移动AdHoc网络MAC协议及QoS保障机制研究

1、移动a d h o e网络mac协议及q o s保障机制研究摘要介质访问控制(mediumaccesscontrol, mac)协议是a d h o e网 结构鮒蜜魏叙部分，主要用于协调节点访问共享信道，mac协议能否高效 地利用有限的无线资源对a dho e网络的性能起决定性作用。另外随着各类多 媒体业务和实时业务的普及和推广，要求网络在带宽、时延等方面提供保证，a d h o c网络的q o s问题已经成为当前研究的一个新的热点。在a d h o e网络屮mac层的功能是控制节点的报文传输，对无线媒体的占用，保证网络的整体性 能，mac子层处在协议栈的下层，是所有数据报文和控制消息在无线信

2、道上进 行发送和接收的直接控制者，它能否高效地使川无线信道是上层各种协议和机 制所提供的q o s能否得到最终保障的一个关键因素。本文从a d h o c网络的mac协议入手，分析各种不同的mac协议在a dho e网络上的表现，将双信道传输与改进的握手协议相结合，设计实现了一个 适用于多跳a d h o e网络的双信道mac协议(dcmac)。节点根据收到的不同 控制包，在控制信道和数据信道屮采川三种不同的预留方法，不仅解决了隐藏 接收终端在单信道网络中不能同时接收数据的问题，还解决了暴露发送终端不 能同时发送数据的问题，实现了数据信道的同时传输。通过性能分析可以看出，dcmac协议的吞吐量

3、属性比基于rt s / cts的协议明显提高。本文分析了现有的a d h o e网络mac层的qos保障机制，针对目前基于区分服务的方法，结合8 0 2 . lie的edc f机制和改进的退避方法，利川双信道解决q o s保障问题。 仿真结果表明，该方案能有效提高吞吐量和实时业务的服务质量。关键词：a d h o c网络，mac协议，双信道，qos保障q o s f o r m o b i 1 eadho cne t wo r k sa b s t r a c tmed i umacces scont ro 1 (mac) protocol isanimportantpa r t inthen

4、etworkprotocol stackofadhoenetwork andi t isma inlyusedtocoordinatenod e s t o accessthesha redwi relesschannel . whethermacprotocol canut i i i z e t h e i i m i tedw i relessresourceplaysacrucial t h t h er o 1 e i n a d h o c n e t w o r k p e rformance.deve 1 opmentofva r iousmul t i m e d ness,

5、 thenetwork.banawidthanddel aya rerequi red shasbecomea1ase r v1c esandr ea1 -t i m eb u s it0pr ov1d ea guar ant (j e , the q ocurrent researchquest ionasanew hotspot atadhocnetwork, thefunctmaclayeraretha tcontrol 1 ingnodepacke t t ransmi ss ion, ccupyingwi r e 1 e s s m e d i aan dcnsurn gthc0 v

6、cra11pcrf 0r m ancc0fthcn et w 0rkmac1aycr10catcsnt he1o wer1ayer ofpr0 t0c01stack ,contr01spack et s t0b esentandrecevednt hech annc19cf fce nt1yusngt he w irc1csscha nn e 1s akeyfact0rf0rthath eupperra nge0fpr0 t0c01 andmechani smsgetfna1pr otect i o n .onthebas i sof themacp rotoco 1, thepe rf o

7、rmanceof ava r i e tyofmacprotocol isanalyzedinthi sdi ssertat ionforadhocnetwork. dual, chan n e 1 a n dimprovedhandshakesareintegrated, des i gnamed i umacces scont r o 1 (mac)protocol ca 1 1 eddcmac (dua i c h a nn e 1 m ac) foradhocnetworks b a s e d o nreceivingcontrolpackets, nodesuse3di ffere

8、ntnetworkal 1 o c a t i o n v e c tors (nav)i ncont rol channe 1 orda tachanne 1. thehidden terminalcan receivedatas i m u 1 t a n e o u s lyandtheexposedtermina 1 canal sot ransmi t d a ta . ascanbeseenthroughtheperformanceana 1 ys i s,acompari s o n w i tharts/ctsba sedp ro t o c o 1 i sgiven. t h

9、 e r e s u 1 tsshowtha t thedcmacprotocol ca ni mprovetheth roughsy1anade1 c ai a oa m11 tu e apd eosedon howtoguarantee t h e q u a 1yofservic1 ayerinadhocnetwork asthetechniquebasedondi ffserr combinedthe e d c fmechani smof802. 1 1 eandthe improvedbackof fmethod. us i n g d u a1 . channel tosolvc

