 带冲突避免的载波 侦听多址按入 d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s 双忙音多址接入 d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t 晰t l lp o w e rc o n t r o l 基于功率控制的动态 信道分配 d c fi n t e r f r a m es p a c e d c f 帧间隔 e h a n c e dc o m m o nc o n t r o lc h a n n e l 增强性公共控制信道协议 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 频分多址 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m u l t i p l e a c c e s sc o l l i s i o n a v o i d a n c e 多址接入冲突避免 m u l t i p l ea c c e s sc o l l i s i o na v o i d a n c ef o rw i r e l e s sl a n 用于无线局域网 的多址接入冲突避免 m u l t i p l y i n c r e a s el i n e a rd e c r e a s e 乘法增加线性减小算法 s h o r ti n t e r f r a m es p a c e 短帧间间隔 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s 无线m e s h 网络 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学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 确的说明并表示谢意。 签名：量盟 日期：吱。叼年斗月g 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：銎盟导师签名：望丛9 j 日期：矗川年节月彦日 第一章绪论 1 1w m n s 简介 第一章绪论 为了提供更好的服务，各种各样的无线通信技术逐步发展到了一个新阶段， 现在出现了一种重要的技术，无线m e s h 网技术( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，以下简 称v i v n s ) 。在w m n s 中，节点由m e s h 路由器和m e s h 客户端组成。节点不 仅可以作为主机工作，也可以在其它节点无直达目的地的无线链路时，转发它们 的包，即作为路由器工作。一个w h 饿s 是动态自组织和自配置的。网络中的节点 自动建立和维护它们中间的的m e s h 连接( 类似一个a dh o e 网) 。这种特性能给 v v i v i n s 带来许多优势，如初期投资费用低，网络维护方便，稳健性好及在覆盖范 围内服务可靠。 无线m e s h 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线网络必 须首先访问集中的接入点( a p ) 才能进行无线连接。这样的话，即使两个遵从 i e e e 8 0 2 1 1b 协议的节点互相挨着，它们也必须通过接入点才能进行通信。而在无 线m e s h 网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。”m e s h “ 这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，当然实际上绝大多数现代的 m e s h 网络只是通过部分节点相互连接。m e s h 网络技术一度曾是一项军方技术【l l ， 随着人们对i e e e8 0 2 1 1a ，i e e e8 0 2 1 1b 和i e e e8 0 2 1 1g 等w l a n 技术了解的深 入，m e s h 网络才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点。 因特网的构架其实就己经是一个m e s h 网络的结构。众所周知，接入因特网的 用户位于网络的边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相互连接，而这些路由 器和节点的连接方式是这样的：当任意两个节点之间的一条链路失效后，路由器会 经由一个或多个别的路由器找到一条替代路径。这就体现了m e s h 网络的思想。 通常认为，无线m e s h 是点对点网络的一种，把它看成是移动a dh o e 技术的 一种简化版本嘲。