定向Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)隱藏與暴露終端問題的研究

定向AdHoc網(wǎng)絡(luò)隱藏與暴露終端問題的研究摘要：介紹基于定向天線的MAC協(xié)議，論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(diǎn)問題。重點(diǎn)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，在這里基礎(chǔ)上提出了新的改良CSMA協(xié)議。通過仿真表示清楚，改良CSMA協(xié)議能提升基于定向天線AdHoc網(wǎng)路的整體性能。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：AdHoc網(wǎng)路定向天線改良CSMA協(xié)議引言AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，無(wú)需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)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?fù)涞奶攸c(diǎn)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通道是多跳分享的多點(diǎn)信道。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)有多個(gè)無(wú)線設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間互相沖突，使接收端無(wú)法分辨出接收到的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)，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)則和經(jīng)過來(lái)更有效、有序、和公平地使用分享媒體。因而MAC協(xié)議能夠說(shuō)是AdHoc?網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.無(wú)線MAC協(xié)議面臨的關(guān)鍵問題當(dāng)前關(guān)于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)大多為節(jié)點(diǎn)裝備的是全向天線。建議基于競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)均能夠自在的通信，發(fā)起握手的結(jié)點(diǎn)不需要監(jiān)聽信道，結(jié)點(diǎn)直接用頻率F0進(jìn)行三次握手，發(fā)送方假如跨越一定時(shí)限未收到應(yīng)答，則以為發(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(jī)的，假定，各個(gè)結(jié)點(diǎn)通信是發(fā)送數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)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(dá)的時(shí)間間隔均大于T。但是在這個(gè)時(shí)間內(nèi)有其他幀傳送，就可能產(chǎn)生沖突。ALOHA協(xié)議中沒有考慮怎樣避免數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)生沖突，因而，發(fā)生沖突的幾率較大?！?〕CSMA協(xié)議：CSMA中，發(fā)起握手的結(jié)點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行連接建立前首先需監(jiān)聽，確定能否聽得到有其它結(jié)點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行握手〔由于采取定向天線的AdHoc網(wǎng)絡(luò)天線波束的方向性，未聽到并不料味著不存在沖突和隱終端問題〕，假如未監(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；假如跨越一定時(shí)限未收到應(yīng)答，則以為發(fā)生了沖突，等待一定間隔后重試。由于采取了信道監(jiān)聽，這樣就避免了一定的發(fā)送沖突。3.2“無(wú)沖突〞的MAC協(xié)議當(dāng)前“無(wú)沖突〞的MAC協(xié)議越來(lái)越遭到學(xué)者們的喜愛。但是基于結(jié)點(diǎn)輪詢或令牌環(huán)的網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能較差，而且沒有采取同頻道復(fù)用技術(shù)，晦氣于多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效率的提升；傳統(tǒng)的FDMA或TDMA協(xié)議不適用于互相之間信息位置未知的建網(wǎng)經(jīng)過。因而在采取定向天線的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，為了克制這些不足，建網(wǎng)階段的MAC協(xié)議采取預(yù)先分配應(yīng)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)隙構(gòu)成幀；結(jié)點(diǎn)必需粗同步，應(yīng)答限制于時(shí)隙范圍內(nèi)；結(jié)點(diǎn)根據(jù)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(fù)用，由于物理層使用定向天線。各結(jié)點(diǎn)的應(yīng)答可在各自規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)并行操作，獲取更好的復(fù)用度?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于忽然有大量握手操作的建網(wǎng)經(jīng)過，動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配STDMA是更優(yōu)的選擇。4.定向天線對(duì)MAC協(xié)議的影響〔內(nèi)容補(bǔ)充〕固然采取定向天線的網(wǎng)絡(luò)天線波束具有方向性，但其信號(hào)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題。1.純ALOHA協(xié)議結(jié)點(diǎn)用頻率F0發(fā)出握手懇求，若沒有先驗(yàn)掃描方向信息，則全向掃描，若有先驗(yàn)掃描方向信息，則其波束覆蓋范圍為本身為頂點(diǎn)、α為半頂角的錐形區(qū)域，信號(hào)作用間隔取決與間隔和功控算法的精度。如此圖4.1所示。圖4.1ALOHA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(dāng)V6向V2發(fā)送RTS，由于V2正與V5通信，進(jìn)而在V2處發(fā)生沖突，當(dāng)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。假如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。協(xié)議結(jié)點(diǎn)首先需監(jiān)聽信道，確定能否聽得到有其它結(jié)點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行握手，若無(wú)則用頻率F0發(fā)出握手懇求，否則等待一定間隔后重試。若沒有先驗(yàn)掃描方向信息，則全向掃描，若有先驗(yàn)掃描方向信息，則其波束覆蓋范圍為以本身為頂點(diǎn)、α為半頂角的錐形區(qū)域，信號(hào)作用間隔取決與間隔和功控算法的精度。