10、thcqosguarantccproblc m. t h c r c s u 1 t o f s i m u 1 a t ionprovcsthcsc h e m e c a nimp rovethethroughputofnetworkandthequa 1 i tyof serveforrea1 timetraffic.keywords： adhoenetwork, mediumaccesscontrol (mac) , dual c h a n n e 1 , q o sguarantee图表清单图2 . 1 a d h o c网络协议栈一 6图2. 2信道共享方式10图2. 3隐终端问

11、题11图2. 4暴露终端问题12图4 . 1 d c m a c协议的隐藏和暴謀终端3 2图4. 2 d cma c的忙碌期和空闲期32图4. 3 dcmac协议的传输和预留33图4. 4马尔可夫链信道模型35图4. 5节点x和y的传输区域3 6图 4. 6tdata = 100nr, n=3 时的吞吐量37图5. 1双信道帧传输图41图5 . 2吞吐量4 2图5. 3语音帧延迟时间4 2表3 . 1优先级与接入类别的映射关系2 8独创性声明木人声明所呈交的学位论文是木人在导师指导下迹行的研究工作及取得的研究成只。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写

12、过的研究成果, 也不包含为获得金日巴王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对木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。学位论文作者签字：刊恢铲字日 期：w 口罗年矿月加日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金a巴王些太堂有关保昭、使用学位论文的规定，有权保昭并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些态 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库迸行检索，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适用本授权书）学位论文者签名：冽次件导师签名.签字日期

13、：汐哆年乡月加签字日期易产伊捆日i 1 i i学位论文作者毕业后去向：抄工作单位：电话：致谢本论文是在导师沈明玉老师的悉心指导下完成的，在此论文完成之际，谨 向沈老师表示真诚的谢意！沈老师以严谨的治学态度、渊博的学识、以及深厚 的学术造诣给我以指导，沈老师创新和求实的科研态度以及豁达的胸怀、执着 的人生信念、宽以待人的品质为我指明了方向。在论文的选题、资料的收集、 课题的研究和论文的完成各个环节，沈老师都给予我人量宝贵的指导和帮助， 在此表示衷心的感谢。同时，感谢我的同学闰磊、刘平、陈娟、杨伟杰，以及实验室的师弟师妹 们，大家一起对相关课题的研究及讨论，对我论文完成有很大的启发和帮助。感谢我的

14、家人在我的求学道路上始终支持我，理解我，是他们的关心与帮 助使我得以顺利完成学业。最后，感谢所有曾经鼓励或帮助过我的同学及朋友。作者：刘兵伟2 0 0 9 年3 月 22h第一章绪论11研究背景随着信息技术的不断发展，移动信息技术得到了飞速发展和普及。无线通 信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制的，即有中心的。 这一类无线网络的运行要依赖预先部署的网络基础设施，利用基站进行通信， 节点可自由移动到其它基站范围内，如蜂窝移动通信系统。另一类是无屮心结 构网络，即a d h o e网络，它是一种特殊的网络，网络节点临时组网，网络中 没有同定的基站，要依靠节点本身去实现路由功能，每

15、个节点就是一个路由器， 能够快速的组网。与有中心网络相比，a d h o e网络灵活、健壮、投资少，特别 适合于作战指挥、抢险救灾以及应付突发事件和执行临时任务的场合。移动a d h o e网络的前身是分组无线网(packet rad ionetwork)"。2 j ,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，美国的d arp a (defenseadvancedresea rchproj ec tagency）就开始了分组无线网项目p r n e t ,研究在战场坏境下利川分组无线网进行网络通信。在此z后，darpa于1 9 9 3年启动了高残存性自适应网络su

16、rancsurv i vab 1 eadapt i vene two rk)项目o')旨在对能够满足军事应用需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于19 9 1年的i e e e 8 0 2 .11标准委员会采川了“a d h o e网络"词来描述这种特殊的自组织对等式多条移动通信网络，a d h o c网络就此诞生。i e t f将adho c网络称为manne t (移动a d h o c网络)。adho c网络的特殊性，如没冇固定的基础设施、节点常常通过竞争接入信道、多跳通信以及节点可以在网络屮口由移动等，使它成为一个与传统的internet和蜂窝网、w

