新一代移動(dòng)通信技術(shù)2-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議

1、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議主要內(nèi)容1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議2. Ad hoc接入面臨的主要問(wèn)題3. 隱藏終端和暴露終端4. Ad hoc幾種接入?yún)f(xié)議1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議 Ad Hoc是多跳共享網(wǎng)絡(luò)。共享的含義就是在一個(gè)公用的廣播信道上實(shí)現(xiàn)所有用戶(hù)的互連和通信。這樣，如何控制對(duì)共享信道的接入，就是數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)特殊子層介質(zhì)接入控制MAC子層的主要任務(wù)。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）MAC層需要解決的主要問(wèn)題： Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有特殊的網(wǎng)絡(luò)組織形式，具有動(dòng)態(tài)性，其信道接入?yún)f(xié)議面臨許多新的問(wèn)題，這些問(wèn)題包括： 1)MAC相關(guān)的無(wú)線(xiàn)接收問(wèn)題 2)不同的信道共享方式 3)暴露終端問(wèn)題 4)

2、隱藏終端問(wèn)題 5)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響Ad Hoc的MAC協(xié)議必須盡量消除這些因素的影響。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）信道共享方式: 在普通的通信系統(tǒng)中，信道共享方式有3種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)共享。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)是最簡(jiǎn)單的信道共享方式。其特點(diǎn)是只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)共享無(wú)線(xiàn)信道。在單信道時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)半雙工方式實(shí)現(xiàn)共享，在雙信道時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 一般用于有固定基礎(chǔ)設(shè)施控制的無(wú)線(xiàn)信道，例如蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)信道，終端在中心站的控制下共享一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道。 多點(diǎn)共享 是指多個(gè)終端共享一個(gè)廣播信道。以太網(wǎng)就是最典型的多點(diǎn)共享方式(僅指HUB的應(yīng)用，對(duì)交換機(jī)來(lái)說(shuō)就不是了)。在多點(diǎn)共享方式中，一

3、個(gè)終端發(fā)送信號(hào)，所有的終端都可以聽(tīng)到。因此這種共享方式下的信道也稱(chēng)為一跳共享廣播信道. .1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)） Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳共享性 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)信道也是一個(gè)共享的廣播信道，但它不是一跳共享。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，只有在它覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（稱(chēng)為鄰居）才能夠接收到，而覆蓋范圍以外的節(jié)點(diǎn)感知不到任何通信的存在。而這恰恰也是AD HOC網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)所在，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍以外的節(jié)點(diǎn)不受發(fā)送節(jié)點(diǎn)的影響，他們也可以同時(shí)發(fā)送報(bào)文，這可以大大提高頻率的空間復(fù)用度。在使用一個(gè)通信頻率的情況下， AD HOC網(wǎng)絡(luò)中可以有多對(duì)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行通信-稱(chēng)為多跳共享廣播信道。1

4、. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）多跳共享性對(duì)MAC協(xié)議的影響 多跳共享廣播信道帶來(lái)的直接影響就是報(bào)文沖突與節(jié)點(diǎn)所處的地理位置相關(guān)。在一跳共享廣播信道中，報(bào)文沖突是全局事件，所有節(jié)點(diǎn)要么都收到正確的報(bào)文，要么都會(huì)感知到報(bào)文沖突。但在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文沖突只是局部事件，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)感知到的信道狀況的不一致性，會(huì)帶來(lái)隱藏終端、暴露終端等一系列的問(wèn)題。 由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)特殊的信道共享方式（多跳共享），需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的信道接入?yún)f(xié)議。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）靜態(tài)多點(diǎn)接入技術(shù)： 1）TDMA:為每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)固定的時(shí)隙; 2）FDMA:為每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)固定的頻段; 這些靜態(tài)的方法，在

5、用戶(hù)數(shù)較少而固定，且每個(gè)用戶(hù)通信量較大的情況下，是簡(jiǎn)單有效的接入方案。 但是，當(dāng)用戶(hù)數(shù)目較多且通信量具有突發(fā)特征時(shí)，就不適用。必須采用動(dòng)態(tài)多點(diǎn)接入技術(shù)。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）動(dòng)態(tài)多點(diǎn)接入技術(shù)： 可分為受控接入和隨機(jī)接入兩類(lèi)。對(duì)于受控接入，每個(gè)用戶(hù)不能隨意接入信道，必須服從一定的控制規(guī)則，典型的有多點(diǎn)線(xiàn)路輪詢(xún)和令牌傳遞。對(duì)于隨機(jī)接入，每個(gè)用戶(hù)都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)的發(fā)送信息，多個(gè)用戶(hù)同時(shí)發(fā)送會(huì)產(chǎn)生幀的沖突，導(dǎo)致發(fā)送失敗。 受控接入又可以分為集中式和分布式。輪詢(xún)屬于集中式控制，控制節(jié)點(diǎn)按一定順序逐一詢(xún)問(wèn)各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)是否有信息發(fā)送。如果有，則被詢(xún)問(wèn)的用戶(hù)節(jié)點(diǎn)就立即將信息發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)；如沒(méi)有

6、，則控制節(jié)點(diǎn)依次詢(xún)問(wèn)下一節(jié)點(diǎn)。令牌環(huán)屬于分布式控制，在環(huán)路中通過(guò)特殊的令牌環(huán)幀沿著環(huán)路逐站傳遞，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才有權(quán)發(fā)送信息。當(dāng)信息發(fā)送完畢，就將令牌傳遞給下一站。 AD HOC網(wǎng)絡(luò)作為自組網(wǎng)，決定只能采用隨機(jī)接入。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）多點(diǎn)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議（針對(duì)一跳共享的網(wǎng)絡(luò)） 1、ALOHA方式 ALOHA隨機(jī)接入方式有兩種，一種是純ALOHA方式，一種是分時(shí)隙ALOHA方式。兩者的區(qū)別在于是否將事件分割為離散的時(shí)隙空間，即純ALOHA方式無(wú)需全局時(shí)間同步,而分時(shí)隙ALOHA方式則必須時(shí)間同步。兩者都適用于任何無(wú)協(xié)調(diào)關(guān)系的多用戶(hù)競(jìng)爭(zhēng)單信道使用權(quán)的系統(tǒng)。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）

7、 純ALOHA：純ALOHA是一種用戶(hù)一旦產(chǎn)生需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就完全隨機(jī)的發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道上去的方式.它既可以工作在無(wú)線(xiàn)信道方式，也可以工作在總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)中。純ALOHA系統(tǒng)最大吞吐量為0.184 分時(shí)隙ALOHA：以一個(gè)分組的傳輸時(shí)間為單位，把信道劃分為時(shí)隙，用戶(hù)按照這種時(shí)隙同步發(fā)送分組的。系統(tǒng)最大吞吐量為0.368，是純ALOHA的2倍。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)） 沖突的結(jié)果是使沖突的雙方（有時(shí)也可能是多方）所發(fā)送的數(shù)據(jù)都出現(xiàn)差錯(cuò)，因而都必須進(jìn)行重發(fā)。但是發(fā)生沖突的各站不能馬上進(jìn)行重發(fā)，因?yàn)檫@樣做就會(huì)繼續(xù)沖突下去。 ALOHAALOHA系統(tǒng)采用的重發(fā)策略是讓各站等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行

