定向Ad Hoc網絡隱藏與暴露終端問題的研究論文
摘 要：介紹基于定向天線的MAC協議，闡述使用定向天線所面臨的隱藏終端、暴露終端以及聾結點問題。重點分析定向天線的MAC協議造成隱藏終端和暴露終端的原因以及解決這些問題相應的策略，在此基礎上提出了新的改進CSMA協議。通過仿真表明，改進CSMA協議能提高基于定向天線Ad Hoc網路的整體性能。
關鍵詞：Ad Hoc網路 定向天線 改進CSMA協議
引言
Ad Hoc 網絡是一種特殊的無線移動網絡。網絡中所有節(jié)點的地位平等，無需設置任何的中心控制結點。網絡中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發(fā)能力。與普通的移動網絡和固定網絡相比，它具有無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲的特點。
Ad Hoc 網絡的無線通道是多跳共享的多點信道。在Ad Hoc 網絡中，可能會有多個無線設備同時接入信道，導致分組之間相互沖突，使接收端無法分辨出接收到的數據，導致信道資源浪費，吞吐量顯著下降。為了解決這些問題，就需要MAC協議。所謂MAC協議，就是通過一組規(guī)則和過程來更有效、有序、和公平地使用共享媒體。因此MAC協議可以說是Ad Hoc?網絡的關鍵技術之一。
1.無線MAC協議面臨的關鍵問題
目前關于Ad Hoc 網絡的研究重點大多為節(jié)點配備的是全向天線。
建議基于競爭的MAC協議：
（1）ALOHA協議：
ALOHA是最早提出的MAC接入協議，其工作原理是：所有結點均可以自由的通信，發(fā)起握手的結點不需要監(jiān)聽信道，結點直接用頻率F0進行三次握手，發(fā)送方如果超過一定時限未收到應答，則認為發(fā)生了沖突，等待一定間隔后重試，直到重發(fā)成功為止。等待時間間隔是隨機的，假定，各個結點通信是發(fā)送數據幀，發(fā)送數據幀所需時間是T，發(fā)送成功的條件是這個幀與該幀前后發(fā)送的兩個幀到達的時間間隔均大于T。但是在這個時間內有其他幀傳送，就可能產生沖突。ALOHA協議中沒有考慮如何避免數據發(fā)送發(fā)生沖突，因此，發(fā)生沖突的幾率較大。
（2）CSMA協議：
CSMA中，發(fā)起握手的結點用頻率F0進行連接建立前首先需監(jiān)聽，確定是否聽得到有其它結點用頻率F0進行握手（由于采用定向天線的Ad Hoc網絡天線波束的方向性，未聽到并不意味著不存在沖突和隱終端問題），如果未監(jiān)聽到則以頻率F0發(fā)送握手信息，否則等待一定間隔后重試；如果超過一定時限未收到應答，則認為發(fā)生了沖突，等待一定間隔后重試。由于采用了信道監(jiān)聽，這樣就避免了一定的發(fā)送沖突。
3.2“無沖突”的MAC協議
目前“無沖突”的MAC協議越來越受到學者們的青睞。但是基于結點輪詢或令牌環(huán)的網絡的時延性能較差，而且沒有采用同頻道復用技術，不利于多跳網絡系統(tǒng)效率的提高；傳統(tǒng)的FDMA或TDMA協議 不適用于相互之間信息位置未知的建網過程。
因此在采用定向天線的Ad Hoc網絡中，為了克服這些不足，建網階段的MAC協議采用預先分配應答時隙的動態(tài)STDMA協議。其特點是：
信道分時隙，時隙組成幀；結點必須粗同步，應答限制于時隙范圍內；結點按照一個分布式、動態(tài)產生的時隙來接入信道；S指的空分復用，由于物理層使用定向天線。各結點的應答可在各自規(guī)定的時隙內實現并行操作，獲取更好的復用度。總的來說，對于突然有大量握手操作的建網過程，動態(tài)時隙分配STDMA是更優(yōu)的選擇。
4.定向天線對MAC協議的影響（內容補充）
雖然采用定向天線的網絡天線波束具有方向性，但其信號覆蓋范圍仍為一個椎體，有可能發(fā)生沖突與隱藏終端問題。
1.純ALOHA協議
結點用頻率F0發(fā)出握手請求，若沒有先驗掃描方向信息，則全向掃描，若有先驗掃描方向信息，則其波束覆蓋范圍為自身為頂點、α為半頂角的錐形區(qū)域，信號作用距離取決與距離和功控算法的精度。如圖4.1所示。
圖4 .1 ALOHA協議中沖突與隱藏終端
假設V6正與V7定向通信，沒有收到V5和V2間的握手信息。當V6向V2發(fā)送RTS，由于V2正與V5通信，從而在V2處發(fā)生沖突，當V2向V5發(fā)送全向CTS時，由于V1在V2全向發(fā)送范圍之外，收不到V2的全向CTS。如果V1在V5和V2通信期間向V2發(fā)送定向RTS，則在V2處發(fā)生沖突。V6和V1即為V2的隱藏終端。
2.CSMA協議
結點首先需監(jiān)聽信道，確定是否聽得到有其它結點用頻率F0進行握手，若無則用頻率F0發(fā)出握手請求，否則等待一定間隔后重試。若沒有先驗掃描方向信息，則全向掃描，若有先驗掃描方向信息，則其波束覆蓋范圍為以自身為頂點、α為半頂角的錐形區(qū)域，信號作用距離取決與距離和功控算法的精度。參與握手的結點用頻率F0進行連接建立前首先監(jiān)聽的機制能夠避免部分可能產生的沖突與隱藏終端問題，但由于波束信號覆蓋范圍為一個半頂角為α的椎體，任何結點必然存在監(jiān)聽盲區(qū)，沖突與隱終端問題仍可能存在。監(jiān)聽機制部分解決了沖突與隱終端問題，但也帶來了暴露終端問題，如圖4.2所示。