17、 l a n等完全不同的全新网络，给a d h o c网络的研究和 实川化带来了极大的挑战，同时也带来了各种各样的研究课题。目前，无论在 国际上，还是在区域上(欧洲和亚洲等地区)，周期性的adho c网络学术会议 益增多，网络领域内著名的会议和期刊都有大量关于a dho c网络的研究论文。1 . 2论文的主要工作本文的研究工作主要针对基于a d h o c网络的mac层接入技术和q o smac协议，包扌舌以下4个方面：(1 )对典型的几种移动a d h o c网络mac协议进行了分析比较；(2)对现有adho c网络的q o smac协议进行比较详细的描述，并分析了各自的优缺点；f 3)将双

18、信道传输与改进的握手协议相结合，设计实现了一个适用于多跳(4 )在研究8 0 2 . 1 1 e edc f的基础上，将改迸后的区分服务退避算法引入信 道接入机制之中，运用到dcmac协议上，并对其进行仿真实现。13论文的章节安排本论文的章节安排如下：第一章绪论。主要介绍了本文的研究背景、以及本文主要的工作和文章 相应的章节安排。第二章移动a d h o e网络的mac接入协议。首先是关于a d h o e网络的概述，包括a d h o e网络的定义、特点、应用及关键技术等；然后探讨了 a d h o c 网络的mac层面临的主要问题和协议设计要求；最后对mac层接入协议进行 分类，并对儿种典

19、型的信道接入协议进行描述。第三章移动a d h o c网络qos研究。首先概述了 qos的概念；然后介绍了移动a d h o e网络q o s相关研究内容；最后对现有a d h o e网络的q o smac 协议进行描述。第四章一种a d h o e网络双信道mac协议。设计实现了一个适用于多跳a d h o e网络的双信道m ac协议一一 dcmac。并对其进行性能分析。第五章基于双信道的a d h o e q o smac协议。针对目前基于区分服务的 方法，把8 0 2. 1 1 e的edcf机制和改进的退避方法结合起来，并通过利用双信 道，以解决q o s保障问题。并对其进行仿真分析。第

20、六章总结了本论文的主要工作，论文的研究成果和创新点，并对以后的研究工作提出了一些展望。第二章移动a d h o e网络的mac接入协议2. 1 a d h o e网络概述2 . 1 . 1 a d h o e网络的定义及特点adho c网络，又称为自组织网络，是山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，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。与其它传统通信网络相比，它具有以下显著特点（3 j。（1 ）网络自组织性：a d ii o e网络中的每个移动节点具有主机和路由器的

21、双 重功能，它们能够在没有固定网络基础设施的支持下快速组网,形成一个动态 多跳网络。（2 ）动态变化的拓扑结构：a d h o c网络中由于节点的随机口由移动以及各 种外界干扰的存在导致了网络的拓扑结构和连接状况是不可预测的。（3）受限的带宽和变化的链路容量：a d h o e网络采用无线传输技术进行通 信，无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的带宽远低于有线信道；同时 由于多路访问、衰减、噪声和干扰等因素的影响，adho c网络屮的无线链路的 带宽和链路容量是不断波动的。（4 ）资源受限：移动节点本身的资源（on cpu、内存、电池能量等）通常是 有限的，这就要求协议的设计应当满足鲁棒性好

22、、实现简单和节约能量等标准。（5）多跳组网：由于移动节点所装备的无线收发装置对无线电信号的传输 范围有限，因此对于传输范围之外的目的节点必须通过其它节点作为中继来转 发数据包，这就经常会形成“多跳”。这种多跳路由将会引起包括-隐终端和暴露 终端以及公平性等许多问题。（6 ）分布式控制：由于在a d h o e网络屮没有类似基站那样的屮心控制设 旌，各节点z间的地位是平等的，因此节点通常采川分布式的工作方式，增强 了网络的鲁棒性和抗毁性。（7）存在单向的无线信道：a d h o e网络采用无线信道通信，由于无线传输 设备的不同或地形环境及发射功率等因素的影响可能产生单向的无线传输信、j上逼。（8

23、 ）安全性受限：通常，由于a dho e网络采川无线信道、有限电源、分布 式控制等技术，它会比有线网络更容易受到安全性的攻击，这些安全性的攻击 包括窃听、电子欺骗和拒绝服务等。a d h o e网络的以上特性使得传统应用于i n t e n r e t的m a c协议无法适用， 同时由于移动节点的计算能力和存储容量较低并且能量受限，要求mac协议 应该尽量简单，这乂增加了其设计的难度，因此mac协议已经成为当前adho e 网络研究的重点和热点问题。2 . 1 . 2 a d h o e网络的应用adho e网络适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合，以及需快速口动组网的场合等。针对adh