8、重發(fā)。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 載波監(jiān)聽(tīng)（Carrier Sense） 站點(diǎn)在為發(fā)送幀而訪(fǎng)問(wèn)傳輸信道之前，首先監(jiān)聽(tīng)信道有無(wú)載波，若有載波，說(shuō)明已有用戶(hù)在使用信道，則不發(fā)送幀以避免沖突。 多路訪(fǎng)問(wèn)（Multiple Access） 多個(gè)用戶(hù)共用一條線(xiàn)路1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）CSMA方式 在ALOHA中,由于各個(gè)用戶(hù)是相互獨(dú)立的發(fā)送分組，因此發(fā)生分組沖突的概率很大。針對(duì)這種情況而研究的CSMA（載波偵聽(tīng)多址）方式是一種用戶(hù)監(jiān)測(cè)信道使用情況，避開(kāi)沖突發(fā)送分組的方式。即采用這種方式發(fā)

9、送分組時(shí)，首先要檢測(cè)載波，檢測(cè)其它用戶(hù)是否在使用信道，一旦信道空閑就立即發(fā)送分組，從而使網(wǎng)絡(luò)可獲得大大高于分時(shí)隙ALOHA協(xié)議的最大信道利用率。 CSMA方式有三種基本的方式: 1）非堅(jiān)持（non-persistent）CSMA方式 2）1-persistent CSMA方式 3）P-persistent CSMA方式，用于分時(shí)隙信道1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）1）1-堅(jiān)持CSMA(1-persistent CSMA) 如果介質(zhì)空閑，就立即發(fā)送數(shù)據(jù)；如果介質(zhì)忙則繼續(xù)偵聽(tīng)直到介質(zhì)變?yōu)榭臻e，然后發(fā)送數(shù)據(jù)；如果有沖突則等待隨機(jī)時(shí)間后再偵聽(tīng)。之所以稱(chēng)其為1-堅(jiān)持CSMACSMA，是因?yàn)檎军c(diǎn)一旦發(fā)現(xiàn)介

10、質(zhì)空閑，將以概率1發(fā)送數(shù)據(jù) 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送；若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后完成發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程。 優(yōu)點(diǎn)：減少了信道空閑時(shí)間； 缺點(diǎn)：增加了發(fā)生沖突的概率； 廣播延遲對(duì)協(xié)議性能的影響：廣播延遲越大，發(fā)生沖突的可能性越大，協(xié)議性能越差；1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）2)非堅(jiān)持CSMA (non persistent CSMA) 如果介質(zhì)空閑，立即發(fā)送數(shù)據(jù)；如果介質(zhì)忙，則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再?lài)L試。定性分析一下，就可以知道非堅(jiān)持CSMA協(xié)議的介質(zhì)利用率會(huì)比1-堅(jiān)持CSMA好一些，但數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)一

11、些 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送；若信道忙，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程；若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程。 優(yōu)點(diǎn)：減少了沖突的概率； 缺點(diǎn)：增加了信道空閑時(shí)間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大； 信道效率比1-堅(jiān)持CSMA高，傳輸延遲比1-堅(jiān)持CSMA大。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）3） p-堅(jiān)持CSMA (p-persistent CSMA) 如果介質(zhì)空閑，便以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p把數(shù)據(jù)發(fā)送推遲到下一個(gè)時(shí)間片；如果下一個(gè)時(shí)間片介質(zhì)仍然空閑，便再次以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p將其推遲到下下一個(gè)時(shí)間片。此過(guò)程一直重復(fù)，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送出去或是

12、其他站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果一開(kāi)始偵聽(tīng)介質(zhì)就發(fā)現(xiàn)介質(zhì)忙，那么它就等到下一個(gè)時(shí)間片繼續(xù)偵聽(tīng)介質(zhì)，然后重復(fù)上述過(guò)程。 適用于分時(shí)隙信道。 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道； 若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率q=1-p延遲至下一個(gè)時(shí)槽發(fā)送。若下一個(gè)時(shí)槽仍空閑，重復(fù)此過(guò)程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時(shí)槽被其他站點(diǎn)所占用； 若信道忙，則等待下一個(gè)時(shí)槽，重新開(kāi)始發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送;1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）CSMA/CD是對(duì)CSMA的改進(jìn) 沖突檢測(cè)是在發(fā)送的同時(shí)接收信息進(jìn)行比較，如果兩者不一致，說(shuō)明發(fā)生了沖突，發(fā)送站點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并

13、向總線(xiàn)發(fā)送阻塞信號(hào)，通知其他站點(diǎn)。 沖突檢測(cè)可及早釋放共享介質(zhì)，提高信道利用率。 CSMA由于在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，所以減少了沖突的機(jī)會(huì)。但由于傳播時(shí)延的存在，沖突還是不可避免的。 CSMA/CD的要點(diǎn)就是:監(jiān)聽(tīng)到信道空閑就發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去。如監(jiān)聽(tīng)到發(fā)生了沖突，則立即放棄此數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。1. 信道接入技術(shù)及協(xié)議（續(xù)）CSMA/CD和CSMA/CA 802.3協(xié)議的CSMA/CD;無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11的CSMA/CA 對(duì)無(wú)線(xiàn)通信，由于要檢測(cè)沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，而這在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中是無(wú)法辦到的。 CSMA/CA 一個(gè)工作站希望在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)，

14、如果沒(méi)有探測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中正在傳送數(shù)據(jù)，則附加等待一段時(shí)間，再隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間片繼續(xù)探測(cè)，如果無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路中仍舊沒(méi)有活動(dòng)的話(huà)，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接受端的工作站如果收到發(fā)送端送出的完整的數(shù)據(jù)則回發(fā)一個(gè)ACK數(shù)據(jù)報(bào)，如果這個(gè)ACK數(shù)據(jù)報(bào)被接收端收到，則這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程完成，如果發(fā)送端沒(méi)有收到ACK數(shù)據(jù)報(bào)，則或者發(fā)送的數(shù)據(jù)沒(méi)有被完整地收到，或者ACK信號(hào)的發(fā)送失敗，不管是那種現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)報(bào)都在發(fā)送端等待一段時(shí)間后被重傳。2. Ad Hoc信道接入面臨的主要問(wèn)題自組網(wǎng)MACMAC接入?yún)f(xié)議的作用 信道接入?yún)f(xié)議是自組網(wǎng)設(shè)計(jì)、研究的主要技術(shù)難點(diǎn)之一，網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、容量、時(shí)延及功耗等性能依賴(lài)于所采用的MAC協(xié)議

15、。 AD HOC網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，信道資源相對(duì)緊張，節(jié)點(diǎn)對(duì)信道資源的使用受到限制。同時(shí)，物理層的傳輸質(zhì)量也相對(duì)較差，也沒(méi)有一個(gè)可靠的中心控制點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)間不容易協(xié)調(diào)。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高度靈活性，導(dǎo)致它需要更多的資源傳輸控制信息。綜上所述，如何提高信道資源利用率、如何協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)的操作、如何提高傳輸?shù)目煽啃跃统蔀閍d hoc網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)研究的主要內(nèi)容。2. Ad Hoc 信道接入面臨的主要問(wèn)題(續(xù))AD HOC自組網(wǎng)對(duì)信道接入?yún)f(xié)議的要求 1)高空間復(fù)用度 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)結(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)頻率的空間復(fù)用，提高網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量。 2)避免報(bào)文間沖突 由于采用了特殊的信道共享方式

