定向Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )隱藏與暴露終端問(wèn)題的研究論文
摘 要：介紹基于定向天線(xiàn)的MAC協(xié)議，闡述使用定向天線(xiàn)所面臨的隱藏終端、暴露終端以及聾結點(diǎn)問(wèn)題。重點(diǎn)分析定向天線(xiàn)的MAC協(xié)議造成隱藏終端和暴露終端的原因以及解決這些問(wèn)題相應的策略，在此基礎上提出了新的改進(jìn)CSMA協(xié)議。通過(guò)仿真表明，改進(jìn)CSMA協(xié)議能提高基于定向天線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)路的整體性能。
關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)路 定向天線(xiàn) 改進(jìn)CSMA協(xié)議
引言
Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò )是一種特殊的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的地位平等，無(wú)需設置任何的中心控制結點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )中的結點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報文轉發(fā)能力。與普通的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和固定網(wǎng)絡(luò )相比，它具有無(wú)中心、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓撲的特點(diǎn)。
Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通道是多跳共享的多點(diǎn)信道。在A(yíng)d Hoc 網(wǎng)絡(luò )中，可能會(huì )有多個(gè)無(wú)線(xiàn)設備同時(shí)接入信道，導致分組之間相互沖突，使接收端無(wú)法分辨出接收到的數據，導致信道資源浪費，吞吐量顯著(zhù)下降。為了解決這些問(wèn)題，就需要MAC協(xié)議。所謂MAC協(xié)議，就是通過(guò)一組規則和過(guò)程來(lái)更有效、有序、和公平地使用共享媒體。因此MAC協(xié)議可以說(shuō)是Ad Hoc?網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.無(wú)線(xiàn)MAC協(xié)議面臨的關(guān)鍵問(wèn)題
目前關(guān)于A(yíng)d Hoc 網(wǎng)絡(luò )的研究重點(diǎn)大多為節點(diǎn)配備的是全向天線(xiàn)。
建議基于競爭的MAC協(xié)議：
�。�1）ALOHA協(xié)議：
ALOHA是最早提出的MAC接入協(xié)議，其工作原理是：所有結點(diǎn)均可以自由的通信，發(fā)起握手的結點(diǎn)不需要監聽(tīng)信道，結點(diǎn)直接用頻率F0進(jìn)行三次握手，發(fā)送方如果超過(guò)一定時(shí)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(shí)間間隔是隨機的，假定，各個(gè)結點(diǎn)通信是發(fā)送數據幀，發(fā)送數據幀所需時(shí)間是T，發(fā)送成功的條件是這個(gè)幀與該幀前后發(fā)送的兩個(gè)幀到達的時(shí)間間隔均大于T。但是在這個(gè)時(shí)間內有其他幀傳送，就可能產(chǎn)生沖突。ALOHA協(xié)議中沒(méi)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(xié)議：
CSMA中，發(fā)起握手的結點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行連接建立前首先需監聽(tīng)，確定是否聽(tīng)得到有其它結點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行握手（由于采用定向天線(xiàn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )天線(xiàn)波束的方向性，未聽(tīng)到并不意味著(zhù)不存在沖突和隱終端問(wèn)題），如果未監聽(tīng)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(guò)一定時(shí)限未收到應答，則認為發(fā)生了沖突，等待一定間隔后重試。由于采用了信道監聽(tīng)，這樣就避免了一定的發(fā)送沖突。
3.2“無(wú)沖突”的MAC協(xié)議
目前“無(wú)沖突”的MAC協(xié)議越來(lái)越受到學(xué)者們的青睞。但是基于結點(diǎn)輪詢(xún)或令牌環(huán)的網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延性能較差，而且沒(méi)有采用同頻道復用技術(shù)，不利于多跳網(wǎng)絡(luò )系統效率的提高；傳統的FDMA或TDMA協(xié)議 不適用于相互之間信息位置未知的建網(wǎng)過(guò)程。
