定向天线在Ad Hoc网络中的设计与应用

定向天线在Ad Hoc网络中的设计与应用
刘罗仁
【摘要】定向天线可以有效提升Ad hoc网络路由协议和接入控制的性能,但同时也带来了一些新的问题;针对"隐藏终端"和"听不见"问题,文中设计两种新的协议:SDR-MAC协议和NDDMAC协议;最后,对NDDMAC协议进行仿真,结果表明,NDDMAc总的网络吞吐量优于现有的ORTS-OCTS协议和DMAC协议,有效提升了Ad hoc网络的整体性能.%Directional antennas can enhance the Ad hoc network routing protocols and access control performance, but also brought some new problems. For the "hidden terminal" and "hear" the problem, we design two new agreements: SDR - MAC protocol and NDDMAC a-greement. Finally, NDDMAC protocol simulation results show that, NDDMAC total network throughput than the existing ORTS - OCTS agreement and DMAC protocol, effectively improving the overall performance of Ad hoc networks.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2011(019)006
【总页数】4页(P1469-1471,1483)
【关键词】定向天线;Ad hoc网络;媒体访问控制(MAC)协议
【作者】刘罗仁
【作者单位】娄底职业技术学院,湖南,娄底,417000
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
0 引言
Ad hoc网络是由若干移动站点在不依赖任何固定网络基础设施条件下组成的无线多跳自生成、自适应网络。

在军事、法律执行、灾害营救等方面具有广泛的应用前景。

近年来，Ad H oc网络日益成为一个非常活跃的研究领域。

当前，无线数据传输技术大都基于全向天线模式[1-2]，包括标准的IEEE802.11在内的大多数媒体接入控制 (M AC)协议也都采用了这些技术。

但是，在全向模式下，信号的电磁能量空间覆盖范围广，只有一小部分能量到达预定的接收机;而在定向天线模式下，信号能量在预定的方向上得到加强，在其他方向上得到消弱，提高能量利用效率。

因此，定向天线应用于A d hoc网络中有两个优点:一是在同一邻近区域可进行多重传输，提高空间利用率;二是定向传输增强了接收机方向上信号能量，扩大了通信覆盖范围。

这两个优点使得信道容量有了极大的提高。

但也带来了一些新问题，如加剧隐藏终端，产生“听不见”问题等，因此，需要设计一种新的既能充分利用定向天线的长处，又能克服相应问题的MAC协议。

1 应用定向天线对MAC协议的影响
虽然Ad hoc网络配置定向天线有提高信道复用率、增大传输范围等优点，但同时也带来了一些新的问题，如加剧隐藏终端问题[3]，产生“听不见” 问题。

本节分析引入定向天线对Ad hoc网络M AC协议[4]的一些影响。

1.1 隐藏终端问题
在多跳无线网络中是通过交换RTS/CTS控制帧解决隐藏终端问题的，如MACA 和802.11.但是RTS/CTS交换是全向发送的，定向发送 RTS/CTS会引入两种新的
隐藏终端问题。