24、o e网络的研究是因为军事应川而发起的，因此 军事应用仍是a d h o e网络的主要应用领域。然而，由于a d h o e网络具有自创 造、自组织和自管理的特性，因此在民川移动通信方面，也有非常广泛的应川 前景，尤其是在一些特殊的工作环境中，比如所在的工作场地没有可以利用的 设备或者由于某种因素的限制不能使川已有的网络通信基础设施时，川户z间 的信息交流以及协同工作就需耍利用a d ii o c技术完成通信网络的立即部署， 满足川户对移动数据通信的需求。移动a d h o e网络潜在的应用有很多，可分为以下几类：(1) 军事无线通信在现代化战场上，由于没有基础设施可用，各种军事车辆之间、士兵

25、之间、 士兵与军事车辆之间都可以通过a d h o e网络保持密切的联系，以完成集中指 挥，协调作战。由于特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点， 使其成为数字化战场通信的首选技术。(2) 移动会议在室外临时环境屮，工作团体的所有成员不川借助路由器等设施就能通过adho c方式将各种移动终端(笔记本电脑、p d a等便携式设备)快速组成一个临时网络,从而实现分布式会议，协同完成提问、交流以及资料分发等任务。(3) 紧急服务在地震、洪水等自然灾害发生，导致网络基础设施遭到破坏无法使用时， 快速恢复通信是非常重要的。然而要重新建立这些固矩通信设施不仅耗时困难， 有时甚至是不可能的。借助

26、于a d h o c网络技术可以快速建立i临时网络，延伸 网络基础设施，从而帮助紧急救援人员完成必要的通信工作，减少灾难带来的 损害。(4 )传感器网络传感器网络是a d h o e网络的一大应用领域。在很多应用场合中，传感器 只能使用无线通信技术，而考虑到体积和节能等因索，传感器的发射功率不可 能很大。作为远程监控和信息收集的手段，将分布在一定范围内的传感器连接 成a d ii o e网络，可以实现传感器之间利与控制中心之间的通信，将极人地提 高信息收集和处理能力。(5 )个人通信个人域网络pan (pe rsona lareane twork)是a d h o e网络技术的另一应用领 域。

27、pan的概念是由工eee 8 0 2. 1 5提出的，该网络只包含与个人密切相关的装 置，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相互 通信。a d h o e网络不仅可用于实现个人电子通信设备之间的通信，还为建立室外更大范围的个人域网络z间的多跳互联提供了技术可能性。(6 )与移动通信系统的结合a d h o e网络还可以与蜂窝移动通倍系统相结介，利用移动平台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。在实际应川屮，a d h o c网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它还可以作为末端子网通过接入点(ap： accessp

28、oint)接入其它的固定或移动通信网 络，与a d h o e网络以外的主机进行通信，因此，a d h o e网络也可以作为各种 通信网络的无线接入手段z-o在以后的发展过程屮，军事应川在a d h o e网络应川屮仍将保持重要地位，但民川领域的应川将逐步扩大。不过，目前a d h o e网络还没有很成熟的商业产品，它还面临许多问题需要加以解决，例如对路由算法低功耗性能的要求、避免冲突的mac协议等。a d ii o e网络止处在迅速发展过程中，与之相关的各 种新的协议也在不断出现，各种协议和技术都有一定的优缺点，只适川于某些 特定环境，并且还有许多问题有待解决。a d h o c网络是共亨无

29、线传输媒体的多点多跳网络，其mac协议的功能是控制节点的报文传输对无线媒体的占用，保证网络的整体性能。从a d h 0 c网 络出现至今，mac协议设计一直是研究的重点，体现了其技术挑战性和重要性。2 . 1 . 3 a d h o c网络的体系结构网络体系结构就是指网络的各层及其协议的集合，由于移动a d h o c网络 的特殊性，传统网络体系结构和己有的大量协议在a d h o e网络屮不再适川，a d h o c网络的体系结构巧】应当充分考虑网络的自组织特性和特殊的应用环丄兄。(1) 节点结构a d h o e网络的节点不仅要具备移动终端的功能，还要具备路山器的功能，因而就完成功能而言网