因此在采用定向天線(xiàn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中，為了克服這些不足，建網(wǎng)階段的MAC協(xié)議采用預先分配應答時(shí)隙的動(dòng)態(tài)STDMA協(xié)議。其特點(diǎn)是：
信道分時(shí)隙，時(shí)隙組成幀；結點(diǎn)必須粗同步，應答限制于時(shí)隙范圍內；結點(diǎn)按照一個(gè)分布式、動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的時(shí)隙來(lái)接入信道；S指的空分復用，由于物理層使用定向天線(xiàn)。各結點(diǎn)的應答可在各自規定的時(shí)隙內實(shí)現并行操作，獲取更好的復用度�？偟膩�(lái)說(shuō)，對于突然有大量握手操作的建網(wǎng)過(guò)程，動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配STDMA是更優(yōu)的選擇。
4.定向天線(xiàn)對MAC協(xié)議的影響（內容補充）
雖然采用定向天線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )天線(xiàn)波束具有方向性，但其信號覆蓋范圍仍為一個(gè)椎體，有可能發(fā)生沖突與隱藏終端問(wèn)題。
1.純ALOHA協(xié)議
結點(diǎn)用頻率F0發(fā)出握手請求，若沒(méi)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(diǎn)、α為半頂角的錐形區域，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(xié)議中沖突與隱藏終端
假設V6正與V7定向通信，沒(méi)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(shí)，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(xié)議
結點(diǎn)首先需監聽(tīng)信道，確定是否聽(tīng)得到有其它結點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行握手，若無(wú)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(méi)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(diǎn)、α為半頂角的錐形區域，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(diǎn)用頻率F0進(jìn)行連接建立前首先監聽(tīng)的機制能夠避免部分可能產(chǎn)生的沖突與隱藏終端問(wèn)題，但由于波束信號覆蓋范圍為一個(gè)半頂角為α的椎體，任何結點(diǎn)必然存在監聽(tīng)盲區，沖突與隱終端問(wèn)題仍可能存在。監聽(tīng)機制部分解決了沖突與隱終端問(wèn)題，但也帶來(lái)了暴露終端問(wèn)題，如圖4.2所示。
圖4.2 CSMA協(xié)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(diǎn)V2收到也能被結點(diǎn)V4收到，如果此時(shí)V4需要建立至V3的連接，依據CSMA協(xié)議，V4不能以頻率F0發(fā)起與V3握手過(guò)程。事實(shí)上由于V1沒(méi)有位于V4為結點(diǎn)、V4V3間連線(xiàn)為軸、α為半頂角的錐形區域，不會(huì )產(chǎn)生F0頻率沖突，V4“可說(shuō)但不能說(shuō)”，形成暴露終端現象。
3.改進(jìn)的CSMA協(xié)議（）
基于CSMA協(xié)議的討論，CSMA協(xié)議未充分利用定向天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的天線(xiàn)信號方向性特征解決頻率沖突和隱終端現象，可能會(huì )形成嚴重的暴露終端現象。我們提出改進(jìn)的CSMA協(xié)議，進(jìn)一步解決暴露終端現象。改進(jìn)規則（）如下：
�。�1）空閑結點(diǎn)記錄△t時(shí)間內監聽(tīng)到的最后一次（或前兩次）用頻率F0進(jìn)行握手的結點(diǎn)，比如結點(diǎn)V0，稱(chēng)為可能沖突結點(diǎn)。
�。�2）任何結點(diǎn)用頻率F0發(fā)出握手信息時(shí)（請求、應答及確認），首先解算自身的可能沖突結點(diǎn)是否會(huì )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(xié)議規定僅在可能沖突結點(diǎn)確實(shí)發(fā)生沖突時(shí)退避。如圖4.3所示。
圖4.3 改進(jìn)CSMA協(xié)議暴露終端解決方案