(1)由于增益的非对称性引起的隐蔽站问题:
图1 一个例子场景
如图1所示，假设节点都空闲(处于全向模式)，且增益为Go。

B向F发送一个定
向的RTS(DRTS)，F回应一个定向CTS(DCTS)。

假设A(仍处于全向模式)距离F
足够远，以至于听不到DCTS，然后B开始向F定向发送数据，且接收和发送波束的增益均为Gd。

A不能侦听到这一发送。

当B与F通信时，假设A要向E发送分组，A用一个指向E的定向波束(增益为Gd)侦听信道，发现信道空闲。

于是A向
E发送DRTS，但是F正在用一个指向B的增益为Gd的波束接收数据，则A发的DRTS会干扰F接收B发送的数据。

即当发送站的增益为Gd，接收站的增益为
Go时，它们不在彼此的通信范围内，但是如果发送与接收增益均为Gd(Gd＞Go)时，它们就在彼此的通信范围内了。

(2)由RTS/CTS引起的隐藏终端问题:
如图1所示，假如E正向D发送一个分组，这时B向F发送一个RTS，F回应一
个CTS。

E虽然在F的发送范围内，但它不会收到F发的CTS，因为它的波束正
指向D。

B收到CTS后，开始向F发送数据。

这时E与D通信完毕，E也想向F
发送数据。

E的DNAV表(定向网络分配矢量表)显示它指向F的方向空闲，而且经过物理载波侦听后，也认为信道空闲。

于是它向F发RTS，在F处会发生碰撞 (因为F正用一个指向E的波束接收数据)。

这种情况在全向发送下不会发生。

这也说
明当使用定向天线时，在空间复用和碰撞避免之间存在一个折中。

1.2 “听不见”问题
如图1所示，假如E正向B发送数据，C想向E发送分组。

但C不知道E在与B
通信(因为E使用的是定向发送)，于是C向E发送RTS。

由于E正将波束指向B，所以E不接收RTS。

节点C由于没收到E回应的CTS，就重发RTS，一直达到重
发门限。

这样会使网络容量产生不必要的浪费。

而且C在每次重发失败后增加它的退避间，这会造成不公平性。

当E的波束指向B时，E听不见C发来的信号，这种现象被叫做“听不见”问题。

2 Adhoc网络中设计定向天线MAC协议
在Adhoc网络引入定向天线后，需要设计一种相应的MAC协议。

该协议应既能充分发挥定向天线的优点，又能有效地解决由此带来的问题。

2.1 顺序定向RTS发射的MAC协议(SDR-MAC)
顺序定向 RTS发射 MAC协议 (SequentialDirectional RTSMAC，SDR-MAC)实质上是在IEEE802.11的基础上的改进，比较容易实现。

该协议有以下几个要点:一是只利用定向传输增大覆盖范围;二是通知邻近节点进行传输延迟以免影响正在进行的传输;三是不用预先知道任何邻节点的位置信息，也不依赖于任何来自上层的定位信息。

它利用D-NAV (TheDirec-tionalNAVTable)[4]机制，给出一种更加容易实现的维护邻节点位置信息的机制。

图2 一个带有M单元定向天线的节点
(1)顺序定向RTS发射:
假定用M单元定向天线覆盖发射节点周围区域 (图1)，并从波束1开始发送 RTS 包，稍后转到波束2发送相同的RTS，直到波束M发送RTS包。

在RTS包中包含了四握手机制的时长。

由于RTS包的发送覆盖了节点周围的所有区域，所有邻近节点都被告知了即将进行的传输。

邻节点在执行了一个简单的算法后，决定是否需要对自己的传输进行延时，这样就减少了隐藏终端的问题。

(2)SDR-MAC协议算法:
为支持SDR-MAC协议，IEEE802.11中几个时段需要做必要的更改。

假定A为发射点，B为接收点。

①节点B要在节点A发送完所有RTS(把它称为一圈RTS发送)之后发送CTS，收
到RTS后B的等待时间T(在 802.11中是SIFS)按下式计算:
图3 隐藏终端问题
式中，k=M-A为波束号，RTS.trans.time表示发送一个RTS帧的时间。

在时间T 内节点B锁定为“等待发送”状态，而会忽略其他包的接收。

②每一个空闲节点监听信道的时间更改为M倍RTS帧传输时间，而不是802.11中的DIFS。

③RTS帧中“持续时间(Durationperiod)”字段的值随着顺序RTS包的发送而递减。

在802.11中“Durationperiod”计算如下:
Duration period = RTS.trans.time + SIFS +
CTS.trans.time+SIFS+Data.trans.time
+SIFS+Ack.trans.time
在SDR-MAC协议中，上式RTS.trans.time改为Circular.RTS.trans.time，这时Circular.RTS.trans.time的计算依赖于发送的波束。

对于第一个波束:
Circular.RTS.trans.time=(M-1)*RTS.trans.time对于第二个波束:
Circular.RTS.trans.time=(M-2)*RTS.trans.time，以此类推。

④如果节点A的D-NAV使A不能向某个方向发送RTS，A会在相应的持续时间内对该方向上“保持沉默”。

2.2 解决“听不见”问题的NDDMAC协议
NDDMAC协议采用基于802.11DCF方式的MAC机制，结点可以工作在全向和定向模式下。

在全向天线中，结点会在RTS/CTS或数据分组中宣告当前的通信还将占用媒质多长时间，收到分组的邻居结点会据此建立一个特殊的定时器，称为网络分配向量 (NAV，NetworkAllocationVector)。

在定向天线中，为了最大化空
间重用，退避只需在固定方向上进行，也就是说需要在各个方向上建立NAV，称
为定向网络分配向量(DNAV，DirectionalNAV)。

在NDDMAC中，每个结点都
维护一张DNAV列表，空闲时结点工作在全向模式下，当收到目的地不是自己的RTS/CTS或数据分组时，首先判断分组来自哪个方向，然后根据分组中的信息建
立DNAV，将方向和这个DNAV都记录在DNAV列表中。

