无线自组织网络关键技术与进展

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1、无线自组织网络关键技术与进展2007年8月6日10:57   通信世界网   评论(0)   阅读： 次作者：韦云凯毛玉明吴凡   无线自组织网络由不需要任何基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成，这种网络适应了军事和商用中对网络和设备移动性的要求，而引起了人们的关注，并在20世纪90年代以后获得了广泛的研究和发展。   与其他通信网络相比，无线自组织网络具有带宽有限、链路容易改变、节点的移动性以及由此带来的网络拓扑的动态性、物理安全有限、受设备限制等特点。正是由于这些区别，无线自组织网络协议栈也产生了比传统网络协议栈更高的要求：适应移动分布节点随机收发行为的媒体接入

2、控制(MAC)协议，基于动态拓扑结果的高效、稳健的路由算法，便利的异构网络互联技术，有效的功率控制，合理的跨层信息交互、多层协同设计，可靠的安全机制等等。   1 MAC协议   MAC协议是无线自组织网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。目前，在无线自组织网络中MAC协议面临着隐藏终端、暴露终端，信道分配，单向链路，广播扩散等问题。   1.1隐藏终端、暴露终端问题   如图1所示，节点A、B、C都工作在同一个信道上，当节点A向节点B发送分组时，载波侦听机制无法阻止节点C发送数据，造成信号在节点B处冲突。节点C是隐藏在节点A的覆盖范围之外的

3、、却又能对节点A的发送形成冲突的节点，这种在发送节点覆盖范围以外的、存在着潜在冲突的节点问题就是信道访问中的隐藏终端问题。隐藏终端问题会大大降低信道的通信能力。   另外还有一种情况也会降低信道的通信能力，即所谓的暴露终端问题。如图2所示，当节点B向节点A发送分组时，节点C侦听到节点B在发送分组，所以推迟发送分组。这种推迟是毫无必要的，因为节点C向节点D发送分组和节点B向节点A发送分组并不冲突，此时节点C是节点B的暴露终端。这种因发送节点在其覆盖范围内，感知到有其他节点在传输，而进行不必要的发送延迟就是暴露终端问题。   IEEE802.11中提出的请求发送/准备接受/

4、确认(RTS/CTS/ACK)握手机制，以及目前在很多研究中提出的控制信道-数据信道协作的方式，可以在一定程度上解决隐藏终端问题，但对于暴露终端问题，目前还没有充分有效的解决方式。   RTS/CTS/ACK机制的基本思想是在传输数据帧之前，A、B之间先用很短的握手帧RTS进行沟通，而其他所有无关节点收到RTS或CTS后，抑制自己的发送动作，避免冲突，从而为A、B间的数据帧传输提供一个短暂的“净空”。正确收到的帧需要使用ACK来进行确认。   这种改进只能解决单信道无线自组织网络的部分问题。假设一个网络具有n个任意分布的节点，每个节点的传输容量是W，那么每个节点可以达到

5、的吞吐量将会是，即使对这些节点的位置进行优化，也仅能使得每个节点的吞吐量达到的水平[1]。由此可以看出，无线自组织网络节点数量的增大，将会使节点的吞吐量快速降低，尤其是在节点任意分布的情况下。   1.2信道分配问题   最初的无线自组织网络，由于技术和设备的限制，各节点都工作在一个信道上。随着设备和相关协议的发展，多信道、甚至是多接口-多信道无线自组织网络已经在步入实用。   对于单信道无线自组织网络，其MAC协议需要考虑的是如何充分利用信道，避免冲突。载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)机制是目前应用非常广泛的协议，节点通过物理信道侦听(CCA)与虚拟网络侦

6、听(NAV)结合的方式进行载波侦听，采用基于长帧间隙、中帧间隙和短帧间隙等不同时隙的退避机制和冲突避免策略，竞争信道进行发送。时分多址(TDMA)机制可以将信道按照时间片划分为多个时隙，节点按照静态或者动态分配方式占用其中的一个或者几个时隙。但是对于无线自组织网络来说，静态分配方式不能适应节点的移动和拓扑的变化；而在一个分布式多跳系统内，进行动态分配也还有很多问题需要解决，目前的研究多是针对基于某些假设或者某种应用背景的无线自组织网络，还没有普遍适用的方法提出。将CSMA/CA和TDMA结合，提高信道分配效率，减少冲突也是一种值得研究的内容。 多信道无线自组织网络，则需

7、要关注如何在节点间分配信道，以提高网络吞吐量，避免冲突，实现信道上的负载均衡。目前较多的做法是，将信道分为控制信道和数据信道，节点在控制信道中协商数据交换采用的数据信道，然后在相应的数据信道上进行数据通信。控制信道和数据信道的划分可能是时间上的，也可能是空间上的。比如，一个信道在某个时刻可能用作控制信道，协商好数据信道后，切换到相应的数据信道进行通信。也可能一个节点拥有几个接口，其中的一个接口固定工作在某个控制信道上，其他接口固定或者动态实用某个数据信道。不管是哪种方式，都需要占用一定的资源用于信道协商。这种占用是值得的，目前在多信道的理