无线自组网多信道MAC协议中的暴露终端和隐藏终端问题毕业作品.docx

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无线自组网多信道MAC协议中的暴露终端和隐藏终端问题毕业作品

无线自组网多信道MAC协议中的暴露终端和隐藏终端问题

摘要

移动AdHoc网络是一种不依赖于任何基础设施而能随时随地组建、无中心自组织的临时性多跳网络，具有灵活、快捷等特点。

近年来随着便携式设备在移动性、储存能力和无线通信能力等方而的迅速发展，AdHoc网络得到了广泛应用。

可以广泛地应用于军事战术通信、船舶AIS系统、应急通信、协同移动通信、无线接入系统和传感器网络等众多领域。

在AdHoc网络中，既不需要一个固定的网络结构，也不需要专用的固定的基站或路由器作为网络的管理中心，各节点兼有主机和路由器两种功能。

移动节点之间通过多跳无线链路来相互通信，每个移动节点在必要时都要充当路由器的角色来为其他节点转发数据包，他们都参与路由的发现和维护过程，从而构成了一个AdHoc网络。

与有中心网络相比，AdHoc网络更坚固、更耐用，而且不需要提供固定的基础设施，用户就可以布置和操作分组无线网。

本文首先对AdHoc网络的基本知识和什么是暴露终端和隐藏终端进行简单的介绍，然后具体介绍由暴露终端和隐藏终端而引发的一些问题，结合移动AdHoc网络中MAC协议的接入方式，提出在多信道MAC协议下是怎么解决暴露终端和隐藏终端问题。

本课题是对AdHoc网络中一直存在的暴露终端和隐藏终端问题的探索性研究。

通过本课题的研究，可以对移动AdHoc网络中暴露终端和隐藏终端问题有一定的了解，同时，也对移动AdHoc网络多信道MAC协议中暴露终端和隐藏终端问题的解决提供一定的帮助。

【关键词】暴露终端和隐藏终端问题，AdHoc网络，MAC接入协议

TheHiddenandExposedTerminalProbleminMulti-channelMACProtocolforAdHocNetworks

Abstract

AdHocnetworkisadonotdependonanyinfrastructureandsetupanywhere,anytime,withoutacentralself-organizationofadhocmulti-hopnetwork,withaflexible,fastandsoonthecharacteristic.Inrecentyears,withthemobilityofportabledevices,storagecapacityandwirelesscommunicationcapabilitiesoftherapiddevelopmentofparty,AdHocnetworkshavebeenwidelyused.Canbewidelyusedinmilitarytacticalcommunications,shipAISsystems,emergencycommunications,collaborativemobilecommunications,wirelessaccesssystemsandsensornetworks,andotherfields.IntheAdHocnetwork,doesnotrequireafixednetworkstructureanddoesnotrequireadedicatedfixedbasestationorrouterasthenetworkmanagementcenter,eachnodetwofunctionsofbothhostsandrouters.Betweenthemobilenodethroughmulti-hopwirelesslinktocommunicatewitheachother,eachmobilenode,ifnecessary,shouldbetheroletoactasaroutertoforwardpacketsforothernodes,theyareinvolvedinroutediscoveryandmaintenanceprocess,whichconstitutesaAdHocNetwork.Comparedwithacentralnetwork,AdHocnetworkmorerobust,moredurableanddoesnotrequiretheinfrastructuretoprovidefixed,theusercanlayoutandoperationofpacketradionetwork.

FirstthispaperhasaintroducetothebasicknowledgeofAdHocnetworksandwhatisthehiddenterminalandexposedterminalbrief,andthenpresentsbyhiddenterminalandexposedterminalcausedbysomeproblems.CombinedwithmobileAdHocnetworkMACprotocols,andputsforwardtheaccessinmultichannelMACagreementishowtosolvehiddenterminalandexposedterminalproblem.ThistopicisinforAdHocnetworks,therehasbeenahiddenterminalandexposureterminalproblemexploratoryresearch.Throughthistopicresearch,wecanlearnsomefrommobileAdHocnetworksabouthiddenterminalandexposedterminalproblems,atthesametime,alsoonmobileAdHocnetworkmultichannelMACprotocolexposedterminalandsolvetheproblemofhiddenterminaloffersomehelp.

