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南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机系统结构 研究方向：网络体系结构及其在通信中的应用 作者：2 0 0 7 级研究生张婷 指导教师：宗平教授 题目：a dh o c 网络m a c 协议的研究与改进 英文题目：r e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n to fm a c p r o t o c o l i na dh o cn e t w o r k 主题词：a dh o c ，m a c ，退避算法，公平，吞吐量 k e y w o r d s ：a dh o c ，m a c ，b a c ko f f a l g o r i t h m ，f a i r ，t h r o u g h p u t 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线a dh o c 网络无中心的特点要求m a c 机制不能依赖于某固定节点，因此，集中式 的m a c 机制不适合无线a dh o e 网络，无线a dh o e 网络的m a c 机制必须分布实施。然而， 无线a dh o e 网络的固有特点，如共享信道、隐终端和暴露终端问题、信道带宽具有空间再 用性等，使得设计高效的无线a dh o c 网络的m a c 机制具有很强的挑战性，尤其是既能充 分利用无线信道的带宽资源，同时又能使竞争无线信道的节点公平共享无线信道的m a c 机制，以及能够节约能量的m a c 机制。因此，研究无线a dh o c 的m a c 机制具有重要的 意义。 本文说明了移动a dh o e 网络的基本概念、特点以及应用前景，对a dh o c 网络m a c 层协议做出了较详细的分析研究，着重讨论了m a c 层退避算法。本文在对无线a dh o c 网 络m a c 层协议等问题详细分析研究的基础上，提出了一种改进的退避算法m i e i e d 。 m i e i e d 退避算法能够有效地实现移动a dh o c 网络多址接入的退避方法。 本文在n s - 2 软件上对m i e i e d 算法进行了仿真，并将该算法与经典的b e b 算法进行 了性能比较与分析。仿真结果表明，当链路负载较高的时候，m i e i e d 算法在公平性上有 了很大提高。 关键字：a dh o c ，m a c ，退避算法，公平，吞吐量 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en o c e n t e rc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sm a k e sm a cm e c h a n i s mc a nn o t r e l yo n ac e r t a i nn o d e ，t h e r e f o r e ，c e n t r a l i z e dm a c m e c h a n i s mi sn o ts u i t a b l ef o rw i r e l e s sa dh o c n e t w o r k s ，s ot h ei m p l e m e n t a t i o no fm a cm e c h a n i s m sm u s tb ed i s t r i b u t e d h o w e v e r ，t h e w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sh a v es o m ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h es h a r e dc h a n n e l ，t h e hiddent e r m i n a la n de x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e m ，t h ec h a n n e lb a n d w i d t hw i t hs p a t i a lr e u s e ，e t c t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k e si tm o r ec h a l l e n g i n gt od e s i g nae f f i c i e n tm a cm e c h a n i s m ， i e s p e c i a l l yam a cm e c h a n i s mn o to n l yc a nm a k et h eb e s to ft h eb a n d w i d t hr e s o u r c e so ft h e w i r e l e s sc h a n n e la n de c o n o m i z et h ee n e r g y ，b u ta l s oa l l o w st h en o d e sw h i c hc o m p e t et h e w i r e l e s sc h a n n e l sc a ns h a r et h e c h a n n e lf a i r l y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h ew i r e l e s sa dh o cm a c m e c h a n i s mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sd e s c r i b e sb a s i cc o n c e p t s ，p r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o n so fa d h o en e t w o r k s ，i l l u m