16、，Ad Hoc信道接入?yún)f(xié)議要面臨報(bào)文沖突的威脅，嚴(yán)重影響信道利用率，特別注意數(shù)據(jù)報(bào)文的無(wú)沖突發(fā)送。 3)提供沖突解決方法 當(dāng)報(bào)文沖突不可避免時(shí)，信道接入?yún)f(xié)議要提供有效的沖突解決方法，盡量減少報(bào)文沖突帶來(lái)的影響2. Ad Hoc 信道接入面臨的主要問(wèn)題(續(xù))AD HOC自組網(wǎng)對(duì)信道接入?yún)f(xié)議的要求 4）公平性 盡量保證節(jié)點(diǎn)公平占用信道； 5）硬件無(wú)關(guān)性 不能對(duì)電臺(tái)的功能做過(guò)多的假設(shè)； 6）其它： 節(jié)能、安全、多播廣播支持、提供實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)等。 MAC接入分為受控接入和隨機(jī)接入兩種。 由于ad hoc是無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)，所以不能采用輪詢(xún)接入；而ALOHA和CSMA也是不能在ad hoc中應(yīng)用的，因?yàn)樵赼d

17、hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的通信范圍受限，終端可以隨機(jī)移動(dòng)，并且接點(diǎn)之間的傳播時(shí)延不可以忽略。3. 隱藏終端和暴露終端隱藏終端 隱藏終端是指在接收接點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。隱藏終端由于聽(tīng)不到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能向相同的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組，導(dǎo)致分組在接收節(jié)點(diǎn)處沖突。沖突后發(fā)送節(jié)點(diǎn)要重傳沖突的分組，這降低了信道的利用率。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))隱藏終端 隱藏終端又可以分為隱發(fā)送終端和隱接收終端兩種。 在單信道條件下，隱發(fā)送終端可以通過(guò)在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文前的控制報(bào)文握手來(lái)解決。但是隱接收終端問(wèn)題在單信道條件下無(wú)法解決。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù)) 當(dāng)A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)控制

18、報(bào)文RTS;B接收到RTS后，以CTS控制報(bào)文回應(yīng)；A收到CTS后才開(kāi)始向B發(fā)送報(bào)文，如果A沒(méi)有收到CTS，A認(rèn)為發(fā)生了沖突，重發(fā)RTS，這樣隱發(fā)送終端C能夠聽(tīng)到B發(fā)送的CTS，知道A要向B發(fā)送報(bào)文，C延遲發(fā)送，解決了隱發(fā)送終端問(wèn)題。 對(duì)于隱接收終端，當(dāng)C聽(tīng)到B發(fā)送的CTS控制報(bào)文而延遲發(fā)送時(shí)，若D向C發(fā)送RTS控制報(bào)文請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，因C不能發(fā)送任何信息，所以D無(wú)法判斷是RTS控制報(bào)文發(fā)生沖突，還是C沒(méi)有開(kāi)機(jī)，還是C是隱終端，D只能認(rèn)為RTS報(bào)文沖突，就重新向C發(fā)送RTS。因此，當(dāng)系統(tǒng)只有一個(gè)信道時(shí)，因C不能發(fā)送任何信息，隱接收終端問(wèn)題在單信道條件下無(wú)法解決。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))暴露

19、終端 暴露終端是指在發(fā)送接點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在接收節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。暴露終端因聽(tīng)到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能延遲發(fā)送。但是，它其實(shí)是在接收節(jié)點(diǎn)的通信范圍之外，它的發(fā)送不會(huì)造成沖突。這就引入了不必要的時(shí)延。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))暴露終端 暴露終端又可以分為暴露發(fā)送終端和暴露接收終端兩種。在單信道條件下，暴露接收終端問(wèn)題是不能解決的，因?yàn)樗邪l(fā)送給暴露接收終端的報(bào)文都會(huì)產(chǎn)生沖突；暴露發(fā)送終端問(wèn)題也無(wú)法解決，因?yàn)楸┞栋l(fā)送終端無(wú)法與目的節(jié)點(diǎn)成功握手。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù)) 當(dāng)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C只聽(tīng)到RTS控制報(bào)文，知道自己是暴露終端，認(rèn)為自己可以向D發(fā)送數(shù)據(jù)。C向D發(fā)送RTS控制報(bào)文。

20、如果是單信道，來(lái)自D的CTS會(huì)與B發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文沖突，C無(wú)法和D成功握手，它不能向D發(fā)送報(bào)文。 在單信道下，如果D要向暴露終端C發(fā)送數(shù)據(jù)，來(lái)自D的RTS報(bào)文會(huì)與B發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文在C處沖突，C收不到來(lái)自D的RTS,D也就收不到C回應(yīng)的CTS報(bào)文。 因此，在單信道條件下，暴露終端問(wèn)題根本無(wú)法得到解決！因?yàn)槭瞻l(fā)雙方無(wú)法成功握手。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))隱藏終端和暴露終端問(wèn)題產(chǎn)生的原因 由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且工作在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中，采用異步通信技術(shù)，各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)通信信道，存在信道分配和競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題；為了提高信道利用率，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電臺(tái)的頻率和發(fā)射功率都比較低；并且信號(hào)受無(wú)

21、線(xiàn)信道中的噪聲、信道衰落和障礙物的影響，因此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信距離受限，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)不一定都能收到，從而會(huì)出現(xiàn)“隱藏終端”和“暴露終端”問(wèn)題。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))隱藏終端和暴露終端問(wèn)題對(duì)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的影響 “隱藏終端”和“暴露終端”的存在，會(huì)造成ad hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙資源的無(wú)序爭(zhēng)用和浪費(fèi)，增加數(shù)據(jù)碰撞的概率，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、容量和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。 在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)終端在某一時(shí)隙內(nèi)傳送信息時(shí)，若其隱藏終端在此時(shí)隙同時(shí)傳送信息，就會(huì)產(chǎn)生時(shí)隙爭(zhēng)用沖突。受隱藏終端的影響，接收端將因?yàn)閿?shù)據(jù)碰撞而不能正確接收信息，造成發(fā)送端的有效信息的丟失和大量時(shí)間的浪費(fèi)（數(shù)據(jù)

22、幀較長(zhǎng)時(shí)尤為嚴(yán)重），降低系統(tǒng)的吞吐量和容量。當(dāng)某個(gè)終端成為暴露終端后，由于它偵聽(tīng)到另外的終端對(duì)某一時(shí)隙的占用信息，而放棄了預(yù)約該時(shí)隙進(jìn)行信息傳送。其實(shí)，由于源終端節(jié)點(diǎn)和目的終端節(jié)點(diǎn)都不一樣，暴露終端是可以占用這個(gè)時(shí)隙來(lái)傳送信息的。這樣，就造成了時(shí)隙資源的浪費(fèi)。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))隱藏終端和暴露終端問(wèn)題的解決方法 解決隱藏終端問(wèn)題的思路是使接收節(jié)點(diǎn)周?chē)泥従庸?jié)點(diǎn)都能了解到它正在進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是接收節(jié)點(diǎn)在接收的同時(shí)發(fā)送忙音來(lái)通知鄰居節(jié)點(diǎn)，即BTMA系列；二是發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次短控制消息握手交換，以短消息的方式通知鄰居節(jié)點(diǎn)它即將進(jìn)行接收，即RTS/CTS方