但两者有一定的区别，主要的不同在于网络结构的连接上，即无 线m e s h 中的接入点既可以作为m a n e t 的一种对等的数据转发实体，又可作为一 连接到其它有线网络的桥接器。装备了无线网卡的通常节点( 如，桌面机、笔记 本、个人数字助理和电话等) 能够直接连到m e s h 路由器上。没有无线网卡的用 户要访问w m n s ，可以通过如以太网方式连接到无线m e s h 路由器上。因此， 电子科技大学硕士学位论文 w m n s 能够在很大程度帮助用户无论何时何地永远在线。此外，m e s h 路由器中 的路由或桥接功能能够把现有的无线网络如蜂窝网、无线传感器网、w i f i 、 w i m a x 、w i m e d i a 等网络集成到w m n s 中。因此，通过一个集成的w m n $ 网 络，现有网络的用户能够获得它们以前单一网络中没有的业务。 w m n s 有巨大的应用前景，例如，宽带家用网、宽带社区网、宽带街区网、 企业网、楼宇自控等都可以应用这种无线技术。电信营运商、宽带公司及其它有 着稳健且可靠费用低的无线宽带业务访问需求的公司对这种技术有着极大的兴趣 h 】。因为具有自组织及可自我配置的能力，w m n s 能够快速部署。并且部署的网 络节点越多，网络的可靠性越好，可连接的链路越多。 1 2w m n s 网络体系结构 w m n s 网络由两种类型的节点组成：m e s h 路由器和m e s h 客户机【l l 。不同 于一个常规的无线路由器的网关转发器的路由能力，一个无线m e s h 路由器包含 了额外的路由功能，它支持m e s h 组网。要更多的改进m e s h 网络的灵活性，一 个m e s h 路由器通常应配备多个无线接口，这些接口建立在同样的或者是不同的 无线访问技术上。比较常规的无线路由器，无线m e s h 路由器通过多跳通信能以 低得多的发射功率达到同样的覆盖。m e s h 路由器的m a c 协议在多跳的m e s h 环境中被增强了，可以达到更好的伸缩性。 尽管m e s h 路由器和常规无线路由器有这些差别，它们通常都构建在相似的 硬件平台上。m e s h 路由器能构建在专用的计算机系统上( 如嵌入入系统) ，看上 去更紧凑。它们也能构建在通用计算机系统上( 如笔记本、桌面机) 。m e s h 路由 器的结构如图1 1 所示： 图i i m e s h 路由器的结构 2 第一章绪论 m e s h 客户机也有m e s h 组网所需要的功能，因此，也要能作为一个路由器 工作。但一般m e s h 客户机仅采用一种无线通信技术，不提供多种无线网络的网 关转换，它仅有一个无线接口。因此，m e s h 客户机比m e s h 路由器的硬件及软 件平台要简单得多。m e s h 客户机的设备种类比m e s h 路由器更多，它们可以是 笔记本或桌面p c ，口袋p c 、p d a 、i p 电话、r f i d 阅读器，b a c 网络( 楼宇自控 网络) 控制器及及许多其它设各。m e s h 客户机的种类如图1 - 2 所示： 图1 - 2 m e s h 客户机的种类 基于节点的功能，w m n s 网络能够分成三种主要类型： 1 ) 、有骨干基础设旄的w m n $ ：这种类型w 1 v i n $ 网络包括m e s h 路由器构成 基础设施，客户机连在它们上面。这种w m n 基础骨干网可使用各种类型的无线 通信技术，大部份使用i e e e s 0 2 1 1 技术。这些m e s h 路由器彼此之间构成了一个 可自我配置、自愈连接的m e s h 结构。因具有网关功能，m e s h 路由器能够连到 i n t e m e t 上。这种方法，构成了一个基本的m e s h 组网，为普通客户提供了骨干， 并通过m e s h 路由器的网关及桥接功能，能整合现有的无线网络。带有以太网接 口的常规客户机能够经由以太网链路连接到m e s h 路由器上。与m e s h 路由器采 用一样无线通信技术的普通客户机能够直接与m e s h 路由器通信。如果使用了不 同的无线通信技术，客户机要通过与m e s h 路由器有以太网连接的基站才能实现 通信。 有基础骨干网的w m n $ 网络是最常用的类型。例如，社区和街区网能够建立 在使用有基础的m e s h 组网之上。这些m e s h 路由器可置在街区的房顶上，作为 访问点为沿着路边的室内用户提供服务。最典型的是，路由中采用两种类型的无 线通信技术，例如，骨干通信和用户通信分开。m e s h 骨干通信能够采用长距离 电子科技大学硕士学位论文 的通信技术，包括定向天线技术。有骨干基础设施的w m n s 如图1 3 所示： 圈1 3 有骨干基础设旃的r m n s 2 ) 、客户型的w m n s 。