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定向Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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(xié)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(jié)點問題。重點分析定向天線的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題相應(yīng)的策略，在此基礎(chǔ)上提出了新的改進CSMA協(xié)議。通過仿真表明，改進CSMA協(xié)議能提高基于定向天線Ad Hoc網(wǎng)路的整體性能。
關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)路 定向天線 改進CSMA協(xié)議
引言
Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉(zhuǎn)發(fā)能力。與普通的移動網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的無線通道是多跳共享的多點信道。在Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，可能會有多個無線設(shè)備同時接入信道，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收端無法分辨出接收到的數(shù)據(jù)，導(dǎo)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(xié)議。所謂MAC協(xié)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(xié)議可以說是Ad Hoc?網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.無線MAC協(xié)議面臨的關(guān)鍵問題
目前關(guān)于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)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(xié)議：
�。�1）ALOHA協(xié)議：
ALOHA是最早提出的MAC接入?yún)f(xié)議，其工作原理是：所有結(jié)點均可以自由的通信，發(fā)起握手的結(jié)點不需要監(jiān)聽信道，結(jié)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(yīng)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(jié)點通信是發(fā)送數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)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(nèi)有其他幀傳送，就可能產(chǎn)生沖突。ALOHA協(xié)議中沒有考慮如何避免數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)點用頻率F0進行握手（由于采用定向天線的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(xié)議
目前“無沖突”的MAC協(xié)議越來越受到學(xué)者們的青睞。但是基于結(jié)點輪詢或令牌環(huán)的網(wǎng)絡(luò)的時延性能較差，而且沒有采用同頻道復(fù)用技術(shù)，不利于多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效率的提高；傳統(tǒng)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)過程。
因此在采用定向天線的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(yù)先分配應(yīng)答時隙的動態(tài)STDMA協(xié)議。其特點是：
信道分時隙，時隙組成幀；結(jié)點必須粗同步，應(yīng)答限制于時隙范圍內(nèi)；結(jié)點按照一個分布式、動態(tài)產(chǎn)生的時隙來接入信道；S指的空分復(fù)用，由于物理層使用定向天線。各結(jié)點的應(yīng)答可在各自規(guī)定的時隙內(nèi)實現(xiàn)并行操作，獲取更好的復(fù)用度�？偟膩碚f，對于突然有大量握手操作的建網(wǎng)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(xié)議的影響（內(nèi)容補充）
雖然采用定向天線的網(wǎng)絡(luò)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(xié)議
結(jié)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(xié)議中沖突與隱藏終端
假設(shè)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(xié)議
結(jié)點首先需監(jiān)聽信道，確定是否聽得到有其它結(jié)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(jié)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(chǎn)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(jié)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(xié)議的暴露終端現(xiàn)象
假設(shè)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(jié)點V2收到也能被結(jié)點V4收到，如果此時V4需要建立至V3的連接，依據(jù)CSMA協(xié)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(jié)點、V4V3間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，不會產(chǎn)生F0頻率沖突，V4“可說但不能說”，形成暴露終端現(xiàn)象。
3.改進的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網(wǎng)絡(luò)的天線信號方向性特征解決頻率沖突和隱終端現(xiàn)象，可能會形成嚴重的暴露終端現(xiàn)象。我們提出改進的CSMA協(xié)議，進一步解決暴露終端現(xiàn)象。改進規(guī)則（）如下：
�。�1）空閑結(jié)點記錄△t時間內(nèi)監(jiān)聽到的最后一次（或前兩次）用頻率F0進行握手的結(jié)點，比如結(jié)點V0，稱為可能沖突結(jié)點。
�。�2）任何結(jié)點用頻率F0發(fā)出握手信息時（請求、應(yīng)答及確認），首先解算自身的可能沖突結(jié)點是否會落入波束信號的椎體內(nèi)。若是，則退避，否則用頻率F0發(fā)出握手信息。協(xié)議規(guī)定僅在可能沖突結(jié)點確實發(fā)生沖突時退避。如圖4.3所示。
圖4.3 改進CSMA協(xié)議暴露終端解決方案
假設(shè)結(jié)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(jié)點V4收到，因此在△t時間內(nèi)結(jié)點V1成為結(jié)點V4的可能沖突結(jié)點。如果在△t時間內(nèi)結(jié)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(jié)點V1成為V4的必然沖突結(jié)點，V4必須退避；如果在△t時間內(nèi)結(jié)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(jié)點V1不是V4的必然沖突結(jié)點，V4完全可以用頻率F0向V3發(fā)出握手信號。
改進CSMA協(xié)議較好解決了頻率沖突、隱藏終端和暴露終端現(xiàn)象。但增加了協(xié)議復(fù)雜性和結(jié)點工作負擔：
�。�1）空閑結(jié)點必須記錄△t時間內(nèi)監(jiān)聽到的最近一次（或前兩次）用頻率F0進行握手的結(jié)點信息，即可能沖突結(jié)點的信息，增加了結(jié)點需存儲信息量，但信息僅屬于結(jié)點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(jié)點以頻率表F0發(fā)送握手信息前要解算可能沖突結(jié)點是否為必然沖突結(jié)點，加重了結(jié)點運算負擔。
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兩個參數(shù)來衡量。吞吐量S：在幀的發(fā)送時間T內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)；網(wǎng)絡(luò)流量G：在T內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)（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(shè)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點的數(shù)量很大，數(shù)據(jù)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，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，則，當G=1時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達到最大S≈0.538。
在改進CSMA協(xié)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(jié)點是另一結(jié)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(jié)點相同頻率的天線波束為頂角是的近似椎體。則：
可知結(jié)點有效傳輸半徑為。則，表示在半徑內(nèi)平均結(jié)點數(shù)，為單位面積內(nèi)平均結(jié)點數(shù)。表示一個結(jié)點在一個時隙內(nèi)平均成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)，其中是定向天線波束的頂角。
根據(jù)結(jié)點成功發(fā)送需要同時滿足的3個條件：本結(jié)點發(fā)送且成功，其次至少在本結(jié)點傳輸區(qū)域內(nèi)有一個結(jié)點。則：
在想定和的情況下，使最大的值為
6.仿真結(jié)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(yīng)用于定向天線信道網(wǎng)絡(luò)中的接入?yún)f(xié)議，為了仿真定向天線信道，建立起基于Ad Hoc通信的網(wǎng)絡(luò)模型。將網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)定為由5個結(jié)點， 2個發(fā)射結(jié)點，3個接收結(jié)點組成。發(fā)射結(jié)點以指數(shù)時間間隙發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收結(jié)點接收未發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)包，并在仿真結(jié)束后，通過網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及信道利用率統(tǒng)計量記錄下仿真的結(jié)果。分析仿真數(shù)據(jù)，比較ALOHA、CSMA、改進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ALOHA協(xié)議發(fā)起通信的結(jié)點不需要監(jiān)聽信道，發(fā)送結(jié)點如果超過一定時限未收到應(yīng)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(xié)議和改進CSMA協(xié)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(xié)議和CSMA協(xié)議與ALOHA協(xié)議相比每秒沖突數(shù)目明顯減少，延時明顯降低。
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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