23、式。 RTS/CTS方式是目前解決這個(gè)問(wèn)題的主要趨勢(shì)，如已經(jīng)提出來(lái)的CSMA/CA、MACA、MACAW等。還有將兩種方法結(jié)合起來(lái)使用的多址協(xié)議，如DBTMA。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))隱藏終端和暴露終端問(wèn)題的解決方法 隱藏發(fā)送終端問(wèn)題，可以使用控制分組進(jìn)行握手的方法加以解決。終端發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送分組，只有聽(tīng)到對(duì)應(yīng)該請(qǐng)求分組的應(yīng)答信號(hào)后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)收到此應(yīng)答信號(hào)的其他終端必須延遲發(fā)送。 在單信道條件下使用控制分組的方法只能解決隱發(fā)送終端，無(wú)法解決隱藏接收終端和暴露終端問(wèn)題。為此，必須采用雙信道的方法。即利用數(shù)據(jù)信道收發(fā)數(shù)據(jù)，利用控制信道收發(fā)控制信號(hào)。3. 隱藏終端和暴露

24、終端(續(xù))RTS-CTS 握手機(jī)制 RTS（Request to Send，請(qǐng)求發(fā)送）、CTS（Clear to Send ，清除發(fā)送）. RTS/CTS機(jī)制是對(duì)CSMA的一種改進(jìn)，它可以在一定程度上避免隱藏終端和暴露終端問(wèn)題。采用基于RTS/CTS的多址協(xié)議的基本思想是在數(shù)據(jù)傳輸之前，先通過(guò)TS/CTS握手的方式與接收節(jié)點(diǎn)達(dá)成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼J(rèn)可，同時(shí)又可以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)即將開(kāi)始的傳輸。鄰居節(jié)點(diǎn)在收到RTS/CTS后，在以后的一段時(shí)間內(nèi)抑制自己的傳輸，從而避免了對(duì)即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。 這種解決問(wèn)題的方式是以增加附加控制消息為代價(jià)的。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))RTS-

25、CTS 握手機(jī)制 從幀的傳輸流程來(lái)看，基于RTS/CTS的多址方式有幾種形式，從復(fù)雜性和傳輸可靠性角度考慮，可采用RTS-CTS-Data-ACK的方式。具體做法是：當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有分組要傳時(shí)，檢測(cè)信道是否空閑，如果空閑，則發(fā)送RTS幀，接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，發(fā)CTS幀應(yīng)答，發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS后，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)在接收完數(shù)據(jù)幀后，發(fā)ACK確認(rèn)，一次傳輸成功完成。 如果發(fā)出RTS后，在一定的時(shí)限內(nèi)沒(méi)有收到CTS應(yīng)答，發(fā)送節(jié)點(diǎn)執(zhí)行退避算法重發(fā)RTS。RTS/CTS交互完成后，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)的鄰居收到RTS/CTS后，在以后的一段時(shí)間內(nèi)抑制自己的傳輸。延時(shí)時(shí)間取決于將要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，所以

26、由隱藏終端造成的碰撞就大大減少了。采用鏈路級(jí)的應(yīng)答（ACK）機(jī)制就可以在發(fā)生其它碰撞或干擾的時(shí)候，提供快速和可靠的恢復(fù)。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù)) RTS-CTS 握手機(jī)制3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù)) RTS-CTS 握手機(jī)制的缺陷 1、不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS和控制信息發(fā)生沖突3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù)) RTS-CTS 握手機(jī)制的缺陷 2、多個(gè)CTS信息被不同的鄰居節(jié)點(diǎn)收到，從而導(dǎo)致沖突。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))RTS-CTS 握手機(jī)制中的退避算法 在CSMA接入技術(shù)中，當(dāng)報(bào)文產(chǎn)生沖突時(shí)，發(fā)送者要執(zhí)行退避算法，延遲一段隨機(jī)時(shí)間后再次嘗試發(fā)送，以減小重發(fā)時(shí)發(fā)生沖突的可能性。在AD

27、HOC網(wǎng)絡(luò)中，為了解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，引入了RTS-CTS握手機(jī)制。RTS和CTS控制報(bào)文之間可能會(huì)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突時(shí)，發(fā)送者超時(shí)，等不到CTS，要執(zhí)行退避算法，延遲一段隨機(jī)時(shí)間后重發(fā)RTS。 產(chǎn)生這個(gè)隨機(jī)時(shí)間的“種子”叫做退避計(jì)數(shù)器。退避計(jì)數(shù)器的值直接影響著產(chǎn)生的延遲時(shí)間的長(zhǎng)短。 顯然，節(jié)點(diǎn)退避計(jì)數(shù)器的值越短，它搶占信道的能力就越強(qiáng)，反之，它搶占信道的能力就越弱。也就是說(shuō)，退避計(jì)數(shù)器的值反映了節(jié)點(diǎn)搶占接入信道的能力。所以，維護(hù)退避計(jì)數(shù)器的值是非常重要的。 常用退避算法包括二進(jìn)制指數(shù)退避算法、倍數(shù)增線(xiàn)性減算法。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))退避算法 1.二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB，B

28、inary Exponential Backoff） BEB 算法的Finc和Fdec函數(shù)如下: 其中,COUNTER 是退避計(jì)數(shù)器的值, MAX 和MIN 分別指退避計(jì)數(shù)器的最大和最小取值, 每次發(fā)生沖突時(shí), 退避計(jì)數(shù)器的值加倍; 每次交互成功時(shí), 退避計(jì)數(shù)器降至最小值MIN。 BEB 算法: Finc=min(2COUNTER,MAX), Fdec=MIN; BEB有兩個(gè)缺點(diǎn): 1)當(dāng)一次交互成功時(shí),退避計(jì)數(shù)器的值就降到最低值, 不能正確反映信道的爭(zhēng)用狀況; 2)BEB會(huì)帶來(lái)不公平現(xiàn)象,一次交互成功后, 節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器值降為最小, 而其他不成功的節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器的值較大, 在后續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)中

29、, 退避計(jì)數(shù)器值小的節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的可能性大。3. 隱藏終端和暴露終端(續(xù))退避算法 2.倍數(shù)增線(xiàn)性減算法（MILD） 倍數(shù)增線(xiàn)性減(MILD,Multiplicative Increase Line Decrease)算法是對(duì)BEB 算法的改進(jìn),該算法的Finc 和Fdec 函數(shù)如下: Finc=min(COUNTER, MAX) ; Fdec=max(COUNTER-, MIN) ; 和是兩個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù) 在MILD 中, 退避計(jì)數(shù)器的值是線(xiàn)性遞減的, 一次交互成功后,計(jì)數(shù)器的值減小,如果取值合理, COUNTER 并不會(huì)像BEB 算法一樣急劇減小, 在后續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)信道中, 所有節(jié)點(diǎn)獲勝的