客户机m e s h 组网在客户机中间提供了对等通信。在 这种结构类型中，客户节点组成了实际的网络执行路由和配置功能，也能给用户 提供端用户应用。因此，m e s h 路由器在这种类型的网络中不需要。在客户型的 w m n s 网络中，一个指定到个节点的包经过多跳到达目的地。客户型的w w n s 网络在设备中通常由一种无线通信技术构成。此外，在与有基础设施组网的比较 中，对终端用户设备的需求提高。因为，在客户型的w m n s 网络中，端用户终端 必须执行额外的功能如路由和自我配置功能。客户型的w m n s 网络结构如图1 4 所示： 图1 4 客户型的w m n s 4 第一章绪论 3 ) 、混杂w m n $ 网络。这种结构由基础设施和客户机组成m e s h 网。m e s h 网能够通过m e s h 路由器访问网络，也能够与其它m e s h 客户机直接组成m e s h 网。基础设施与其它网络如i n t e r a c t 、w i f i 、w i m a x 、蜂窝网及传感器网络提供 连接。在w m n $ 网络中的客户机的路由性能提供改进的连接。混杂w i n s 网络的 结构如图1 5 所示： 1 3w m n s 网络的特点 图1 5 混杂型的、) i v i v l n $ 1 ) 、多跳无线网：研发w m n s 网络的一个目的是不牺牲信道容量前提下扩展 当前无线网络的覆盖范围。另一个目标是在没有视线范围内提供非视距传输的连 接。要满足这些需要，m e s h 体系中的多跳是独立的。经由更短的连接距离要不 牺牲频段效率而能达到更高的流量，节点问更少的接口，更有效的频率重用。 2 ) 、a d h o c 组网的支持、自我构建的能力、自愈及自组织的能力：w i v i n g 增 加网络性能，因为灵活的网络结构，方便部署和配置，容错及m e s h 连接等等，多 点到多点通信。由于这些特性，w m n s 有很低的前期投资需求，网络能够按照需 求逐步成长。 3 ) 、移动性：这依赖m e s h 网络节点的类型。m e s h 路由器通常有很小的移 动性，m e s h 客户机可以是固定节点或移动节点。 电子科技大学硕士学位论文 4 ) 、多种类型的网络访问：在w m n $ ，能支持i n t e m e t 及对等通信。此外， w 1 v i n $ 网络和其它无线网的集成及对这些网络端系统提供的业务能够通过w m n s 网络实现。 5 ) 、能量消耗的依赖：这限制了m e s h 节点的类型。m e s h 路由器通常在能 量消耗方面没有严格的限制。然而，m e s h 客户机可能需要能源效率高的协议。 例如，一个m e s h 传感器需要它的通信协议能有效利用能源。因此，对m e s h 路 由器最优的m a c 协议或路由协议可能不适合m e s h 客户机，例如传感器，因为 能源的有效得用是无线传感器网络主要关注的。 6 ) 、现有无线网络的兼容性及互用性。例如，建立在i e e e s 0 2 1 1 技术基础上 的w m n s 网络必须都支持可能的m e s h 及常规的w i f i 客户机，兼容i e e e 8 0 2 1 1 标准。这样的w l v l n s 也需要与其它的无线网进行互操作，如w i m a x 、z i g b e e 及蜂窝网。 1 4w m n s 与a dh o e 的比较 w m n s 通常被视为一种特殊类型的a dh o c 网络，这种a dh o c 网络缺少现 有的蜂窝网的有线基础设施( 基站) 或w i f i 网络的有线基础设施( 访问点) 。删s 网络采用a dh o c 网络技术时，要实现w m n s 网络需要更多的更为精巧的算法和 设计原理，要阐明这一点，w m n s 及a dh o c 网络的差别总结如下。在比较中，考 虑的是混杂网络结构，因为它有w m n s 网络的所有优点。 1 ) 、无线基础设施骨干：如先前所讨论的，w m n s 由m e s h 路由器组成无线 骨干结构。无线骨干在无线网域中提供大的覆盖范围、连接性及稳健性。然而， a dh o c 网络的连接依靠终端用户个体的作用，但这是不可靠的。 、整合性能力：w m n s 支持与m e s h 路由器使用同样无线通信技术的常规 站客户机。这可以在m e s h 路由器中通过主机路由功能完成。通过m e s h 路由器 中的网关网桥功能，w m n s 也能整合现有各种类型的网络，如w i f i 、i n t e r n e t 、蜂 窝网及传感器网络。因此，一个网络中的用户通过使用这个无线基础设施能够为 其它网络中的用户提供业务。通过w 整合的无线网络类似i n t e m e t 骨干，因 为网络节点的物理位置远不如网络容量及网络拓朴重要。 3 ) 、专用的路出及配置：在a d h o c 网络中，端用户设备也为所有其它节点执 行路由及配置功能。