30、络节点可分为主机、路由器和电台三部分。其屮主机部分完成移动终端的功能，包括人机接1 2 1、数据处理等；路由器部分主要负责维 护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能；而电台部分则提供无线 信息传输功能。(2 )网络拓扑adho e网络的分布式工作方式确定了其网络拓扑通常采用完全分布式控制网络结构和分层分布式控制网络结构，即平面结构和分级结构。平面结构的网络比较简单，所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上 是平等的，原则上不存在瓶颈，网络比较健壮，源节点和目的节点z间一般存 在多条路径，可以较好地实现负载平衡和选择最优路由。然而在平面结构屮，由于无法实施集中式的网络管理和控制，每一个节

31、点都需要知道到达其它所有 节点的路由信息，为了维护这些动态变化的路由信息需要产生大量的控制消息, 当网络规模增加到某个程度时，就会造成网络的“瘫痪化平面结构的可扩充性 差，主要用于中小型网络。在分级结构屮，网络被划分为一个或多个簇（cluster）。每个簇由一个簇头(cluster . header)和多个簇成员(cluster . m e m b e r )组成，这些紬紳顼的wip，又可以再分簇,形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节 点利用算法选举产生。在分级结构中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，人 大减少了网

32、络屮路由控制信息的数量，具有良好的可扩充性，网络规模不受限 制，可通过增加簇的个数和网络的级数来增加网络的规模，簇头节点可以随时 选举产生，具有较强的健壮性。虽然分级结构也存在簇头选择算法和簇维护机制增加了控制的开销以及簇 头节点可能成为网络的瓶颈等缺陷，但从实施资源管理和提供服务质量保障的 角度出发，分级结构有较大优势。（3）网络协议栈根据a d h o c网络的特征，参照0 s i的经典7层协议栈模型和t c p / i p的体系结构，可以将a d h o c网络的协议栈划分为5层，如图2 . 1所示：应用服务应用层传输服务传输层转发和路由网络层链路控制链路层信道接入无线信道物理层图2.1

33、 a d ho g网络协议栈在协议栈屮，各层的功能描述如下：1 ）物理层功能包括信道的区分和选择、无线信号的监测、调制解调等。其设计目标 是以相对低的能量消耗，克服无线媒体的传输损失，获得较大的链路容量。2）数据链路层mac子层规定了不同的用户如何共享可用的媒体资源，即控制移动节点对 共享无线信道的访问，它包括两个部分：一是信道的划分，即如何把频谱划分 为不同的信道；二是信道分配，如何把信道分配给不同的用户。逻辑链路控制llc子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的mac方法。具体包括 数据流的复川、数据帧的检测、分组的转发/确认、优先级排队、差错控制和流 量控制等。3 ）网络层主要功能包

34、括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联功能。邻居发现 川于收集网络拓扑信息；路由协议的作川是发现和维护去往目的节点的路由。路由协议包括单播路由协议和多播路由协议，此外还可以采用虚电路方式来支 持实时分组数据的传输。4 ）传输层主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网（下三层的细节）相隔离，并根据网络层的特性來高效地利用网络资源，特别是当adho c 网络需要接入internet等外部网络时尤其需要传输层协议的支持。5 ）应用层主要功能是提供面向川户的各种应川服务，包括具有严格延时和丢失率限制的实时应用（紧急控制信息）、基于rtp / rtcp的自适应应用（音频和视频）和没 有

35、任何服务质量保障的数据包业务。6）町选功能包括功率控制、拓扑控制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、 服务发现、地址自动配置和安全策略等，这些可选功能模块在协议栈屮的具体 的位置取决于各功能模块的作用以及与上下层协议的关系。adho c网络是为特定目的和临时场合构建的，不同的应用环境中，节点的数量、功率和移动速度以及链路的带宽因索各不相同，因此a d h o e网络的体 系结构应根据具体的使用环境和应川需求进行设计。采川严格的分层体系结构 使得协议缺乏足够的适应性，不符合动态变化的网络特点，网络性能往往无法 得到有效的保障，特别是当能量或q o s作为约束条件时，因此为了满足a dho

36、e 网络的特殊要求，需要一种能够在协议栈的多个层支持自适应和优化性能的跨 层协议体系结构，并根据所支持的应川来设计系统，即采川基于应川和网络特 征的跨层体系结构。2. 1 . 4 a d h o e网络的关键技术adho e网络的特殊性使得传统冇线网络和蜂窝数字移动通信网屮使用的各种协议和技术无法被直接使川，需要为a dho e网络设计专门的协议和技术。adho e网络涉及的技术很多，但主要体现在以下儿个方面h j。o （ 1 ）链路层自适应技术由于能量的限制，adho e网络的链路层设计tri临许多新的挑战。由于多径衰落引起的幅度与相位的扰动、延迟扩展引起的码间串扰、来口其他节点信号的干扰等