參與握手的結(jié)點(diǎn)用頻率F0進(jìn)行連接建立前首先監(jiān)聽的機(jī)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(hào)覆蓋范圍為一個(gè)半頂角為α的椎體，任何結(jié)點(diǎn)必定存在監(jiān)聽盲區(qū)，沖突與隱終端問題仍可能存在。監(jiān)聽機(jī)制部分解決了沖突與隱終端問題，但也帶來(lái)了暴露終端問題，如此圖4.2所示。圖4.2CSMA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)出握手懇求，該握手懇求信號(hào)既能被結(jié)點(diǎn)V2收到也能被結(jié)點(diǎn)V4收到，假如此時(shí)V4需要建立至V3的連接，根據(jù)CSMA協(xié)議，V4不能以頻率F0發(fā)起與V3握手經(jīng)過。事實(shí)上由于V1沒有位于V4為結(jié)點(diǎn)、V4V3間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，不會(huì)產(chǎn)生F0頻率沖突，V4“可說(shuō)但不能說(shuō)〞，構(gòu)成暴露終端現(xiàn)象。3.改良的CSMA協(xié)議〔〕基于CSMA協(xié)議的討論，CSMA協(xié)議未充足利用定向天線網(wǎng)絡(luò)的天線信號(hào)方向性特征解決頻率沖突和隱終端現(xiàn)象，可能會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重的暴露終端現(xiàn)象。我們提出改良的CSMA協(xié)議，進(jìn)一步解決暴露終端現(xiàn)象。改良規(guī)則〔〕如下：〔1〕空閑結(jié)點(diǎn)記錄△t時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽到的最后一次〔或前兩次〕用頻率F0進(jìn)行握手的結(jié)點(diǎn)，比方結(jié)點(diǎn)V0，稱為可能沖突結(jié)點(diǎn)。〔2〕任何結(jié)點(diǎn)用頻率F0發(fā)出握手信息時(shí)〔懇求、應(yīng)答及確認(rèn)〕，首先解算本身的可能沖突結(jié)點(diǎn)能否會(huì)落入波束信號(hào)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(diǎn)的確發(fā)生沖突時(shí)退避。如此圖4.3所示。圖4.3改良CSMA協(xié)議暴露終端解決方案假設(shè)結(jié)點(diǎn)V1首先用頻率F0向V2發(fā)起握手懇求，該握手懇求信號(hào)同時(shí)被結(jié)點(diǎn)V4收到，因而在△t時(shí)間內(nèi)結(jié)點(diǎn)V1成為結(jié)點(diǎn)V4的可能沖突結(jié)點(diǎn)。假如在△t時(shí)間內(nèi)結(jié)點(diǎn)V4需要建立至V5的連接，V1落入以V4為頂點(diǎn)、V4V5間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，此時(shí)可能沖突結(jié)點(diǎn)V1成為V4的必定沖突結(jié)點(diǎn)，V4必需退避；假如在△t時(shí)間內(nèi)結(jié)點(diǎn)V4需要建立至V3的連接，V1沒有位于以V4為頂點(diǎn)、V4V3間連線為軸、α為半頂角的錐形區(qū)域，此時(shí)可能沖突結(jié)點(diǎn)V1不是V4的必定沖突結(jié)點(diǎn)，V4完全能夠用頻率F0向V3發(fā)出握手信號(hào)。改良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。但增長(zhǎng)了協(xié)議復(fù)雜性和結(jié)點(diǎn)工作負(fù)擔(dān)：〔1〕空閑結(jié)點(diǎn)必需記錄△t時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽到的近期一次〔或前兩次〕用頻率F0進(jìn)行握手的結(jié)點(diǎn)信息，即可能沖突結(jié)點(diǎn)的信息，增長(zhǎng)了結(jié)點(diǎn)需存儲(chǔ)信息量，但信息僅屬于結(jié)點(diǎn)部分信息而非全局信息，未增長(zhǎng)需要全網(wǎng)廣播的信息量?！?〕結(jié)點(diǎn)以頻率表F0發(fā)送握手信息前要解算可能沖突結(jié)點(diǎn)能否為必定沖突結(jié)點(diǎn)，加重了結(jié)點(diǎn)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。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(shù)來(lái)衡量。吞吐量S：在幀的發(fā)送時(shí)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)〔包含發(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(diǎn)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(dāng)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(dāng)G=1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量到達(dá)最大S≈0.538。在改良CSMA協(xié)議中，引入了“可能沖突點(diǎn)〞和“必定沖突點(diǎn)〞兩個(gè)概念，只要當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)是另一結(jié)點(diǎn)的“必定沖突點(diǎn)〞時(shí)，則必需退避。在解算“可能沖突點(diǎn)〞與“必定沖突點(diǎn)〞中，各結(jié)點(diǎn)一樣頻率的天線波束為頂角是的近似椎體。則：可知結(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑為。則，表示在半徑內(nèi)平均結(jié)點(diǎn)數(shù)，為單位面積內(nèi)平均結(jié)點(diǎn)數(shù)。表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)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(diǎn)成功發(fā)送需要同時(shí)知足的3個(gè)條件：本結(jié)點(diǎn)發(fā)送且成功，其次至少在本結(jié)點(diǎn)傳輸區(qū)域內(nèi)有一個(gè)結(jié)點(diǎn)。則：在想定和的情況下，使最大的值為6.仿真結(jié)果及分析采取OPNET仿真軟件進(jìn)行仿真分析[8][10]，ALOHA、CSMA和改良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AdHoc通信的網(wǎng)絡(luò)模型。將網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)定為由5個(gè)結(jié)點(diǎn)，2個(gè)發(fā)射結(jié)點(diǎn)，3個(gè)接收結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。發(fā)射結(jié)點(diǎn)以指數(shù)時(shí)間間隙發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收結(jié)點(diǎn)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(jì)量記錄下仿真的結(jié)果。分析仿真數(shù)據(jù)，比較ALOHA、CSMA、改良CSMA協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、吞吐量、沖突概率等方面的性能差別。由于ALOHA協(xié)議發(fā)起通信的結(jié)點(diǎn)不需要監(jiān)聽信道，發(fā)送結(jié)點(diǎn)假如跨越一定時(shí)限未收到應(yīng)答，則以為發(fā)生了沖突，等待一定間隔重試，直到發(fā)送成功為止。沒有采用任何沖突避