然而，w v f n s 含有的m e s h 路由器才有这些功能。因此，端 设备的负荷急剧下降，可以提供更低的能量消耗和对可能移动性和能量约束的终 6 第一章绪论 端用户。端用户的需要减少，可减少应用于w 饼s 网络设备的成本。 4 ) 、无线通信技术：正如前面所讨论的，配有多种无线通信技术的m e s h 路 由器能够执行路由及访问功能。这在无线域中能够分离两各主要类型的通信流。 路由和配置在m e s h 路由中由一种通信技术提供，由终端用户发起的网络访问由 另一种无线通信技术提供。这极大地改进了网络的容量。另一方面，a dh o e 网络 中，这些功能全由同一信道执行，结果性能降低。 5 ) 、移动能力：因a d h o e 网络提供给使用终端路由的能力，网络拓朴及连接 性依赖于用户的移动。这给路由协议和网络配置及网络部署带来了额外的挑战。 1 5 小结 部署一个w m n 网络并不困难，我们可以利用现有的技术，如a dh o e 路由协 议、i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议、w e p 等。数家公司已经意识到这项技术的潜力，并且 提供了一些无线m e s h 组网设备。有些大学的试验室也建立了试验平台。然而， 要满足w l v l n s 所有功能，仍然需要大量的研究成果。例如，现有可用于w m n s 的m a c 协议和路由协议没有足够的伸缩性。w m n s 网络扩大时，随着节点和跳 数的增加，网络流量会急剧下降【2 】。其它的网络协议中也存在相似的问题。因此， 为了满足w m n $ 的需要，从应用层、传输层、网络层、m a c 层、物理层，所有 现有的协议都需要增强或重新设计【6 】。 1 6 本文主要内容 本文主要对无线m e s h 网络的m a c 层协议进行了研究，主要包括如下几个 方面： 1 对现有的单信道、双信道及多信道m a c 层协议进行了分析，得出优缺点； 2 根据对现有协议的分析和比较及无线m e s h 网络的特点，重点研究公共 控制信道协议的原理、实现过程及所解决的问题，并对其进行了仿真分析； 3 为了提高信道的空间利用率，对公共控制信道协议作了改进( e c c c ) ，并 对其作了性能分析。 全文分为三章，具体安排如下： 第一章是绪论部份，介绍了无线m e s h 网络的结构、特点及应用，并对它与 a dh o c 的差异作了分析。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章根据w m n s 的特点，提出w m n s 需要解决的技术问题。在此基础上， 将现有的几种主要m a c 协议按照节点接入信道的接入方式、是否需要全网同步及 信道数量对无线m a c 协议作了分类，并根据无线m e s h 网络的对节点大带宽高 容量的要求，重点按照信道数量分析比较现有的无线m a c 层协议； 第三章根据第二章的结果研究了适用于w m n s 的公共控制信道协议的体系结 构、实现过程及所解决的无线通信中存在的一些技术问题，对其进行了仿真分析。 在此基础上，提出了e c c c ，对其信道的空间利用率作了计算及在多跳m e s h 网 络环境中的性能作了分析。 第四章是结束语。 最后是致谢和参考文献。 8 第二章现有的m a c 协议类别及性能分析 第二章现有的m a c 协议类别及性能分析 到现在为上，研究人员已经提出了数十种无线数据网的m a c 协议。这些协议 根据不同的设计目的，使用了各种不同的信道复用和控制技术，对其应用环境也 做了各种假设。 2 1w m n sm a c 协议设计须考虑的技术问题 在分析无线数据网的m a c 协议之前，先提及x , v m n $ m a c 协议设计需要考虑 的技术问题。 2 1 1 多跳共享无线广播信道 w m n s 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，它是多跳共享的无线广播信道。即 当一个节点发送数据时，只有通信距离之内( 一跳) 的节点可以收到，而一跳之 外的其它节点无法感知到。那些感知不到的节点可能会同时发送信息，形成相互 干扰，导致无法正确接收。因此，设计时需要考虑一种控制机制来合理地分配信 道资源的使用，减少和避免数据分组冲突。并且因为无线信道资源十分宝贵，设 计的m a c 协议应能充分使用信道资源( 高效性) 。多个节点同时共享一个资源， 有时会造成一些节点比另外一些节点使用的资源多得多的现象，即造成了信道使 用的不公平性。处于不同地理区域的节点，相互间的距离较远时，可以同时使用 信道而不会相互干扰，这就是信道资源的空间复用性 1 3 1 1 4 1 。空间复用性利用得越 充分，信道的使用效率就越高。