i n a t e sa n da n a l y s e st h em a c p r o t o c o lo fa dh o cn e t w o r k si nd e t a i l t h i s t h e s i sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e st h em a c p r o t o c o la n dp r o p o s e sa ni m p r o v e db a c ko f fa l g o r i t h m m i e i e d ，w h i c hc a ni m p l e m e n tt h em u l t i - a c c e s sb a c ko f fa l g o r i t h mo fa dh o cn e t w o r k s e f f e c t i v e l y t os h o wt h ee f f i c i e n c yo ft h em i e i e da l g o r i t h m ，t h i st h e s i sp r e s e n t ss i m u l a t i o n su s i n g n s 一2a n dc o m p a r e st h ei m p r o v e db a c ko f fa l g o r i t h mw i t ht h ec l a s s i ca l g o r i t h m - b e b t h e r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef a i r n e s so ft h em i e i e da l g o r i t h mh a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e dw h e n t h el i n kl o a dg e t sh i g h e r k e y w o r d s ：a dh o c ，m a c ，b a c ko f f a l g o r i t h m ，f a i r ，t h r o u g h p u t i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 1 1a dh o c 网络1 1 1 2a dh o c 网络与现有无线网络的区别5 1 1 3a dh o c 网络的应用领域6 1 1 4 a dh o c 网络的主要问题8 1 2 无线局域网主要标准1 0 1 3 本文的主要工作和组织结构1 2 第二章移动a dh o c 网络m a c 协议1 4 2 1m a c 仂、议1 4 2 1 1 研究的目的与意义1 4 2 1 2a dh o c 网络的协议栈1 5 2 2 需要解决的主要问题1 8 2 2 1m a c 相关的无线接收问题1 8 2 2 2 不同的信道共享方式1 8 2 2 3 隐终端和暴露终端问题2 0 2 2 4 节点移动的影响2 3 2 3m a c 协议的设计要求2 3 2 4m a c 协议分类2 4 2 4 1 竞争类m a c 协议2 5 2 4 2 分配类m a c 协议3 0 2 4 3 混合类m a c 协议3l 2 5m a c 协议的现有研究成果3 2 2 6 本章小结3 3 第三章退避算法的研究3 4 3 1 退避机制的作用及工作原理3 4 3 2 典型退避算法3 5 3 2 1b e b 算法3 5 i l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3 2 2m i l d 算法3 6 3 2 3s d 算法3 6 3 2 4e i e d 退避算法3 7 3 2 5m i m l d 算法3 8 3 3 本章小结3 9 第四章退避算法的改进- 4 0 4 1 算法的设计思路4 0 4 2m i e i e d 算法4 1 4 38 0 2 1 l d c f 协议算法代码分析与修改4 3 4 4 本章小结4 6 第五章仿真实验及性能分析4 7 5 1 仿真平台n s 2 一4 7 5 2 改进算法的仿真4 9 5 3 仿真参数及性能分析5 1 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结。5 5 6 2 展望5 6 致谢5 7 缩略词5 8 参考文献5 9 发表论文6 3 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机网络技术的发展以及通信技术和计算机技术的融合，越来越多的计算机和 其它数字设备相互联接在一起。然而，这种互联大都是有线连接的、基于固定网络和固定 拓扑结构的，且具有基础设施的网络。移动节点借助通信范围内最近的基站实现通信，移 动节点相当于移动终端，不具备路由功能，由移动交换机负责路由和交换功能。但是在很 多紧急情况或者较为恶劣的环境下，这种有线固定网络很难实现或者很难迅速实现，也不 能满足这些恶劣环境下对通信网络快速、灵活组网并支持较高移动性和抗毁性的要求。这 就需要另一种类型的网络的存在，即无基础设施的移动网络。a dh o e 就是这样一种网络， 它由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成，是一个多跳的临时性无中心网络， 它可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网 络设施的支持，网络中的每个终端可以自由移动且地位相等。 1 1 研究背景 1 1 1a dh o c 网络 移动a dh o c 网络，也简称为m a n e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k ) j ，是一种由移动主机 临时组建的、没有固定有线基础结构支持的、拓扑结构动态变化的无线通信网络。它是一 种特殊的无线移动网络，它区别于现有的有线网络的最显著特点是：自治、多跳等特点， 使得移动a dh o e 网络技术涉及到o s i 模型中的每一个层面。