【Keywords】HiddenTerminalandExposedTerminalproblem,AdHocnetworks,MACprotocol

一.引言

随着计算机技术、通信技术的不断发展，网络不仅在传输带宽上得到了飞速的发展，连接方式也有了极大的改变，无线通信已经成为目前世界上发展最快的网络连接方式。

经过10年指数性的增长，今天的无线产业已经成为世界上最大的产业之一。

在无线数据通信方面，从基于蜂窝网络的蜂窝数字分组数据CDPD（CellularDigitalPacketData），通用无线分组业务口Rs（Generalpackerradioservice）到Bluetooth（蓝牙），家庭网络HomeRF（HomeRadioFrequency），无线局域网WLAN（WirelessLocalAieaNetwork），各种无线数据通信技术不断涌线，使无线数据通信技术成为研究热点。

第三代移动通信系统3G的出现更使移动通信前进了一大步，与此同时，第四代移动通信系统标准也在逐步完善之中。

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有超过2Mb/s的非对称数据传输能力，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网BWLAN（BroadbandWirelessLocalAreaNetwork）、移动宽带系统和互操作的广播网络。

在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网，提供信息通信以外的定位定时、数据采集和远程控制等综合功能。

同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统[1]。

无线网络我们一般可分为两种类型，一种就是大家常说的蜂窝型无线网络，它是由移动节点、固定基站和有线主干网组成。

移动节点和基站之间的连接是“一跳”的，因此又被称为单跳无线网络。

当移动节点离开原来的基站覆盖范围而进入一个新的基站范围时，它将发生一个“切换”过程。

另一类是无固定基础设施的移动网络，也称AdHoc网络或分组无线网。

它是一种没有固定的路由器或基站的网络，网络中所有节点都可移动并能动态互连。

节点之间可以直接进行无线通信，这种网络中所有节点均可用作路由器，用于发现并维护通向网络中其它节点的路由。

AdHoc网络把分组交换技术应用到无线领域，综合了分组交换和无线通信两者的优点，是一种极有前途的无线通信组网技术。

1.1移动AdHoc网络概述

无线通信技术和计算机网络技术的飞速发展为无线移动通信网络奠定了基础。

由车载（Vehicle）、船载（Shipborne）、空载（Aero）等组成的移动AdHoc网络，逐渐成为当前热点的应用研究领域之一。

1.1.1移动AdHoc网络的网络结构

AdHoc网络中，每个移动终端都具备路由器和主机这两种功能：

作为主机，终端要运行面向用户的应用程序；而作为路由器，终端则需要运行相对应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。

在AdHoc网络中，节点间的路由通常是由多跳（Hop）组成。

这也是移动自组网和其他的移动网络最根本区别。

节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。

不管什么时候，任何一节点都可以向任意方向以任意的速度运动，即节点的运动是自主的，不是固定不变的。

因此对于不同时刻的网络，它的拓扑结构也会发生变化。

[2]但是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通常可以通过多个中间节点的转发来实现通信。

所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。

图1-1中，终端A和终端I无法直接通信，但可以通过路径A→B→G→I进行通信。

图1-1典型的AdHoc网络结构

移动AdHoc网络（MANET,MobileAdHocNetwork）没有基本服务集中的接入点AP而是一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络（如图1-2所示），由移动节点互相充当路由器进行分组转发，而不依赖于任何固定的基础设施和服务的网络。

图1-2典型的移动AdHoc网络

由于移动AdHoc网络信号覆盖范围比有固定基础设施的移动网络的小，因此远距离的通信要通过多跳路由转发的方式进行，因而移动AdHoc网络又被称为移动多跳无线网络（MobileMulti-hopWirelessNetwork）。