圖4.2 CSMA協議的暴露終端現象
假設首先由V1用頻率F0向V2發(fā)出握手請求，該握手請求信號既能被結點V2收到也能被結點V4收到，如果此時V4需要建立至V3的連接，依據CSMA協議，V4不能以頻率F0發(fā)起與V3握手過程。事實上由于V1沒有位于V4為結點、V4V3間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，不會產生F0頻率沖突，V4“可說但不能說”，形成暴露終端現象。
3.改進的CSMA協議（）
基于CSMA協議的討論，CSMA協議未充分利用定向天線網絡的天線信號方向性特征解決頻率沖突和隱終端現象，可能會形成嚴重的暴露終端現象。我們提出改進的CSMA協議，進一步解決暴露終端現象。改進規(guī)則（）如下：
（1）空閑結點記錄△t時間內監(jiān)聽到的最后一次（或前兩次）用頻率F0進行握手的結點，比如結點V0，稱為可能沖突結點。
（2）任何結點用頻率F0發(fā)出握手信息時（請求、應答及確認），首先解算自身的可能沖突結點是否會落入波束信號的椎體內。若是，則退避，否則用頻率F0發(fā)出握手信息。協議規(guī)定僅在可能沖突結點確實發(fā)生沖突時退避。如圖4.3所示。
圖4.3 改進CSMA協議暴露終端解決方案
假設結點V1首先用頻率F0向V2發(fā)起握手請求，該握手請求信號同時被結點V4收到，因此在△t時間內結點V1成為結點V4的可能沖突結點。如果在△t時間內結點V4需要建立至V5的連接，V1落入以V4為頂點、V4V5間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，此時可能沖突結點V1成為V4的必然沖突結點，V4必須退避；如果在△t時間內結點V4需要建立至V3的連接，V1沒有位于以V4為頂點、V4V3間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，此時可能沖突結點V1不是V4的必然沖突結點，V4完全可以用頻率F0向V3發(fā)出握手信號。
改進CSMA協議較好解決了頻率沖突、隱藏終端和暴露終端現象。但增加了協議復雜性和結點工作負擔：
（1）空閑結點必須記錄△t時間內監(jiān)聽到的最近一次（或前兩次）用頻率F0進行握手的結點信息，即可能沖突結點的信息，增加了結點需存儲信息量，但信息僅屬于結點局部信息而非全局信息，未增加需要全網廣播的信息量。
（2）結點以頻率表F0發(fā)送握手信息前要解算可能沖突結點是否為必然沖突結點，加重了結點運算負擔。
5.三種協議性能的理論分析
分析MAC協議的性能，一般用吞吐量S和網絡流量G兩個參數來衡量。吞吐量S：在幀的發(fā)送時間T內成功發(fā)送的平均幀數；網絡流量G：在T內總共發(fā)送的平均幀數（包括發(fā)送成功的幀和因沖突未發(fā)送的幀）。
它們之間的關系為：
而：
假設網絡中結點的數量很大，數據包發(fā)送成功概率服從泊松分布，即，為平均幀的發(fā)送率，。
所以有：
在純ALOHA協議中，吞吐量，當G=0.5時，S有極大值，S≈0.184。
在CSMA協議中，吞吐量，為信道延遲；若忽略信道延遲時，則，當G=1時，網絡的吞吐量達到最大S≈0.538。
在改進CSMA協議中，引入了“可能沖突點”和“必然沖突點”兩個概念，只有當一個結點是另一結點的“必然沖突點”時，則必須退避。
在解算“可能沖突點”與“必然沖突點”中，各結點相同頻率的天線波束為頂角是的近似椎體。則：
可知結點有效傳輸半徑為。則，表示在半徑內平均結點數，為單位面積內平均結點數。表示一個結點在一個時隙內平均成功傳輸的分組數，其中是定向天線波束的頂角。
根據結點成功發(fā)送需要同時滿足的3個條件：本結點發(fā)送且成功，其次至少在本結點傳輸區(qū)域內有一個結點。則：
在想定和的情況下，使最大的值為
6.仿真結果及分析
采用OPNET仿真軟件進行仿真分析[8][10]，ALOHA、CSMA和改進CSMA是應用于定向天線信道網絡中的接入協議，為了仿真定向天線信道，建立起基于Ad Hoc通信的網絡模型。將網絡模型設定為由5個結點， 2個發(fā)射結點，3個接收結點組成。發(fā)射結點以指數時間間隙發(fā)送數據包，接收結點接收未發(fā)生沖突的數據包，并在仿真結束后，通過網絡吞吐量以及信道利用率統(tǒng)計量記錄下仿真的結果。分析仿真數據，比較ALOHA、CSMA、改進CSMA協議在網絡負載、吞吐量、沖突概率等方面的性能差異。
由于ALOHA協議發(fā)起通信的結點不需要監(jiān)聽信道，發(fā)送結點如果超過一定時限未收到應答，則認為發(fā)生了沖突，等待一定間隔重試，直到發(fā)送成功為止。沒有采取任何沖突避免的策略，而CSMA協議和改進CSMA協議采用了信道監(jiān)聽和引入判斷沖突點機制來避免沖突，所以從表6.1可以看出改進CSMA協議和CSMA協議與ALOHA協議相比每秒沖突數目明顯減少，延時明顯降低。
表6.1 三種協議各性能平均值比較
利用歸一化的吞吐量S和網絡負載G作吞吐量特性圖. Internetwork Research Department BBN Technologies,2002.
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