其中，介质访问控制( m a c ) 、 路f l j ( r o u t i n g ) 、能量控$ 1 j ( p o w e rc o n t r 0 1 ) 、服务质量( q o s ) 和安全性( s e c u r i t y ) 等问题是目前 a dh o c 网络研究领域的热点问题。a dh o e 网络是一个复杂的系统，所涉及的研究内容非常 广泛，特别是面向综合业务的中高速网络，比一般的计算机通信网、无线接入网或低速分 组无线网络要复杂的多，存在很多待解决的问题，同时新技术的出现也对它的研究和发展 不断提出新的挑战，但通信和微电子技术的最新进展也给a dh o c 网络的发展创造了新的契 机。 移动a dh o c 网络以其方便、灵活的组网方式，以及良好的健壮性和抗毁性，无论在军 事领域和商用领域都具有极大的应用前景，它是固定基站移动通信网络、移动i n t e r n e t 的 强有力补充和扩展，可以广泛地应用在没有现有网络基础设旋支持的环境中或固定网络不 能满足移动性、机动性等要求的情况下，提供动态的、可以快速部署的无线网络服务。例 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 如，战场上的士兵可以利用它进行协调通信；城市公共交通车辆、出租汽车可以利用它进 行调度；会议室利用它实现移动网上会议等。 a dh o c 网络是一种特殊的无线移动通信网络，它是由一组带有无线收发装置的移动终 端组成的一个多跳的临时性自治系统。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。这种网络可以独立工作，也可以接入i n t e r n e t 或蜂窝 无线网络。在后一种情况中，a dh o c 网络通常是以末端子网的形式接入现有网络。考虑到 带宽和功率的限制，a dh o c 网络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，而不允许其他信息穿越本网络，从而大大减少了与现有 i n t e m e t 互操作的路由开销。图1 1 所示的是一个典型的a dh o c 网络应用环境。 端 图1 1a d h o c 网络应用环境 在a dh o c 网络中，每个移动终端同时具备主机以及路由器两种功能。终端作为主机时 需要运行面向用户的应用程序；终端作为路由器时需要进行相应的路由程序，根据路由策 略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在a d h o c 网络中，节点间的路由通常由多跳组 成。由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往需要通过多个中间 节点的转发来实现通信，即报文要经过多跳才能到达目的地，这是a dh o c 网络与其他移动 通信网络的最根本的区别。所以a dh o c 网络又称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施 的网络或者对等网络。a dh o c 网络同时具有移动通信网络和计算机网络的特点，可以看作 是一种特殊的移动计算机网络。a dh o c 网络中各节点的运动是自主的，在任意时刻，任一 节点可以向任意方向以任意速度运动。因此，与拓扑结构相对稳定的有线网络不同，移动 a dh o c 网络的拓扑结构是动态变化的。 a dh o c 网络具有以下的基本特点： 1 网络的自组织性：a dh o c 网络具有独立组网能力，相对常规通信网络而言，最大 的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需依靠现有信息基础网络设施( 包括有线和无线网 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 络) 的支持，快速构建成一个移动通信网络。节点开机后就能快速、自动地组成一个独立的 。瑟瑟 王、 鬟摹鬟麓巍、 黪器翁c ) i ) 毯主纛鑫耋忌野c 夕 夕 ，甏浚 夕7 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 争共享无线信道产生的冲突、信号衰弱、噪音和信道之间干扰等因素，移动终端获得的实 际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态地发生变化。 6 移动终端的局限性：a dh o c 网络中的用户终端( 如笔记本和手持终端，车载计算机 等) 虽然具有灵巧、便携的特点，但它们以电池这样的易耗尽能源作为电源，并且c p u 性 能较低、内存较小，这就给应用程序的设计和开发带来一定难度，同时显示屏等外设的功 能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务，尤其是每个主机都兼作路由器的工作，所 以对路由选择协议的要求就很高。考虑到成本和易于携带，移动节点不能配备太多数量的 发送接收器，并且节点一般依靠电池供电。因此，如何高效地使用节点的电能和延长节点 的工作时间是一个十分突出的问题。 7 分布式的控制网络：a dh o e 网络中不存在中心控制点，用户终端的地位平等，兼 具路由和主机的功能，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而要求比中心结构网络 具有更强的抗毁性。 8 受限的安全性：a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有 限电源、分布式控制等技术和方式，所以更加容易受到拒绝服务、被动窃听、主动入侵、 剥夺“睡眠”( 终端无法进入睡眠模式) 、伪造等各种网络攻击。 9 存在单向信道：由于各个终端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，在设计路由协议时要考虑到这一点。 这些特点使得a dh o c 网络不需要固定网络设施的支持就可以独立组网，部署速度要快 得多。