基于接入点的无线局域网络的结构如图1-3所示。

图1-3基于接入点的无线局域网

1.1.2移动AdHoc网络的特点

与其它通信网络相比，移动AdHoc网络的主要特征主要有以下几点：

1.网络自组性。

移动AdHoc网络没有严格的控制中心，所有的节点地位都是平等的，是一个对等式的网络。

节点可以随时的加入或离开网络，具有很强的抗毁性。

2.动态变化的网络拓扑结构。

移动AdHoc网络中，由于用户可以用任意速度和任意方式在网络中移动，加上节点可以随时的开机和关机、发射功率的变化、无线信道之间的相互干扰的因素、地形等综合因素的影响，节点间通过无线信道而形成的网络拓扑结构随时都会发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。

3.带宽有限，链路容量易变。

由于自组网采用无线传输技术作为底层的通信手段，因而它决定了无线信道有限的带宽、信道的衰减、链路质量和链路容量易起伏波动等物理特性使移动AdHoc网络的带宽相对于有线方式要低很多，可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。

4.节点能量有限。

移动节点通常依靠电池提供工作所需要的能量，减少功耗将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素。

5.多跳组网方式。

当AdHoc网络中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时，就需要借助其他节点进行多跳转发。

6.单向的无线信道。

在AdHoc网络中，由于各个无线终端发射功率的不同以及环境的影响可能产生单向信道。

单向信道对常规路由协议带来认知单向性、路由单向性和汇点不可达。

7.安全性差、扩展性不强。

移动AdHoc网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等原因，AdHoc网络更容易受到被动窃听、拒绝服务等安全威胁[3]。

1.1.3移动AdHoc网络的应用

移动AdHoc网络具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点，在一些特殊场合，如：

军事应用中的协同通信、地震等灾害中的营救、临时会议等场合获得了广泛的应用。

总的来说，它的应用分为几类：

1.军事应用。

在军事中移动AdHoc网络技术得到了最好的应用。

因其无需控制中心、可临时组网、抗毁性强等特点，使它成为了数字化战场通信和战术互联网的重要技术。

2.传感器网络。

由于在很多场合中传感器网络只能使用无线通信技术，而且传感器的发射功率不可能很大，大量分散的传感器使用AdHoc网络技术组网后，就能够实现传感器之间以及与控制中心之间的通信。

传感器网络中的节点不但可以通过协作转发来实现通信，还可监测危险环境的变化，收集处理相关的传感信息。

3.紧急和突发性场合。

当发生地震、洪水、火灾或遭受其它灾难后，固定的网络设施可能无法正常工作，而AdHoc网络可以依靠其自身的特点能够在各种特殊的环境下提供通信支持，能够在抢险救灾工作中发挥巨大的作用。

4.个域网（PAN）。

个域网是自组网在民用中较为成熟的应用领域。

如蓝牙技术，他们利用了自组网的节点可移动、临时组网的特点。

主要应用有组建家庭无线网络、移动医疗监护系统、移动计算等。

5.移动会议。

在室外临时环境中，工作人员可以通过AdHoc网络组成一个临时性的网络来协同工作，如分布式会议。

1.2MAC协议研究现状

目前，国内外许多高校和研究机构都在对传感器网络MAC协议进行了深入的研究，也产生了很多成果。

早期的MAC协议基本上都是采用固定信道分配的多信道模式，使用不同的频带或扩频码将单信道分成多信道。

这些MAC协议虽然有效地减少了冲突，但是增加了协议的复杂度、节点的成本和功耗。

而近期提出的MAC协议大多都是采用单信道。

对现有的传感器网络MAC协议按对信道的访问机制大体上可以分为成固定分配、基于竞争和两者混合的协议。

固定分配的协议有采用CDMA，TDMA或FDMA与TDMA混合的协议，基于竞争的协议都是在802.11的CSMA机制上加以改进和扩展，分时的CSMA是一种典型的改进了的信道访问方式;而两者混合的协议主要都是采用CSMA和TDMA相混合。