也就是说，结点在每
个方向上都建立了一个定时器，在定时器超时之前，结点不被允许在该方向发送分组，而在那些“空闲”的方向上是可以发送分组的。

这样就解决了原来使用全向
天线的802.11协议中，暴露终端可以发而发不出，隐藏终端可以收而收不到的问题。

并且由于通信过程中的定向性，此时的暴露终端也可以在其它方向上进行接收，隐藏终端也能在其它方向上发送，而并不会干扰到当前通信或被当前通信干扰。

如图3所示，在定向模式下，当结点A向结点B发送数据时，结点C是一个隐藏终端，结点D是一个暴露终端。

隐藏终端C由于收到了结点B的CTS，会在相应的方向上设置DNAV，除了该方向，结点C可以在其它方向上任意收发而不会产
生冲突或干扰。

同理暴露终端D也能收到A的RTS，设置DNAV。

这样就大大提高了空间的重用。

然而随之而来的一个问题就是“听不见”问题，假如结点C此
时有分组往结点A发送，结点A是无法察觉，不会应答的，这将导致结点C不断增加RTS的退避窗口。

“听不见”问题的主要影响是使结点进行长时间不必要的退避，造成不公平性。

有两种方式可以解决，一是由结点在通信完毕主动通知邻居结点重置退避窗口。

二是由结点主动检测是否发生了“听不见”问题。

图4 DNAV与空间重用
(1)忙音解决听不见问题:在NDDMAC中，由于定向发送RTS，结点A在通信开始时不会通知结点C退避。

但是在结点A和结点B通信完毕后，A和B均会发出一个全向的忙音信号，持续两倍的最大传播时延的时间，通知周围的邻居结点重置
RTS退避窗口。

所有收到这个忙音信号的结点均会将自己RTS分组的退避窗口恢
复到初始状态。

正在退避计时的结点会停止退避，然后重新计时。

如图4所示。

这样一来，假如结点B在与结点A通信完毕后要和结点C竞争接入结点A，结点
C也不会处于劣势，实现公平竞争。

忙音信号可以采用通信频段上的一个固定频点，使结点能够很容易识别出来。

图5 忙音解决听不见问题
(2)计数解决听不见问题:考虑到发生“听不见”问题的结点有可能恰好正在发送RTS状态而错过接收重置忙音或者没有正确接收到忙音信号，如图5，对重发 RTS 进行计数，RTS发送次数超过一个阈值则重置退避窗口，这样结点就不会因为错
过忙音而继续增加退避窗口。

与忙音机制被动的解决“听不见”问题不同，结点可以主动发现和解决“听不见”问题。

图6 计数解决听不见问题
3 NDDMAC协议的仿真与性能分析
为了进一步分析性能，我们使用仿真工具NS-2[5]模拟网络的数据传输过程，分析不同协议网络的吞吐量特性，对所设计的NDDM AC协议与现有的ORTS-OCTS
协议和DMAC协议进行性能比较。

图7 ORTS-OCTS、DMAC和NDDMAC的总吞吐量比较
从图6我们可以看到，当分组发送速率较小时，网络总吞吐量与分组发送速率成
反比。

随着分组发送速率增大，网络总吞吐量趋于一个较为稳定的值。

这是因为我们设计的业务流考虑了最大化可能产生的冲突，当分组发送速率较小时，网络中各结点之间的相互冲突也较小，随着分组发送速率提高，冲突也随之增多，结点更多时间处于退避状态，从而使吞吐量降低。

DM AC的网络总吞吐量在开始时由于听不见等问题的影响，吞吐量不如ORTS-OCTS，随着分组发送速率提高，网络总吞吐量减小到一个比较稳定的值，稳定的吞吐量稍优于ORTS-OCTS，而NDDMAC
总的网络吞吐量则远远优于前两个协议。

这是因为NDDMAC中，结点获知邻居
方位后就可以实现完全的定向通信，因而最大化了频谱的空间重用。

结果显示，NDDMAC协议大大提高了网络的吞吐量，改善了结点接入的公平性。

4 结束语
本文对Ad hoc网络中基于定向天线的MAC协议进行了研究。

分析了定向天线应用于A d hoc网络对MAC协议设计带来的影响;然后，针对“隐藏终端”问题和“听不见”问题，设计了SDR-MAC和NDDAMC两个基于定向天线的MAC协议。

SDR-MAC协议利用定向发射采用一种新的RTS广播机制，因此增大了通信
覆盖范围，同时采用一种简单而有效的通知机制，使邻近节点可决定是否需要延迟，从而大大减少了隐藏终端的问题。

NDDMAC协议则同时提供了主动和被动解决“听不见”问题的机制。

最后，在NS-2中实现了NDDMAC协议，并与已有的
协议进行性能比较，结果表明，NDDMAC可以使得网络获得更高的吞吐量，提升了Ad hoc网络的整体性能。

参考文献:
【相关文献】
[1]IEEE Standard 802.11 Part 11:W ireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications[S]. IEEE，1999.
[2]Karn P.MACA——A new channel access method for packet radio [A].Proc Nin th ARRL Compu ter Netw orking Conf[C].1990.
[3]Choudhu ry R R，Yang X，Ramanathan R，et ing directional an-tennas for medium access control in Ad hoc netw orks[A]. ProcACM MobiCom[C].2002.
[4]唐箭，虢莉娟，温卫.基于改进遗传算法的无线Ad H oc网络路由技术[J].计算机测量与控制，2008，(8):1123-11244
[5]Liberti JC，Rappaport T S.，无线通信中的智能天线——IS-95和第3代CDMA应用[M].马凉，等译，北京:机械工业出版社，2002.。