在蜂窝移动通信系统中，尽管也会由于设备或链路出现故障等原因导致网络结构出 现变化，但总体来讲，网络结构比较稳定。 移动a dh o e 网络是一种特殊的无线移动网络，a dh o c 的英文原意就是“特别的，特 定的”，它区别于现有有线网络的最显著特点是其自治、多跳等特性。自治性是指在移动 a dh o c 网络中，没有中心管理节点，所有节点都处于同等地位，所有管理功能如资源分配 路由管理等都需要节点间协调分担；多跳性则是指移动a dh o c 网络可以通过中间节点的转 发，在其信号覆盖范围有限的情况下大大提高其通信距离。 移动a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i o ) 。1 9 7 2 年，美国d a r p a 启动了分 组无线网项目，研究分组无线网在战争情况下数据通信中的应用。项目完成之后，d a p r a 又在19 9 3 年启动了高残存性自适应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研 究如何将分组无线网的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，并且开发能够适应战场快 速变化环境下的自适应网络协议。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动信息系统( g l o b a l 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 沉丽五而磊磊s y s t e m 而) 蓰f 舀蕊沅药菲淆丽而溧丽甄旺莉两丽应 m o b i l ei n f o r m a t i o n项目，在分组无线网已有研究成果的基础上，对能够满足军事应 用需要的、可快速铺设的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，这个研究一直 持续至今。 一 因特网任务工程组是另一个有影响力的研究分支，其于1 9 9 6 年成立了专门的移动a d h o c 网络工作组( m a n e t w g ) ，其核心任务是研究移动a dh o c 网络环境下基于i p 协议的路 由协议规范和接口设计等。这使得移动a d h o c 网络的设计思路也由传统的单一技术体系过 度到基于i p 的多技术体系，从而导致该网络更具有开放性、适应性、灵活性，提高了开发 速度。加上移动通信技术的高速发展，配备有无线收发设备的高性能移动终端的降价，使 移动a dh o c 网络开始得到国内外研究人员的重视。而有关移动通信底层传输标准和规范的 制定和颁布，对移动a dh o e 网络的深入研究提供了重要的通信技术保障。同时，随着信息 技术的发展，移动a dh o c 网络在家庭、会议室、教室等民用场合也有着极大的应用前景。 1 1 2a dh o c 网络与现有无线网络的区别 在无线局域网中，配备有无线局域网网卡移动节点一般通过接入点( a p ) 连接到固定网 络，因此从网络层的角度来看，无线局域网是一个单跳的网络，而a dh o c 网络是一个多跳 的无线网络。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 网络的研究内 容覆盖了协议的所有层。表1 1 列出了a dh o c 网络与现有无线网络的区别【2 1 。 表1 1a dh o e 网络与现有无线网络的主要区别 比较方面现有无线网络 a dh o e 网络 无线网络结构有中心，单跳无中心，多跳 拓扑结构固定动态建立、灵活变化 有无基础设施支持 有 无 安全性和服务质量 较好较差 配置速度 慢 快 生存时间 长短 路由选择和维护容易 困难 网络健壮性 低 高 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 研究重点 物理层和链路层协议的所有层 中继设备 基站和有线骨干网无线节点和无线骨干网 基站有多部收发信机，全双无线节点通常只有一部收发 中继节点的特点工方式通信，有专用硬件，信机，半双工方式工作，不 易于实现全网同步易实现全网同步 由基站集中负责，无线节点 由无线节点本身负责，通常 无线节点的控制管理必须先与基站通信，再通过 采用分布式方式 基站与目的节点通信 1 1 3a dh o c 网络的应用领域 随着技术的进步和社会的发展，a dh o c 网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领 域占据一席之地提供了有利的保证。首先，网络的自组织特性提供了廉价并且快速部署网 络的可能。其次，多跳和中间节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每 个终端的发射功率，从而降低了无线和相关发射接收部件的设计难度和成本，为移动终端 的小型化、低功耗提供了可能。从共享无线信道的角度来看，a dh o c 网络降低了信号冲突 的概率，提高了信道利用率。从用户的角度看，低功率的无线电波产生的电磁辐射较少， 对人体的影响较小。低功率的无线电波也减少了被截获和监听的概率。另外，网络的健壮 性、抗毁性满足了某些特定应用的需求。如在军用领域，它可以支持野外联络、独立战斗 群和舰队战斗群通信、无人侦察与情报传输等：在民用领域，它支持诸如移动会议、移动 网络、个域网络、自然或人为灾难营救过程中的信息交换以及临时交互式通信等【2 1 。 a dh o c 网络的应用可以归纳为以下几类。 1 军事应用：军事应用是a dh o c 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网 络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，a dh o c 网络已成为数字化战场通信的首选技术。 在近年来得到迅速发展的美军战术互联网中，a dh o c 网络技术是它的核心技术。为了满足 信息战和数字化战场的需要，美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、 指挥所等不同的场合，并大量装备部队。 