假設結點(diǎn)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(shí)被結點(diǎn)V4收到，因此在△t時(shí)間內結點(diǎn)V1成為結點(diǎn)V4的可能沖突結點(diǎn)。如果在△t時(shí)間內結點(diǎn)V4需要建立至V5的連接，V1落入以V4為頂點(diǎn)、V4V5間連線(xiàn)為軸、α為半頂角的錐形區域，此時(shí)可能沖突結點(diǎn)V1成為V4的必然沖突結點(diǎn)，V4必須退避；如果在△t時(shí)間內結點(diǎn)V4需要建立至V3的連接，V1沒(méi)有位于以V4為頂點(diǎn)、V4V3間連線(xiàn)為軸、α為半頂角的錐形區域，此時(shí)可能沖突結點(diǎn)V1不是V4的必然沖突結點(diǎn)，V4完全可以用頻率F0向V3發(fā)出握手信號。
改進(jìn)CSMA協(xié)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(xié)議復雜性和結點(diǎn)工作負擔：
�。�1）空閑結點(diǎn)必須記錄△t時(shí)間內監聽(tīng)到的最近一次（或前兩次）用頻率F0進(jìn)行握手的結點(diǎn)信息，即可能沖突結點(diǎn)的信息，增加了結點(diǎn)需存儲信息量，但信息僅屬于結點(diǎn)局部信息而非全局信息，未增加需要全網(wǎng)廣播的信息量。
�。�2）結點(diǎn)以頻率表F0發(fā)送握手信息前要解算可能沖突結點(diǎn)是否為必然沖突結點(diǎn)，加重了結點(diǎn)運算負擔。
5.三種協(xié)議性能的理論分析
分析MAC協(xié)議的性能，一般用吞吐量S和網(wǎng)絡(luò )流量G兩個(gè)參數來(lái)衡量。吞吐量S：在幀的發(fā)送時(shí)間T內成功發(fā)送的平均幀數；網(wǎng)絡(luò )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(guān)系為：
而：
假設網(wǎng)絡(luò )中結點(diǎn)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(xié)議中，吞吐量，當G=0.5時(shí)，S有極大值，S≈0.184。
在CSMA協(xié)議中，吞吐量，為信道延遲；若忽略信道延遲時(shí)，則，當G=1時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的吞吐量達到最大S≈0.538。
在改進(jìn)CSMA協(xié)議中，引入了“可能沖突點(diǎn)”和“必然沖突點(diǎn)”兩個(gè)概念，只有當一個(gè)結點(diǎn)是另一結點(diǎn)的“必然沖突點(diǎn)”時(shí)，則必須退避。
在解算“可能沖突點(diǎn)”與“必然沖突點(diǎn)”中，各結點(diǎn)相同頻率的天線(xiàn)波束為頂角是的近似椎體。則：
可知結點(diǎn)有效傳輸半徑為。則，表示在半徑內平均結點(diǎn)數，為單位面積內平均結點(diǎn)數。表示一個(gè)結點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙內平均成功傳輸的分組數，其中是定向天線(xiàn)波束的頂角。
根據結點(diǎn)成功發(fā)送需要同時(shí)滿(mǎn)足的3個(gè)條件：本結點(diǎn)發(fā)送且成功，其次至少在本結點(diǎn)傳輸區域內有一個(gè)結點(diǎn)。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(jìn)行仿真分析[8][10]，ALOHA、CSMA和改進(jìn)CSMA是應用于定向天線(xiàn)信道網(wǎng)絡(luò )中的接入協(xié)議，為了仿真定向天線(xiàn)信道，建立起基于A(yíng)d Hoc通信的網(wǎng)絡(luò )模型。將網(wǎng)絡(luò )模型設定為由5個(gè)結點(diǎn)， 2個(gè)發(fā)射結點(diǎn)，3個(gè)接收結點(diǎn)組成。發(fā)射結點(diǎn)以指數時(shí)間間隙發(fā)送數據包，接收結點(diǎn)接收未發(fā)生沖突的數據包，并在仿真結束后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )吞吐量以及信道利用率統計量記錄下仿真的結果。分析仿真數據，比較ALOHA、CSMA、改進(jìn)CSMA協(xié)議在網(wǎng)絡(luò )負載、吞吐量、沖突概率等方面的性能差異。
由于A(yíng)LOHA協(xié)議發(fā)起通信的結點(diǎn)不需要監聽(tīng)信道，發(fā)送結點(diǎn)如果超過(guò)一定時(shí)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(méi)有采取任何沖突避免的策略，而CSMA協(xié)議和改進(jìn)CSMA協(xié)議采用了信道監聽(tīng)和引入判斷沖突點(diǎn)機制來(lái)避免沖突，所以從表6.1可以看出改進(jìn)CSMA協(xié)議和CSMA協(xié)議與ALOHA協(xié)議相比每秒沖突數目明顯減少，延時(shí)明顯降低。
表6.1 三種協(xié)議各性能平均值比較
利用歸一化的吞吐量S和網(wǎng)絡(luò )負載G作吞吐量特性圖. Internetwork Research Department BBN Technologies,2002.
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