30、機(jī)會(huì)幾乎均等,實(shí)現(xiàn)了公平接入。發(fā)生沖突時(shí), 退避計(jì)數(shù)器增加倍, 如果取值合理, COUNTER 也不會(huì)急劇增加。但MILD 也沒(méi)有完全消除不公平現(xiàn)象。4. Ad Hoc 幾種接入?yún)f(xié)議4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)概述 經(jīng)過(guò)對(duì)ad hoc網(wǎng)絡(luò)近20年的研究，研究人員提出了數(shù)十種信道接入?yún)f(xié)議。這些協(xié)議具有各種不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使用了各種不同的信道復(fù)用技術(shù)，也對(duì)應(yīng)用環(huán)境做了各種不同的假設(shè)，在一定程度上解決了不同環(huán)境下信道的接入問(wèn)題，但是都存在一定的局限性，一般都要

31、求ad hoc網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，移動(dòng)性較弱。 協(xié)議分類(lèi)困難。在此按照兩種基本方法對(duì)信道接入?yún)f(xié)議進(jìn)行劃分。4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)(續(xù))按照信道接入時(shí)握手協(xié)議的發(fā)起者可劃分為： 發(fā)方主動(dòng)的信道接入?yún)f(xié)議：由發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起信道預(yù)約，即發(fā)送者要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)RTS控制報(bào)文來(lái)與接收者預(yù)約信道。大多數(shù)的信道接入?yún)f(xié)議屬于此類(lèi)，如MACA（multiple access collision avoidance）帶沖突避免的多重接入、MACAW（MACA for wireless LAN）等。 收方主動(dòng)的信道接入?yún)f(xié)議：由接收者發(fā)起信道預(yù)約，接收節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTR（ready to re

32、ceive）控制報(bào)文，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)就直接發(fā)送。這種協(xié)議試圖通過(guò)減少控制報(bào)文的個(gè)數(shù)、降低握手開(kāi)銷(xiāo)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。這類(lèi)協(xié)議包括MACA-BI(MACA by Invitation) 、RIMA(Receiver-initiated Multiple-Access).4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)(續(xù))4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)按照信道協(xié)議使用的信道數(shù)目，可劃分為： 1）基于單信道的信道接入?yún)f(xié)議 只有一個(gè)共享信道，所有的控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文在同一個(gè)信道上發(fā)送和接收。受傳播時(shí)延、隱終端和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等因素的影響，單信道的ad hoc網(wǎng)絡(luò)有可能發(fā)生控制報(bào)文之間、控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文、數(shù)據(jù)

33、報(bào)文之間的沖突。一般來(lái)講數(shù)據(jù)報(bào)文要比控制報(bào)文長(zhǎng)的多，數(shù)據(jù)報(bào)文的沖突會(huì)嚴(yán)重影響信道的利用率。所以，這種信道接入?yún)f(xié)議的主要目標(biāo)之一就是通過(guò)使用控制報(bào)文盡量減少甚至消除數(shù)據(jù)報(bào)文的沖突，即設(shè)計(jì)合適的沖突避免策略。 典型的基于單信道的ad hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議有：MACA 、MACAW 、IEEE 802.11DCF 和FAMA (Floor acquisitionMultiple Access)基站捕獲的多重接入等。4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)（續(xù)）2）基于雙信道的信道接入?yún)f(xié)議 有兩個(gè)共享信道，分別為控制信道和數(shù)據(jù)信道?？刂菩诺乐粋魉涂刂茍?bào)文，數(shù)據(jù)信道只傳送數(shù)據(jù)報(bào)文。由于使用了兩個(gè)個(gè)不同的信道

34、，控制報(bào)文就不會(huì)與數(shù)據(jù)報(bào)文沖突。雙信道在解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制，可以完全消除隱藏終端和暴露終端的影響。 典型的基于雙信道的ad hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議有： BAPU（basic access protocol solutions for wireless )無(wú)線(xiàn)基本接入?yún)f(xié)議方案 和 DBTMA（dual busy tone multiple access）雙忙音多重接入等。4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)（續(xù)）3）基于多信道的信道接入?yún)f(xié)議 有多個(gè)信道，相鄰節(jié)點(diǎn)可以使用不同的信道同時(shí)通信。在使用多信道的情況下，接入控制更加靈活。可以使用其中一個(gè)作為公共控

35、制信道，也可以讓控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文在一個(gè)信道上混合傳送。多信道MAC協(xié)議主要關(guān)注的問(wèn)題：信道分配和接入控制。信道分配負(fù)責(zé)為不同的通信節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的信道，消除數(shù)據(jù)報(bào)文的沖突，使盡量多的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)通信。接入控制負(fù)責(zé)確定節(jié)點(diǎn)接入信道的時(shí)機(jī)、沖突的避免和解決等。 典型的基于多信道的信道接入?yún)f(xié)議有：HRMA （ hop reservation multiple access）跳隙預(yù)留的多重接入、multiple-channel CSMA 、DCA（dynamic channel assignment） 、MMAC（multi-channel MAC）等。4.1 Ad Hoc接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)（續(xù)） 需要指

36、出的是： 實(shí)際的接入?yún)f(xié)議可以是上述類(lèi)型的混合體4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAMACAMultiple Access Collision AvoidanceMACAMultiple Access Collision Avoidance MACA是第一個(gè)使用RTS-CTS控制報(bào)文握手來(lái)解決ad hoc網(wǎng)絡(luò)隱藏終端和暴露終端問(wèn)題的信道接入?yún)f(xié)議。 MACA源于CSMA/CA(載波偵聽(tīng)/沖突避免)。在CSMA/CA 接入?yún)f(xié)議中，發(fā)送者和接收者在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先使用RTS-CTS控制報(bào)文握手，目的是通知接收者做好接收準(zhǔn)備。 CSMA/CA用在ad hoc網(wǎng)絡(luò)是有問(wèn)題的：由于隱藏終端的存在，節(jié)點(diǎn)檢

37、測(cè)不到載波并不意味著信道空閑可以發(fā)送數(shù)據(jù)；由于暴露終端的存在，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到載波也并不意味著信道忙不能發(fā)送數(shù)據(jù)。即載波監(jiān)聽(tīng)的結(jié)果不一定有用。 由于上述問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化硬件的設(shè)計(jì)，降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，MACA建議不使用載波監(jiān)聽(tīng)。CSMA/CA去掉載波監(jiān)聽(tīng)就成了MACA。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù))MACA 的基本思想 發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)前先向接收者發(fā)送RTS控制報(bào)文，RTS幀中包含將要發(fā)送的分組的長(zhǎng)度。接收者收到RTS后，回送CTS報(bào)文，并將長(zhǎng)度消息捎回；收到CTS后，發(fā)送者開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。收到RTS的其它節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)不能發(fā)送任何消息，以保證發(fā)送者能夠接收并響應(yīng)CTS分組。聽(tīng)到C

38、TS的節(jié)點(diǎn)，知道在它的通信范圍內(nèi)有站要接收某種長(zhǎng)度的分組，通過(guò)實(shí)施退避算法延遲發(fā)送來(lái)避免沖突。發(fā)送站只有在收到對(duì)方回送的CTS后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有收到CTS，則認(rèn)為RTS因?yàn)闆_突被破壞，然后執(zhí)行二進(jìn)制指數(shù)退避算法BEB，延遲重發(fā)RTS。 關(guān)鍵就在于阻塞（BLOCKING）鄰居節(jié)點(diǎn)。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù))4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù)) MACA 的基本思想4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù))4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù))錯(cuò)誤的阻塞甚至?xí)斐蓵簳r(shí)的死鎖4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù))MACA的優(yōu)