2 传感器网络：传感器网络是a dh o c 网络技术应用的另一大领域。对于很多应用场 合来说，传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射 功率不可能很大，使用a dh o c 网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散的传感器通 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 迂i 丽确络技术组成一个网络，可以实现传感器之间与控制中心之间的通信。这种网络 在军事应用、道路交通、工业制造、生物医药以及各种安全场合都具有非常广阔的应用前 景。 3 紧急服务和灾难恢复：在发生了地震、水灾、火灾或遭受其他灾难打击后，导致 网络基础设施出现故障或无法使用时。借助于移动a dh o e 网络技术和协议，可以快速地建 立临时网络，延伸网络基础设施，从而为营救赢得时间，减少灾难所带来的危害。例如， 在因地震而使得基站、通信干线等基础通信设施无法使用时，可以通过a dh o c 网络来快速 地建立联系，以积极组织营救。这时a dh o c 网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布 设的自组织网络技术，在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有 非凡的意义。 4 偏远野外：当处于偏远或野外地区时，无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。 a d h o c 网络技术的单独组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。这样的应用 包括野外科考队、边远矿山作业、边远地区执行任务分队的通信等。 5 临时场合：a dh o c 网络的快速、简单组网能力使得它可以用于临时场合的通信。 如会议、庆典、展览等场合，可以免去布线和部署网络设备的工作。在室外临时环境中， 工作团体的所有成员可以通过a dh o c 方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务，或 协同完成某个计算任务。在室内办公环境中，办公人员携带的包含a dh o c 收发器的p d a ， 可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件，更新工作日程表等。 6 动态场合：对于执行运输任务的汽车队这样的动态场合，网络技术也可以提供很 好的通信支持。美国加洲大学伯克利分校和哈佛大学正在研究如何将a dh o c 网络技术应用 于高速公路上自动驾驶汽车间的通信，并取得了初步的研究成果。 7 个域网络：个域网络的概念是由i e e e 8 0 2 1 5 提出的，该网络只包含与某个人密切 相关的装置。用于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构 造虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用。这些装置可能不与广域网相连，但它们在进 行某项活动时又确实需要通信。考虑到辐射问题，个人局域网通信设备的无线发射功率应 当尽量小，这样，a dh o c 网络的多跳通信能力将再次展现它的过人之处。蓝牙的超网技术 就是一个典型的例子。目前，蓝牙技术只能实现室内近距离的通信，然而a dh o e 网络则能 够为建立室外更大范围的p a n 与p a n 之间的互联提供了技术可能性。 8 商业应用：装备a dh o c 网络收发设备的机场预约和登机系统，可以自动地与乘客 携带的个人无线移动自组网设备通信，完成目前的换登机牌等手续。如商场内商品标签可 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 - 一：一： 以通过无线接口由移动自组网设备动态刷新。顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到 某种商品和对应的价格。 9 其他场合：由于a dh o c 网络的特殊特点，它的应用领域还有很多，这需要我们进 一步去发掘。比如它可以用于扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围，实现地铁和隧道等 场合的无线覆盖，构建未来的无线城域网和自组织广域网等。 1 1 4a dh o c 网络的主要问题 a dh o c 网络拥有的灵活性和方便性是有代价的。它继承了无线通信和无线网络中存在 的传统问题： 1 无线媒质存在难以观测的边界，位于此边界之外的节点不能够正确接收网络分组。 2 信道缺乏保护，容易受到外部信号的干扰。 3 无线媒质的可靠性显著低于有线媒质。 4 信道随时间变化，并且前向信道( 从发射端到接收端) 和反向信道( 从接收端到发射 端) 的传输性质可能不对称。 5 容易产生隐藏节点和暴露节点问题。 此外，更重要的是，a dh o c 网络本身固有的特殊性( 即多跳、缺乏固定的基础设施和 缺乏集中控制) 更是增加了a dh o c 组网的复杂程度和许多设计约束，在a dh o e 网络中，移 动节点通过无线收发装置，共享无线信道进行通信。所有节点在通信过程中对信道进行侦 听，并产生相应的干扰范围和侦听范围。这种特殊形式使它除了具有普通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，如： 1 网络自主运行，没有基础设施：a dh o c 网络不依赖于任何预先建立的基础设施和 集中式的管理。所有节点都以对等方式运行。网络管理算法必须在多个不同的节点间分布 式运行，增加了对网络进行故障检测和管理的难度。 2 隐藏终端问题：隐藏终端指在发送节点的侦听范围之外，而在接收节点的干扰范 围之内的节点。隐藏终端因听不到发送者的发送而可能向接收者发送报文，造成报文在接 收者处碰撞。碰撞后发送者要重传被碰撞破坏的报文，从而降低了信道利用率，增加了系 统时延。 