研究人员通过研究发现空闲侦听的能耗是无线传感器网络中最大的能耗，所以说不管是采用哪种信道访问机制的协议都是尽可能的在节点没有数据传输的时侯关闭通信模块以减少空闲侦听来降低空闲侦听的能耗。

而为了不让睡眠机制影响相邻节点的之间的连接，一般都是采用帧（Frame）结构将时间分成等间隔的帧，节点协调帧内发送时隙并周期遵守或者在每帧的起始时刻就开启竞争本帧内的发送时隙。

节点在全网采用同步帧，或者是在虚拟簇内节点采用同步帧来取得连接。

各节点在帧内的时隙分配通常都是是公平的，不过有时也是会有选取关键点的，给关键点更多的传输时隙以适应网络通信负载或均衡节点间的能耗。

IEEE802.15.4是美国电气电子工程师学会（IEEE）制定的低速无线个人域网络的无线通信标准，目前将它应用于传感器网也是研究的一个热点。

关于AdHoc网络的媒体接入控制（MAC）协议的开发与研究主要是用来解决隐藏终端和暴露终端问题，而现在影响比较大的有MACA协议，即RTS/CTS/ACK方案，控制信道和数据信道分开的双信道方案和基于定向天线的MAC协议，以及一些改进的MAC协议。

有一些研究方向是侧重于将IEEE802.11的MAC直接协议移植到AdHoc网络中。

基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越，但是在技术上实现的难度很大。

IEEE802.11的MAC协议采用了CSMA/CA作为竞争策略，就是利用“RTS一CTS”2次握手竞争信道，并且利用侦听虚载波进行避退。

CSMA/CA虽然能够解决隐藏终端问题中的一个小类：

隐发送终端问题，但是在单信道中“RTS（RequestToSend）一CTS（ClearToSend）一DATA一ACK”这种通信模式是仍然不可避免的。

这也就说如果把IEEE802.11的MAC协议直接用在AdHoc网络中将无法完全解决隐藏终端、暴露终端、错误资源误留这三大问题。

在单信道MAC协议中始终无法解决暴露终端和隐藏终端这个问题。

而传统的基于固定信道分配的多信道MAC协议，协议相对复杂并且对硬件要求过高。

而如果使用多信道和动态信道分配技术，则可以很好地解决暴露与隐藏终端问题，能够更好地解决信道分配、接入控制、解决竞争和冲突避免问题，并且能够显著提高网络的吞吐量和网络的整体性能。

IEEE802.11DCF。

IEEE802.11有两种工作模式：

一种是基于基础设施的中心控制模式PCF（PointCoordinationFunction），一种则是分布的DCF（DistributedCoordinationFunction）模式。

DCF保留了CSMA/CA的载波监听机制，采用的是RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制。

如果数据报文比较短的话，采用DATA/ACK的简单报文交互可以明显的提高效率；如果报文较长的话，则可以用RTS/CTS来预约信道以减少冲突。

[3]节点在发送报文前，首先会先监听信道的状态。

如果信道是空闲的，节点就会等待一个DCF帧间间隔（DCFinterframespace，DIFS），在这个间隔内：

如果信道变忙，就执行退避算法，否则就会开始发送报文；如果信道忙，它就会计算一个随机退避时间，等到信道空闲并持续空闲了一个DIFS时间后，进入退避过程。

在退避过程中，如果信道是空闲的，则随机退避计数器（BackoffCounter，BC）自动减1；如果信道变忙，BC被冻结一直到信道空闲并且持续空闲一个DIFS的时间后继续递减。

当BC的值减为零时，帧就会被发送。

由于IEEE802.11是基于CSMA/CA机制，不能保证信道及时的接入，即不能满足VANET中的实时性要求；而且一般的车载通信传递的消息比特数较少，会使RTS/CTS应答机制带来额外的开销，使协议显得复杂，仅仅部分适合VANET。

不过可作为VANET中MAC协议的原型，进行扩展和修改后用于VANET。

[4]