37、因素，使得无线信道的单位带宽容量相对较小。adho c网络链路层设 计的目标是在相对小的能量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。链 路自适应技术主要包括：自适应编码、自适应调制、自适应功率控制、自适应 资源分配、口适应链路调整等技术。(2) 信道接入技术信道接入是adho e网络协议的基础，控制着节点如何接入无线信道，对adho e网络的性能起着决定的作用。adho c的无线信道不是普通网络的共字广播信道、点对点的无线信道和蜂窝移动通信系统屮由基站控制的无线信道， 它是多跳共享的多点信道。一个节点发送信息时，只有它的邻居节点可以收到。此外，adho e所独有的暴露终端和隐藏终端问题，需要

38、专门设计的信道接入技 术才能解决。(3 )路由协议路由协议是a d ii o e网络的重要组成部分，要实现多跳路由，必须有路由协议的支持。i e t f成立的mane tt作组目前就主要负责adho c网络pe层 路由的标准化工作。(4 )服务质量(qos)保证随着应川的拓展，需要在adho c屮传输话音、图像等多媒体业务。多媒 体业务对带宽、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。在adho e屮服务质量保证是个系统性的问题，不同层都要提 供相应的机制。比如应用层要提供自适应信源编码和压缩技术，网络层要提供 qos路由，链路层要提供资源预留策略rsvp。(5)广

39、播和多播由于adho e网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，它们需要 链路层和网络层的支持，而且由于a dho e网络是特殊的多跳共享的多点信道， 对于多播问题将很难解决。(6 )安全问题adho c网络的特点之-僦是安全性差，易受窃听和攻击，因此，需耍研究适用于a d h o e网络的安全体系结构和安全技术。(7) 网络管理a d h o e网络管理范围比较广，包括a d h o c网络屮的服务发现、移动性管理、地址管理、服务管理等，要有相应的机制来解决节点定位、地址自配置等 问题。(8) 传输层服务在adho c网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成报文冲突和丢失，这将

40、严重影响tcp的性能，因此，在adho e网络屮要对传输层 业务进行修改(比如tcp),以满足数据传输的需要。(9 )网络互联技术在很多场合下，a d h o c网络要和具他网络互联，比如在军事应用中，采用ad ho c网络技术的战斗网络要接入更高级的战场通信系统。有的时候，ad ho c网络还耍接入因特网。由于a d ii 0 c网络采用了不同的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行相应的转换丁作。在以上关键技术屮，有效的mac协议以及qos保障是成功通信的前提和基础，因此成为当前研究的重点课题。22媒体接入控制(mac)协议的基本概念adho c网络协议分为应用层、传输层、网络层、数据

41、链路层和物理层。上层的应川服务和传输服务为终端的应川程序提供相应的服务。数据链路层位于 第二层，主要解决的问题包括媒体接入控制，数据的传送、同步、纠错以及流 量控制等，基于此，数据链路层又分为媒体接入控制子层(mac：mediaaccess control)和链路控制子层(llc： logiclinkcontro1)。媒体接入控制子层主要解决多个用户动态共享信道资源的问题，控制节点接入无线信道，为上层提供快速、可靠的帧传送支持；链路控制了层主要解决 在不太可靠的物理信道上实现可靠的数据传输的问题，完成连接控制、分群等 与信道无关的链路层功能。mac协议决定了数据链路层的绝大部分功能，是adho

42、 c网络协议的雨要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，mac协议能否有效的使川无线信道的有限带宽，将对a dho c网络的性能 起着决定性作川。同有线网络相比，无线信道的频率资源相对贫乏，不可能对每个想要与其它节点通信的终端都分配一个独立的信道，因此，只要有可能，就应尽量采川 信道共享技术。如何控制对共享信道的接入就是mac层的主要任务，而相比 有基础设施的无线网络，a d h o c网络的mac协议设计更具挑战性。由于缺乏 中央控制器，基于固定分配信道或有中心控制的mac层协议都不能满足a d ho c网络的需要，同时，在多跳无线网络屮，无线介质由多个节点共享，节点 的通信范

43、围受限，且节点可以随机移动，这就带来隐终端、暴露终端问题和信 道访问公平性问题，以及节点移动性引起的入侵终端问题，因此，设计适川于a d h o c网络的mac协议成为a d h o c网络的研究热点z。2. 3 a d h o e网络mac层面临的主要问题ad ho 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【7 引。这些问题包括：(1 ) mac相关的无线接收问题；(2)不同的信道共享方式：（3）隐终端问题（4 ）眾露终端问题；（5 ）结点移动的影响。a d h o c网络的信道接入协议必须尽量消除这些因素的影响。2. 3. 1 mac相关的无线接收问