3 暴露终端问题：暴露终端指在发送节点的侦听范围之内，而在接收节点的干扰范 围之外的节点。暴露终端因听到发送者的发送而延迟发送。但因为它在接收者的通信范围 之外，它的发送实际上并不会造成冲突。这就引发了不必要的延迟。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 石荟平证丽厦i 函1 夏_ 砸磊泵甭乃丽再爵蚕丽萌丢示再石咱五百两严设备，各节4 公平性问题：a dh o c 网络采用分布式控制方法，不存在“中央控制”设备，各节 点等权，必须保证信道访问的公平性，即所有的节点以均等的机会访问信道。 5 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 大量的自我干扰( 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，因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 ) ，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 na v o i d a n c e ，c a ) 在无线网络中才显得尤其重要。 6 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，在接收端 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 hp 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开放资源，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。 7 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；然而在无线网络中，尤其对于便携式移动设备、测量信噪比非常困难，这使得速率自 适应也变得非常困难。 8 动态变化的网络拓扑结构：a dh o e 网络中的节点是移动的、自由地加入或离开网 络，此外无线传播条件也随时间和空间不断改变。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。 9 无线链路和节点能力的多样性：节点可能装备有一个或多个无线接口，使它们具 有不同的发射接收能力，甚至运行在多个不同的频段。节点无线能力的差异可能导致网络 中存在不对称的链路。此外，每个节点可能具有不同的软件和硬件配置，导致节点处理能 力的多样性。为这种异质网络设计的网络协议和算法需要对变化的功率、信道条件、业务 负载及其分布的多样性、网络拥塞状况等具有动态适应性。 l o 能量受限地运行：移动节点常常依靠电池来提供能量，能量有限，使节点的处理 能力有限，进而使它们只能提供有限的服务和应用。在a dh o c 网络中，节点一方面是终端 系统，另一方面又是路由器( 需要消耗能量来为其它节点转发路由) ，使如何节省能量的问 题变得更加突出。 1 1 网络的扩展性问题：在传感器网络、战场网络等大型a dh o e 网络中，许多应用往 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章鳍论 再弼两孺厉而孓甄、豇眨萨震硅菊亏丽污晤两甄垂豸泵虿蚕吴酉趸设二不由资源有限的往涉及数万个节点，因此扩展性对于成功部署这些网络至关重要。建设一个由资源有限的 节点组成的大型网络并不是一件容易的事情，它提出了许多需要解决的问题，如节点编址、 路由、位置管理、互操作性、安全性、大容量的无线技术等。 1 2 有限的安全性：与有线网络相比，无线a dh o c 网络存在更加严重的安全性问题。 在设计网络时，需要仔细考虑窃听、欺骗和拒绝服务攻击等。 1 2 无线局域网主要标准 为了让w l a n 技术能够被广为接受和使用，必须要建立一种统一的标准，以确保各 厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准定义了无线通讯物理层( p h y s i c a ll a y e r ， p h y ) 以及媒介接入控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。w l a n 现有的标准有很多，例如： i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 、h o m e r f 等。其中应用最为广泛的标准是基于i e e e 8 0 2 1 1 协议 的系列标准。 19 9 0 年i e e e 8 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 2 11w l a n 标准工作组。i e e e s 0 2 1 1 无线 局域网标准工作组任务为研究1 m b p s 和2 m b p s 数据速率、工作在2 4 g h z 开放频段的无线 设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月公布了该标准，它是第一代无线局域网标 准之一。该标准定义物理层和媒体访问控制规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立 互操作的网络设备。 在8 0 2 1 1 系列标准中，涉及p h y 的主要有4 个标准：8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 。 在m a c 层，8 0 2 1 1 、8 0 2 1 i b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 这四种标准均采用的是载波侦听多路访问 冲突避免( c s m a c a ) ，c s m a c a 相关内容在8 0 2 1 1 标准中定义，8 0 2 1 i b 、8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l g 直接沿用。