39、點(diǎn)： 提高了無(wú)線(xiàn)信道的利用率 當(dāng)采用普通的CSMA技術(shù)時(shí)，一旦發(fā)生沖突，沖突的各方都需要重傳數(shù)據(jù)，這樣就降低了無(wú)線(xiàn)信道的利用率。采用MACA協(xié)議，盡管仍然有可能發(fā)生RTS幀和CTS幀的沖突，但由于RTS和CTS幀的長(zhǎng)度比數(shù)據(jù)分組短的多，從而大大降低了沖突的概率和時(shí)間，提高了信道的利用率。當(dāng)然，如果數(shù)據(jù)本身很短，就沒(méi)有必要發(fā)送RTS消息。因此，可以在鏈路層設(shè)置RTS發(fā)送門(mén)限，只有數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于該門(mén)限，才發(fā)送RTS幀。 部分解決了隱終端問(wèn)題4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACA (續(xù)) MACA的缺點(diǎn): 1）不能解決控制分組之間(RTS-CTS)的沖突問(wèn)題； 2）不具備鏈路層確認(rèn)機(jī)制（沒(méi)有ACK

40、分組）。當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)需要上層超時(shí)重發(fā)，效率很低； 3）由于采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法，如果某站的退避計(jì)數(shù)器值較大，那么在后續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)中失敗的可能性也較大，從而使得退避值進(jìn)一步增大，造成餓死現(xiàn)象（不公平）。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAWMACAW協(xié)議 MACAW是第一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議，該方案采用了新的避退算法，以便更適合無(wú)線(xiàn)信道的環(huán)境。MACAW在原來(lái)MACA的基礎(chǔ)上，增加了確認(rèn)數(shù)據(jù)包，用RTS-CTS-Ds-Data-ACK實(shí)現(xiàn)媒質(zhì)的沖突檢測(cè)。仿真證明MACAW將獲得更大的吞吐量以及在高負(fù)荷下的資源分配更平均。 針對(duì)MACA存在的缺點(diǎn)，MACAW進(jìn)行了如下改進(jìn)：

41、改進(jìn)1：退避計(jì)數(shù)器值拷貝實(shí)現(xiàn)公平。在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，分組頭部包含本站的退避計(jì)數(shù)器的值，收到分組的站可以將此值作為自己的退避計(jì)數(shù)器的值。這樣可以使兩者獲得相同的退避計(jì)數(shù)器的值，但傳輸完成后，所有的退避計(jì)數(shù)器的值恢復(fù)到最小值。這種方法能夠在一定程度上防止餓死現(xiàn)象，但不能充分了解網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)，從而增加了分組沖突。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW(續(xù)) 改進(jìn)2：退避算法的改進(jìn)。采用MILD乘性遞增線(xiàn)性遞減退避算法取代BEB退避算法： Finc=min(COUNTER, MAX) ; Fdec=max(COUNTER-, MIN) ; =1.5、1 改進(jìn)3：消息交互的改進(jìn) MACAW協(xié)議由

42、于在會(huì)話(huà)機(jī)制中加入了DS分組和ACK分組，所以逐跳傳輸?shù)目煽啃栽黾恿?，但傳輸一個(gè)分組所需要的附加業(yè)務(wù)量也增加了。 MACAW協(xié)議的主要缺點(diǎn)是一次通信控制信息交互次數(shù)太多，如果考慮無(wú)線(xiàn)設(shè)備發(fā)送和接收的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這種方法的效率就很低了。以增加協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW(續(xù))4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW(續(xù)) DS(Data Sending)報(bào)文用于暴露終端確認(rèn)自己的身份，確認(rèn)RTS-CTS握手成功。 在單信道下，暴露終端是不能發(fā)送報(bào)文的。發(fā)送結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)使用RTS-CTS握手成功后，發(fā)送結(jié)點(diǎn)先發(fā)送一個(gè)DS控制報(bào)文，然后向接收結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。聽(tīng)到

43、DS報(bào)文的結(jié)點(diǎn)知道自己是暴露終端，要延遲發(fā)送數(shù)據(jù)。如果結(jié)點(diǎn)聽(tīng)到RTS報(bào)文而沒(méi)有聽(tīng)到DS報(bào)文，說(shuō)明RTS-CTS發(fā)生沖突，握手沒(méi)有成功，它就不需延遲發(fā)送，從而提高吞吐量。 ACK報(bào)文用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的鏈路層確認(rèn)。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議802.11DCFIEEE 802.11DCF協(xié)議 802.11 MAC支持兩種操作模式：?jiǎn)吸c(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)和分布協(xié)調(diào)功能(DCF)。IEEE 802.11DCF采用CSMA/CA機(jī)制，其工作原理如下：準(zhǔn)備傳送分組數(shù)據(jù)的移動(dòng)站（包括AP）首先檢測(cè)信道是否繁忙，如果信道在DIFS時(shí)序間隔(對(duì)于802.11網(wǎng)絡(luò)為50s)內(nèi)為空閑狀態(tài)，那么移動(dòng)站將開(kāi)始準(zhǔn)備

44、傳送分組數(shù)據(jù)。否則，移動(dòng)站繼續(xù)檢測(cè)信道 如果信道在DIFS時(shí)序間隔內(nèi)空閑，那么移動(dòng)站：a)開(kāi)始將信道時(shí)間分為多個(gè)時(shí)隙單元；b)生成以時(shí)隙為單位的隨機(jī)退避間隔(random backoff interval) ； c)繼續(xù)檢測(cè)信道。接著，在信道仍保持空閑的每個(gè)時(shí)隙中，退避間隔值減1。當(dāng)間隔值為0時(shí)，移動(dòng)站將開(kāi)始傳送分組數(shù)據(jù)。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議 802.11DCF 在介質(zhì)上傳送的幀與幀之間總會(huì)有一段空閑時(shí)間，DCF將其細(xì)分為四種稱(chēng)為幀隙（InterFrame Space IFS）的不同長(zhǎng)度的時(shí)間槽： SIFS：短幀隙（Short IFS），用于較高優(yōu)先級(jí)通信； PIFS：點(diǎn)協(xié)調(diào)功能

45、幀隙（PCF IFS），用于PCF提供無(wú)沖突訪(fǎng)問(wèn)； DIFS：分布式協(xié)調(diào)功能幀隙（DCF IFS），用于DCF提供沖突訪(fǎng)問(wèn)； EIFS：擴(kuò)展幀隙（Extended IFS），當(dāng)接受到錯(cuò)誤幀時(shí)使用?？梢越o發(fā)送站點(diǎn)足夠的時(shí)間提出出錯(cuò)理由并重新發(fā)送出錯(cuò)幀。 這四種幀隙的時(shí)間關(guān)系及先后次序如下圖：4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議802.11DCF4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議802.11DCF 在退避期間，如果在一個(gè)時(shí)隙中檢測(cè)到信道繁忙，那么退避間隔將保持不變（凍結(jié)），并且只當(dāng)檢測(cè)到在DIFS間隔及其下一時(shí)隙內(nèi)信道持續(xù)保持空閑，才重新開(kāi)始減少退避間隔值。當(dāng)退避間隔為0，將再次傳送分組數(shù)據(jù)。退避機(jī)