44、题（1）冲突接受机收到两个以上能量足够强的信号，无法调解出任何一个信号。（2 ）载波不同于无线通信调制屮的概念，mac协议屮的载波是指能表明信号存在的 度量，如ds调制中，载波可采用pn码的相关峰值。2. 3. 2不同的信道共享方式（1 ）普通通信网络屮的信道共享：在普通的通信网络屮，信道共享的方式 一般分为点对点、点对多点和多点共享（见图2. 2 ）。点对点是最简单的共享方式, 其特点是只川两个结点共享无线信道。在单信道时，两个结点可以通过半双工 方式实现共享。在双信道时，可实现全双工通信。点对多点共享一般用于用固 定基础设旌控制的无线信道，例如蜂窝移动通信系统的无线信道，在这种情况 下，终

45、端在屮心站的控制下共享一个或多个无线信道。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。屯点对赢煞孽1 i。燕对多赢共出c .多点遜豪图2. 2信道共亨方式（2 ） a d h o e网络的多跳共享性：a d h o e网络的信道共享方式与上述不同，虽然adho e网路的无线信道也是一个共享的广播信道，但是它不是一跳共享的。在adho e网络中，当一个结点发送报文时，只有在它覆盖的范围内的结点（邻居）才能收到，而覆盖范围外的结点感知不到任何通信的存在，这恰恰也是adho e网络的优势所在，即发送结点覆盖范i韦i外的结点不受发送结点的影响，它们也可以同时发送报文，这人大提高

46、频率的空间复用度。在使用一个通信频率的情况下，a d h o e网络屮可以有多对结点同时进行通信，我们称a d h o e 网络的这种共享信道的方式为多跳共享广播信道。（3）多跳共享对mac协议的影响：多跳共享广播信道带来的直接影响就是 报文冲突与结点所处的地理位置有关。在一跳共享的广播信道中，报文冲突是全局事件，所有的站点要么都收到正确的报文，要么都会感到报文冲突。而在a dho e网络中，报文冲突只是局部事件，并非所有的结点都可以感知到，一个结点正确的收到了报文，该报文可能会在另一个结点处发生冲突；也可能报文 在接收结点处发生了冲突，而发送结点丝毫察觉不到，也就是说发送结点和接 收结点所感

47、知到的信道情况不一样，这就带来了隐终端和暴露终端的问题。由丁-a dllo e网络特殊的信道共享方式，基丁点对点共享信道和一跳共亨 广播信道的信道接入协议无法被a dho c网络直接使用，需要设计专用的信道 接入协议。, o o o /v oj、o：、oj、oj 019取州j、 ，、x: :," / / /、23. 4暴露终端问题暴露终端是指在发送珞点覆盖范围2内而在接收结点覆盖范围乙外的締 9 点。如图2. 4所示，岁結点b向结点a发送报文时，结点c处在结点b的覆盖 范围z内而处在结点a彳覆盖范围之外為魚c是眾露终端，结点c因听到结 点b的发送而可能会延迟向结点d的发送报但实际上结

48、点c向结点d发 送并不会影响结点b向莎 a发送。曝詬茲因听到发送x点的发送而延迟发9送，但因为它在接收站点旳通信鸡围z外，它的发送实际上不会造成冲突。这 就引入了不必要的延迟，所以也要斷法解决。在单信道条件下暴露终端问题无法得到根本解决。图2. 4暴露终端问题2. 3. 5结点移动的影响adho c网络中的结点是移动的，这会造成网络拓扑结构的不断变化。a dh o c网络的路由协议要适应这种动态的拓扑结构，提供正确的路由。结点移动 对信道接入协议也有一定的影响，当一对结点正在通信时，因移动而进入接收 结点通信范围的结点（被称为入侵结点）可能会发送（或正在发送）数据而引起报 文冲突。文献9 ,