但人们对w l a n 要求的越来越高，为了满足在安全性、q o s 等方面的进一步 要求，也为了与其他标准竞争，i e e e 相继提出了8 0 2 1 i e 、8 0 2 1 i f 、8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 1 i 等标 准【4 1 。 1 i e e e 8 0 2 1 l i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域网和 校园网中用户的无线接入，在2 4 g h z 的频段上，业务主要限于数据存取，提供1 m b p s 和 2 m b p s 的数据速率。物理层采用i r 、d s s s 和f h s s 三种技术，m a c 层的主要技术为 c s m a c a 协, 义( d c f 服务) 。由于它在速率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求， i e e e 又相继推出了8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 三个标准。 2 i e e e s 0 2 1 1 b l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 lb 工作于2 4 g h z 频带，也称为w i f i ，是当前应用最为广泛的w l a n 标准。 使用直接序列扩频方式和补码键控，在8 0 2 1 1 的基础上，物理层增加了5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新的数据速率。物理层技术为d s s s 的加强版本c c k ，m a c 层的技术为c s m a c a 。 它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化，在1 1 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之 间切换，而且在2 m b p s 、1 m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1d s s s 系统交互操作，但不能与1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 lf h s s 系统交互操作。 3 i e e e 8 0 2 1 l a 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 1 a 标准制定完成，是一个非全球性的标准，与工作在5 g h z 频带 上的8 0 2 1 1 b 不兼容。该标准规定无线局域网工作频段在5 1 5 5 8 2 5 g h z ，数据传输速率达 到5 4 m b p s 7 2 m b p s ( t u r b o 码) ，传输距离控制在1 0 - 1 0 0 米。8 0 2 1 l a 采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术来传输数据；可提供2 5 m b p s 的无线a = r m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧 结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口：支持语音、数据、图像业务：一个扇区可接入 多个用户，每个用户可带多个用户终端。8 0 2 1 la 支持的数据传输速率高达5 4 m b p s ，m a c 层的技术为c s m a c a 。i e e e 8 0 2 1 l a 芯片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。 4 i e e e 8 0 2 1 l g 2 0 0 2 年1 1 月，i e e e 试验性地批准一种i e e e 8 0 2 1 l g 的混合标准，使无线网络传输速 率可达5 4 m b p s 。8 0 2 1 l g 是对8 0 2 1 i b 的一种高速物理层扩展，同8 0 2 1 i b 一样，8 0 2 1 l g 工作于2 4 g h zi s m 频带，也符合8 0 2 1 l a 标准，采用了o f d m 技术，在5 g h z 的频率下 可以实现最高5 4 m b p s 的数据速率，与8 0 2 1 l a 相当；并且与8 0 2 1 l b 是兼容的，这是8 0 2 1 l g 相对于8 0 2 1 l a 的优势所在。 5 i e e e 8 0 2 1 1 h i e e e 8 0 2 1 l h 在8 0 2 1 l a 基础上增加自动频率选择( d f s ) 和发送功率控制( t p c ) 功 能，以适应8 0 2 1 1 a 在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制制定的要求。是下一个无 线新标准，速率将达到1 0 0 m b p s 以上，与8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 i b 、8 0 2 1 l g 兼容。 6 i e e e 8 0 2 1l e i e e e 8 0 2 1 l e 标准对无线局域网m a c 层协议提出了改进，增加了8 0 2 1 l m a c 层的功 能，以支持多媒体传输，支持所有无线局域网无线广播接口的服务质量保证机制。8 0 2 1 1 e 对m a c 层的增强与8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 1 b 中对物理层的改进结合起来，就增强了整个系统的 性能，f x - f8 0 2 1 1 系统的应用范围，使得w l a n 也能够传送语音、视频等应用。 7 i e e e 8 0 2 1 1 f 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 i e e e 8 0 2