IEEE802.11p。

IEEE工作组正在研究针对车载网络的IEEE802.11标准的一个新的PHY/MAC修订版——车载环境下的无线接入（wirelessaccessinvehicularenvironments，WAVE），即IEEE802.11p。

该标准将着重考虑如何解决VANET的可靠性和保证低延迟问题，仍然采用CSMA/CA作为链路共享的基本介质接入机制，不过可能会引入一个控制信道来建立传输。

IEEE802.11p的应用以专用短程通信系统（dedicatedshortrangecommunication，DSRC）原先所规划的方向为主,并加强车用安全,包括碰撞警示和道路危险警示等。

RR-ALOHA。

CarTALK2000项目中提出了可靠的R-ALOHA协议（reliableR-ALOHAprotocol，RR-ALOHA）。

它的基本思想是：

每个终端周期广播附加信息，即帧信息（frameinformation，FI），使所有相邻节点可以知道每个时隙信道的使用情况，从而同样的R-ALOHA方式能够在MANET环境下工作。

其中FI标明了发送节点检测到的前一帧时隙状态，而终端为了能够接入信道则必须获得一个信道，即基信道（basicchannel，BCH）。

BCH上的信息可以被一跳范围内的节点正确接收，可以用于传送FI、其它信号信息和承载有效载荷。

假设一帧由N个时隙组成，车辆获得其中一个时隙作为它的BCH。

一帧时间内，如果车辆监听到传送成功，就在FI相应的时隙标上发送者的ID。

而对于新加入的车辆，首先会先监听一帧的时间，然后选择一个空闲的时隙来发送分组。

如果相邻节点正确地接收到了该分组，就在FI中标示出来；如果在下一帧所有接收到的FI中该时隙都标有它的ID，即可将该时隙作为它的BCH，通过周期传播FI，终端就可以清楚地知道两跳以内的信道使用情况，从而克服了隐藏终端问题，减少了冲突；而通过TDMA机制为每个终端预留时隙，为VANET提供了较好的QoS保证。

但是，AdHocMAC协议不能很好有效的使用信道，而且通信范围内的节点数目受限制[5]。

1.3本文的主要工作

本文的主要工作是深入研究AdHoc网络的MAC层协议，并为AdHoc网络设计并实现一种高效且具有一定QoS保证的多信道MAC协议。

并且可以解决传统AdHoc网络中的隐藏终端节点、暴露终端节点、错误资源误留三大问题，而在解决上述三大问题的基础上，在MAC协议中设计QoS算法，使AdHoc网络具有一定的QoS保证。

本文首先对AdHoc网络进行了深入研究与分析，特别是对MAC协议的研究，深入了解了AdHoc网络的国内外研究现状。

并在单信道的基础上，提出了基于多网卡信道分配思想设计并实现了一种AdHoc多信道协议HEMAC，解决了传统AdHoc网络中隐藏终端节点、暴露终端节点等问题。

最后在NS2环境下进行了仿真实验，并把实验结果与相关的MAC协议进行分析比较，明显显示出HEMAC协议在吞吐量与丢包率等方面的优势。

最后对全文做了总结，并对接下来的研究做出了展望。

二．AdHoc网络中暴露终端和隐藏终端问题

2.1暴露终端和隐藏终端产生的原因

虽然CSMA/CD协议已经成功的应用于使用有线连接的局域网，但是我们却不能简单的把CSMA/CD协议搬用到无线局域网中，特别是碰撞检测部分。

这里主要有两个原因：

（1）在无线局域网中，接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，因此要实现碰撞检测，那么在硬件上就需要花费就会很大。

（2）在无线局域网中，不是所有的站点都能够听见对方，而“所有站点都能够听见对方”正是实现CSMA/CD协议必须具备的基础[6]。

由于AdHoc网络具有动态变化的网络拓扑结构，而且是工作在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问题；为了提高信道利用率，移动节点电台的频率和发射功率都比较低；并且信号受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，因此移动节点的通信距离将受到很大的限制，一个节点发送出来的信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题[7]。

2.2暴露终端问题

暴露终端是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。

暴露终端因