46、制有助于避免沖突。 DCF的退避機(jī)制具有指數(shù)特征。對(duì)于每次分組傳送，退避時(shí)間以時(shí)隙為單位(時(shí)隙的整數(shù)倍)，統(tǒng)一地在0至n-1之間進(jìn)行選取，n表示分組數(shù)據(jù)傳送失敗的數(shù)目。在第一次傳送中，n取值為CWmin=32，即所謂的最小競(jìng)爭(zhēng)窗(minimum contention window)。每次不成功的傳送后，n將加倍，直至達(dá)到最大值CWmax=1024. .4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議802.11DCF 對(duì)于每個(gè)成功接收的分組數(shù)據(jù)，802.11規(guī)范要求向發(fā)送方發(fā)送ACK消息。而且為了簡(jiǎn)化協(xié)議頭ACK消息將不包含序列號(hào)，并可用來(lái)確認(rèn)收到了最近發(fā)送的分組數(shù)據(jù)。一旦分組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，發(fā)送移動(dòng)站將在1

47、0s SIFS間隔內(nèi)收到ACK。如果ACK不在指定的ACK_timeout周期內(nèi)到達(dá)發(fā)送移動(dòng)站，或者檢測(cè)到信道上正在傳送不同的分組數(shù)據(jù)，最初的傳送將被認(rèn)為是失敗的，并將采用退避機(jī)制進(jìn)行重傳。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議802.11DCF CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波偵聽(tīng)，802.11根據(jù)WLAN的媒體特點(diǎn)提出了兩種載波檢測(cè)方法，檢測(cè)信道是否繁忙。一種是基于物理層的載波檢測(cè)CS，從接收射頻或天線(xiàn)信號(hào)檢測(cè)信號(hào)能量或根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量來(lái)估計(jì)信道的忙閑狀態(tài)；另一種是虛擬CS方式，通過(guò)MAC報(bào)頭或RTS/CTS中的NAV來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要其中之一指示信道正在被使用，信道就被認(rèn)為已處于忙狀態(tài)。 NAV的含義

48、為網(wǎng)絡(luò)分配向量。NAV基于MAC幀的時(shí)長(zhǎng)字段，其值指出當(dāng)前在信道中傳輸信息的站還需繼續(xù)占用信道的持續(xù)時(shí)間。NAV在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，是通過(guò)取得信道控制權(quán)的站發(fā)送任何類(lèi)型的MAC幀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其它節(jié)點(diǎn)均可收到這個(gè)MAC幀的首部，從而讀取時(shí)長(zhǎng)幀段的數(shù)值。若此值大于該站當(dāng)前的NAV值，則以此值取代當(dāng)前的NAV值；否則該站將按自身NAV值遞減機(jī)制遞減。當(dāng)NAV值等于0時(shí)，由虛擬載波檢測(cè)機(jī)制指示出信道為空閑狀態(tài)。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議FAMA FAMA (Floor acquisition multiple access)基站捕獲的多重接入 中心思想：允許一次RTS-CTS成功握手可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)

49、數(shù)據(jù)報(bào)文（稱(chēng)為報(bào)文序列Packet Train）。 同時(shí)，采用了“統(tǒng)治的CTS”,增加CTS控制報(bào)文的長(zhǎng)度，任何在CTS信號(hào)范圍內(nèi)，并同時(shí)發(fā)送RTS的結(jié)點(diǎn)，將至少監(jiān)聽(tīng)到長(zhǎng)CTS分組的一部分，這些結(jié)點(diǎn)將推遲對(duì)信道的爭(zhēng)用，更好地消除隱發(fā)送終端的影響。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW-BIMACA-BI協(xié)議 MACA-BI是基于MACA的收方主動(dòng)的信道接入?yún)f(xié)議，只有接到RTR邀請(qǐng)的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。 設(shè)計(jì)思路：考慮到收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的往返時(shí)間（包括收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳播時(shí)延）對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，特別是在高速率、低傳播時(shí)延的情況下，往返時(shí)間成為一個(gè)信道設(shè)計(jì)的重要因素。 MACA-BI以RTR（rea

50、dy to receive）報(bào)文代替MACA的CTS報(bào)文，去除了RTS報(bào)文，報(bào)文序列變?yōu)镽TR-DATA，因此MACA-BI為雙向握手（MACA 為3向握手， MACAW為5向握手），減少了握手次數(shù)，從而在高速、短距離的AD HOC網(wǎng)絡(luò)中提高了吞吐量。4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW-BI (續(xù))4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MACAW-BI (續(xù))4.2 Ad Hoc單信道接入?yún)f(xié)議MARCH MARCH (Multiple Access with reduced handshake)協(xié)議 MARCH(減少握手次數(shù)的多址接入)是一種旨在利用全向天線(xiàn)的廣播性來(lái)減少握手次數(shù)的信道接

51、入?yún)f(xié)議。它僅在路由的第一跳使用RTS-CTS握手，在其它路由段僅使用CTS報(bào)文實(shí)現(xiàn)握手。（注：CTS中已經(jīng)含整個(gè)有路由信息）4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA DBTMA（Dual Busy Tone Multiple Access）雙忙音多址接入?yún)f(xié)議 以前的幾種方法假設(shè)所有的相關(guān)節(jié)點(diǎn)都能聽(tīng)到RTSCTS消息，但在高速移動(dòng)的大型Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中這種假設(shè)有時(shí)并不成立，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很高時(shí)CTS發(fā)生沖突的概率很大。為了解決這些問(wèn)題，提出了雙忙音多址接入?yún)f(xié)議DBTMA。 DBTMA是在CSMA和RTS/CTS會(huì)話(huà)機(jī)制的基礎(chǔ)上，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高系統(tǒng)性能。它除了使用控制信道上的RTS/CT

52、S分組外，還使用了控制信道上的兩個(gè)忙音來(lái)標(biāo)識(shí)信道狀態(tài)。 DBTMA協(xié)議將信道分為兩個(gè)子信道：數(shù)據(jù)信道和控制信道。數(shù)據(jù)報(bào)文在數(shù)據(jù)信道上傳輸，控制報(bào)文（RTS和CTS）在控制信道上傳輸， 另外在控制信道上增加兩個(gè)頻帶彼此分開(kāi)的窄帶忙音BTr（接收忙音）和BTt（發(fā)送忙音），分別用來(lái)指示某站正在數(shù)據(jù)信道上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 報(bào)文交互次序：RTS-CTS-DATA4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA (續(xù))4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA (續(xù))DBTMA算法 一個(gè)發(fā)送站首先要監(jiān)聽(tīng)信道上是否有BTr信號(hào)以確定是否有其他站接收數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有聽(tīng)到BTr信號(hào)，它可以發(fā)送RTS分組，并在發(fā)送