w m n sm a c 协议的设计应充分利用信道的空间复 用性，使更多的节点能够同时使用信道资源。 2 1 2 隐藏终端 隐藏终端是指在接收节点的通信范围内而在发送节点通信范围外的节点。隐 藏终端因听不到发送节点的发送而可能发送自己的数据，造成分组在接收节点间 的冲突。冲突发生后发送节点要重传冲突的分组，从而降低了信道的利用率。 9 电子科技大学硕士学位论文 侦o g - 框阐 图2 - l 隐藏终端问题 如图2 1 所示，节点a 向节点b 发送分组时，节点c 处在节点a 的通信范围 以外而处在节点b 的通信范围内，因此c 是隐藏终端。隐藏终端可以分为隐发送 终端和隐接收终端。隐发送终端指的是c 在感知不到节点a 的发送时，误认为自 己可以发送分组，从而造成在节点b 处的冲突，如图2 _ 2 所示。由于c 处于a 的 通信范围之外，a 无法通知c 它要发送分组。该工作只能由b 在接收数据前通知 c 。采用r t s c t s 握手机制后，隐藏终端c 能够听到b 发送的c t s ，知道a 向b 发送分组，c 不能发送任何信息，它就延迟发送。这样在单信道条件下解决了隐发 送终端的问题。隐接收终端指的是当另外一个节点d 向c 发送r t s 控制分组时， c 因听到b 发送的c t s 控制分组而延迟了自己的c t s 回复，d 就无法收到c 的信 息，如图2 3 所示。d 在这种情况下无法判断是r t s 控制分组发生了冲突，还是c 未开机，或是c 是隐藏终端。d 只能认为是r t s 控制分组的冲突，从而不断地重 发r t s 分组。在单信道条件下，因c 不能发送任何信息，它无法通知d 它是隐藏 终端，即隐接收终端问题在单信道条件下没有解决方法。一个传统的基于单信道 的多跳m e s h 网络中，所有的m e s h 节点使用同一个信道，隐藏终端问题也就更加 严重和普遍。一些研究验证了隐藏终端问题对w m n 的影响，仿真数据表明，隐藏终 端严重恶化网络的吞吐量，原因是隐藏节点处的网络分配矢量 n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r ) 设置不正确，从而增加了碰撞1 2 7 , 2 s 。 图2 2 隐发送终端问题 l o 第二章现有的m a c 协议类别及性能分析 图2 - 3 隐接收终端问题 在多信道条件下，同样可能存在隐藏终端问题。如图2 4 所示，假设有n 个 信道，其中一个信道为控制信道( 信道号为1 ) ，其他n 1 个信道为数据信道。当 节点既不接收也不发送数据时，都监听控制信道1 。当节点a 和节点b 通信时， 为避免冲突，在控制信道上进行r t s c t s 握手。节点a 发送的r t s 分组包含一 个可用的数据信道列表，节点b 收到该r t s 后从信道列表中选择一个可用的数据 信道，并将所选择的信道号通过c t s 发送给节点a ，接着节点a 和b 就切换到它 们协商好的信道2 上通信，当数据发送完毕，节点a 和b 马上切换回控制信道， 达时不会发生数据碰撞问题。但多个信道同时通信时可能会出问题，如节点b 发 送c t s 给a 时，节点c 正在数据信道3 发送数据，没有听到该c t s ，因此节点c 不知道节点b 占用了信道2 当节点c 和d 在控制信道1 进行r t s c t s 握手后， 商定选择数据信道2 进行通信，这正好与a 和b 在数据信道2 上的通信进行冲突。 该问题是因为节点处于不同的信道上，无法用虚拟载波监听协议来避免隐藏终端 问题。这种由于节点未能获取其它节点占用信道信息的问题称为多信道隐藏终端 问题。w m n sm a c 协议在采用多信道方式提高系统容量时需要考虑多信道隐藏终 端问题如何解决【7 】。 0 d b ，典型值为l o d b ) 时，干扰才不足以影响信号的接收。而当c i 介于0 d b 和c 1 r t 之间时，干扰依然是存在的。 ，一、，”、，1 、，一、 ， 、 、， 、 ，f 、。 ， 、 ，、 、 i逸砷毽ii 遵啼毽 l 、a，b 、 ， 、c ，d， s人 _ ，、_ ，、_ ，_ 一 图2 - 7 非理想信i 酋问题 1 4 第二章现有的m a c 协议类别及性能分析 2 2 无线m a c 协议分类 2 2 1 根据节点接入信道的方式 1 固定信道分配： 利用t d m 船d m 刖c d m a 等多址方式将信道分为若干个子信道，预先为 节点指定信道号，适用于节点数量较少的特殊场合，其信道的利用率很低； 2 随机接入： 起源于a l o h a 和c s m a 接入机制，节点可根据业务需要主动抢占信道 资源发送信息，并采用一些控制技术不再占用该信道。当然，同一个通信区域 内的节点在同一个信道如果同时有数据要发送会造成冲突，这就必须采取合适 的算法以降低冲突的概率。 3 轮替接入： 可分为轮询方式和令牌传递方式。轮询方式是集中式控制方式，主节点( 或 9a p