49、10】通过理论和仿真分析证明了结点移动对信道接入协议的影响 是微乎其微的，甚至可以被忽略。因此，在后续的讨论中将不考虑结点移动的 影响，只对结点静止状态下a dho c网络信道接入协议的性能进行研究和分析。ad ho c网络的信道接入协议必须尽量消除这些因索的影响。2. 4mac协议设计要求ad ho c网络信道接入协议要面临许多其它网络没有的新问题，因此它应具有与其它网络的信道接入协议不同的功能和特性。一个普遍适用的、高效的信道接入协议应该具有以下的基本特性：（1）高空间复用度adho c网络的优点z-就是可以实现多对结点同时进行通信，实现频率的空间复川。信道接入协议应该尽量增加这种复川度，

50、使网络中更多的结点可以 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）避免报文间的冲突由于采用了特殊的信道共享方式，a d h o c网络信道接入协议要面1隘报文冲 突的威胁。报文冲突，尤其使数据报文（长度一般较长）的冲突，会严重影响无 线信道的利用率，因此，信道接入协议要尽量的避免报文问的冲突，尤其是要 实现数据报文的无冲突发送。（3）提供冲突解决方法当报文不可避免的发生冲突时，信道接入协议要提供有效的冲突解决方法,尽量减少报文冲突带来的影响。常用的冲突解决方法时退避重发。(4 )硬件无关性一个普遍使川的a dho c网络信道接入协

51、议应该时具有硬件无关性，即不 能对电台的功能做过多的假设，这样做的目的有两个：一时横向的普遍适用性(只要满足基本功能假设的电台都可以使川该信道接入协议):二是纵向普遍适 用性(电台可以随时采用无线通信技术领域的最新研究成果，只要满足协议的基 本功能假设，仍然可以采川该信道接入协议)。(5 )公平性要保证网络接入的相对公平性，要使得站点都有机会发送数据，而不会在 网络繁忙时被大量的数据淹没掉。2 . 5 ad h o e网络中mac协议的分类经过长期与广泛的研究，研究人员已经提出了数十种a dho e网络信道接 入协议，由于mac协议是与传输信道相关的，因此，不同的信道接入协议具 有各自不同的设

52、计目标，可使川各种不同的信道复川技术，对适川的应川环境 也是多种多样的。即使未来adho c网络实现标准化，不同传输环境的信道接 入协议也是不同的。对信道接入协议进行严格的分类是非常困难的,这里按照两种基本方法对 信道接入协议进行划分。25. 1基于发起者的信道接入协议(1)发送方主动的信道接入协议由发送节点主动发起信道预约，即发送者要发送数据时，先发送一个rts 控制报文来与接收者预约信道。大多数的信道接入协议属于这一类，包括maca r m u 1 t ipleaccesscol 1 i s i onavo i dance) 111, macaw (macaf o r 斟号宇 ©

53、lesslan) 12(2 )收方主动的信道接入协议由接收者主动发起信道预约，接收节点主动向发送节点发送rt r ( r e a d y t o receive)控制报文，发送结点如果有数据就直接发送。这种信道接入协议试图 通过减少控制报文的个数、降低握手开销来提高网络的吞吐量。这类协议包括m a c a. b t 131、r i m a t 1 41 5 o25. 2基于信道数目的信道接入协议(1 )基于单信道的信道接入协议基于单信道的a dho c网络信道接入协议用于只有一个共享信道的a dho 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。受传播延时、隐终端、暴露终端和节点

54、移动等因素的影响，单信道的adho e网络中有可能 发生控制报文z间、控制报文和数据报文z间、数据报文z间的冲突。一般来 说数据报文的长度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，这种信道接入协议的主要目标之一就是通过使用控制报文尽量减 少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。典型的基于单信道 的a d h o c网络信道接入协议有ma c a、macaw、i e e e 8 0 211dcf1161和 fama 1 7_1 8 1 (flooracqui s i t ionmul t ipl° a c 5累弦曙道的信道接入协议基于双信道的a dh

55、o c网络信道接入协议川于有两个共享信道的a dho c网络。两个信道分别为控制信道和数据信道，控制信道只传送信道接入协议的控 制报文，而数据信道只传送数据报文。因为使川了两个不同的信道，控制报文 不会与数据报文发生冲突。双信道在解决隐终端和暴露终端方面具有独特的优 势，通过适当的控制机制，可以完全消除隐终端和眾露终端的影响，避免数据 报文的冲突。典型的基于双信道的a d h o c网络信道接入协议有e a pu1 191 (basic acccssprotocolsolut ionsforwi rclcss)¥z 1 : 1dbtma2o 21 1 (dualbusyt o n e m u 1 t i p 1 eaccess)等。(3)基于多信道的信道接入协议 基于多信道的a dho c网络信道接入协议川于具有多个信道的a dho c网