53、RTS時(shí)監(jiān)聽(tīng)BTr信號(hào)，如果在此期間聽(tīng)到BTr信號(hào)(自己是隱藏發(fā)送終端)，即使收到了CTS信號(hào)也要延遲發(fā)送。當(dāng)接收站收到RTS時(shí)，要監(jiān)聽(tīng)BTt信號(hào)來(lái)察看是否有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有聽(tīng)到BTt信號(hào)，將響應(yīng)CTS分組，并且發(fā)送BTr信號(hào)，否則它將保持沉默(自己是暴露接收終端)。發(fā)送站接收到CTS，它開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)并發(fā)送BTt信號(hào)。當(dāng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完畢后，停止發(fā)送BTr信號(hào)和BTt信號(hào)。 關(guān)鍵：在通信期間，所有收聽(tīng)到BTr信號(hào)的其它站必須延遲發(fā)送，所有收到BTt信號(hào)的其它站不能接收數(shù)據(jù)。4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA (續(xù))4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA (續(xù))4.3 A

54、d Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議DBTMA (續(xù))總結(jié) DBTMA中的RTS-CTS報(bào)文交互只是用來(lái)探測(cè)接收結(jié)點(diǎn)能否接收?qǐng)?bào)文，而不再擔(dān)負(fù)預(yù)約信道的作用。信道接入完全依賴(lài)于對(duì)兩個(gè)忙音信號(hào)的檢測(cè)。DBTMA實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)文的無(wú)沖突，付出的代價(jià)是增加了兩個(gè)帶外忙音，忙音的發(fā)送和檢測(cè)都需要額外硬件的支持。 雙信道并不是沒(méi)有解決報(bào)文沖突的能力，而是DBTMA沒(méi)有發(fā)揮雙信道的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有充分利用RTS-CTS報(bào)文握手具備的能力。4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議BAPU BAPU (Basic Access Protocol Solution for BAPU (Basic Access Protocol Solut

55、ion for Wireless)Wireless) BAPU是在MACAW基礎(chǔ)上提出的基于雙信道的無(wú)線(xiàn)信道接入?yún)f(xié)議，可用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文序列：RTS-CTS-DS-DATA-ACK.控制報(bào)文RTS、CTS和DS在控制信道上傳輸，而數(shù)據(jù)報(bào)文DATA和ACK在數(shù)據(jù)信道上傳輸。 BAPU使用數(shù)據(jù)信道發(fā)送ACK報(bào)文，這樣導(dǎo)致暴露終端不能發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文（ACK沖突，收不到ACK），隱終端不能接收數(shù)據(jù)報(bào)文（ACK干擾，不能發(fā)ACK），即隱接收終端和暴露發(fā)送終端都無(wú)法解決，而在雙信道條件下，他們是應(yīng)該得到解決的。 簡(jiǎn)言之，BAPU只是對(duì)基于雙信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議做了初步的嘗試，它并沒(méi)

56、有充分利用雙信道的優(yōu)勢(shì)，只是簡(jiǎn)單地將MACAW移植到了雙信道。4.3 Ad Hoc雙信道接入?yún)f(xié)議BAPU (續(xù))4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議DCADCAdynamic channel assignment DCA的設(shè)計(jì)思想是使用一個(gè)固定信道傳輸控制分組，其它的信道傳輸數(shù)據(jù)分組。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)收/發(fā)信機(jī)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在控制信道和數(shù)據(jù)信道上同時(shí)監(jiān)聽(tīng)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的RTS分組中含有發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)其周?chē)男诺罈l件設(shè)置的數(shù)據(jù)信道信息。RTS的接收節(jié)點(diǎn)，決定數(shù)據(jù)信道的選擇并將該選擇放在CTS分組中。DATA和ACK在數(shù)據(jù)分組中傳輸。 該協(xié)議具有不需要同步和控制消息開(kāi)銷(xiāo)小的優(yōu)點(diǎn)，但在所有信道具有相同帶寬時(shí)

57、，性能不是很好。當(dāng)信道總數(shù)很小時(shí)，一個(gè)特定的控制信道是非常浪費(fèi)的,如802.11只有三個(gè)信道，一個(gè)特定用于控制信道相當(dāng)于33%的總信道帶寬成為了控制開(kāi)銷(xiāo)。另一方面，如果信道數(shù)量很大，控制信道成為了瓶頸，抑制數(shù)據(jù)信道的充分利用。4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議HRMAHRMA (Hop Reservation Multiple Access) HRMA是使用低速調(diào)頻/直擴(kuò)系統(tǒng)的多信道接入?yún)f(xié)議。 其原理是節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的調(diào)頻模式改變傳輸信道。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)RTS/CTS握手后，駐留在固定的跳隙上進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的傳輸，其它的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)調(diào)頻，同理建立自己的通信信道。 這種設(shè)計(jì)思想僅能在低速調(diào)頻的傳輸網(wǎng)絡(luò)中

58、采用。4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議 MMACMMAC ( (Multi-Channel MAC) 802.11標(biāo)準(zhǔn)中為802.11DCF定義的節(jié)能模式PSM(power-saving mode）是一種典型的同步時(shí)間驅(qū)動(dòng)節(jié)能協(xié)議。MMAC的設(shè)計(jì)思想來(lái)源于此。因此，先來(lái)講802.11中的PSM。 在研究中，將工作在節(jié)能模式的802.11DCF協(xié)議稱(chēng)為802.11PSM協(xié)議（簡(jiǎn)稱(chēng)PSM協(xié)議），而將一直工作在活躍狀態(tài)（非節(jié)能模式）的802.11DCF稱(chēng)為802.11協(xié)議4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議MMAC (續(xù))802.11 PSM 協(xié)議 802.11 PSM協(xié)議工作于全互連網(wǎng)絡(luò)中。各節(jié)點(diǎn)

59、將時(shí)間軸分為若干連續(xù)的beacon周期，當(dāng)每一個(gè)beacon周期開(kāi)始時(shí)，工作于節(jié)能模式的節(jié)點(diǎn)喚醒一段時(shí)間，稱(chēng)為ATIM（Ad Hoc traffic indication message）窗口。4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議MMAC (續(xù))802.11 PSM協(xié)議工作過(guò)程 在ATIM窗口開(kāi)始的時(shí)刻，各節(jié)點(diǎn)都處于活躍狀態(tài)并競(jìng)爭(zhēng)發(fā)一個(gè)beacon幀來(lái)進(jìn)行全網(wǎng)同步，其中beacon幀中攜帶本節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息。各節(jié)點(diǎn)都與成功接收到的beacon幀進(jìn)行同步，并且不再發(fā)送自己的beacon幀。同步后，有報(bào)文要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送ATIM幀與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，接收節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自己的ATIM幀后，應(yīng)答一個(gè)

60、ATIM ACK（如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無(wú)需應(yīng)答）。節(jié)點(diǎn)如果有報(bào)文要發(fā)送或接收，則在剩余的beacon周期時(shí)間（流量窗口TW，Traffic Window窗口）內(nèi)一直處于活躍狀態(tài)，那些沒(méi)有報(bào)文要發(fā)送或接收的節(jié)點(diǎn)則可在TW窗口內(nèi)將設(shè)備置為睡眠模式以節(jié)省能量。4.4 Ad Hoc多信道接入?yún)f(xié)議MMAC (續(xù))802.11 PSM協(xié)議規(guī)則 802.11 PSM協(xié)議需要遵守如下規(guī)則： （1）如果某節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自己節(jié)點(diǎn)的ATIM幀或一廣播地址的ATIM幀，則在本BI（beacon Interval）周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)要一直處于活躍狀態(tài)。 （2）只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)既沒(méi)有發(fā)ATIM幀又沒(méi)有收到地址為本節(jié)點(diǎn)或廣