短距离无线通信第5章无线自组织网

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动 终端组成的一个多跳的临时性自治系统。
--移动终端：兼备路由器和主机两种功能，可以通过无线连接构成 任意的网络拓扑
--多跳：由于节点发射功率有限，故无线传输范围受限，无法直接 通信的节点通过中间节点转发实现通信
--临时：战地通信、灾后营救、野外作业、临时集会等 --自治：没有严格的控制中心，所有节点通过分层的网络协议和分
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Ad Hoc 网络
Ad Hoc 基本介绍及研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法（略） 节能问题 QoS保障（略）
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节点结构
Ad Hoc网络的节点分为主机、路由器和电台 三部分。
--主机：普通移动终端的功能 --路由器：维护网络拓扑结构和路由信息，完成报文转发 的功能 --电台：为信息传输提供无线信道支持
通 过增加簇的个数和网络的级数来增大规模。
2、很强的抗毁性，因为簇头节点可以随时选举产生。 3、使路由信息局部化，减少路由协议的开销，提高系统
吞吐量，容易实现全网的局部同步。 4、节点定位比平面结构简单。 5、结合了无中心和有中心模式。
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Ad Hoc的网络结构
分级结构的Ad Hoc网络 缺点：1、要有簇头选举算法，增加计算复杂性。
无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果 发生碰撞。
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隐终端(Hidden Terminal)问题
隐终端问题会引起报文冲突，从而影响信道利用率
在单信道条件下，隐发送终端问题（不能发送任何 消息）可以用握手机制部分解决；但隐接收终端问 题（通知发送者自己是隐终端）无法解决，即无法 告诉发送者自己是隐终端，而发送终端无法收到目 标接收者的CTS，不能确定其是隐终端或者是没有 开机，只能重新发送RTS。
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Ad Hoc的特点
由移动性引起的：无中心、自组织、 生存时 间短
由终端引起的：多跳路由、拓扑动态变化、携 带方便、能源受限
由信道引起的：带宽较窄、无线信道质量差
广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有 其一跳相邻节点可以听到
总体：无基础设施支持、自动配置、健壮、安 全性 差、路由选择维护困难
分级结构的Ad Hoc网络
1、网络划分为一到多个簇(cluster)，每个簇由一个簇头和多个 簇成员组成。 2、簇头形成高一级的网络，又可以再分簇，再组成更高一级 的网络。 3、簇头可以指定，也可以由节点使用算法选举产生。 4、为了实现簇头间的通信，要有网关节点支持。网关节点指 同时位于两个簇头通信范围内的节点。 5、簇头和网关节点形成高一级的网络，称为虚拟骨干网(VBN)
多频分级结构
1、不同级使用不同的频率通信 2、高级节点同时处于多个级中，使用
多个频率，以实现不同级的通信。
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Ad Hoc网络的协议栈
由于TCP/IP已成为事实上的网络互联标准，Ad Hoc网络的 体系结构应基于TCP/IP体系结构，并根据自身特点进行必 要的简化、修改和补充。
为了获得较高的系统性能，即适应Ad Hoc网络动态变化， 节能，满足QoS保证，需要采用基于应用和网络特征的跨 层体系结构。
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Ad Hoc网络的节点结构
从物理结构分：
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Ad Hoc的网络结构
拓扑可变的网络包含四种基本结构：
1、中心式控制结构 集中式控制结构 2、分层中心式控制结构
（普通节点设备简单，中心控制节点设备复杂， 有较强的处理能力，负责路由和实施流量控制）
3、完全分布式控制结构（平面结分构布）式控制结构 4、分层分布式控制结构（分级结构）
终端，认为自己可以发送数据。C向D发送RTS，D发送回C的CTS 会与B发送的数据报文在C处冲突，C永远听不到D的CTS。C不但 没向D成功发送数据，反而重发了许多无用的RTS。
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暴露接收终端问题
如图：单信道条件下，B向A发送数据时，D要向暴露终端C
发送数据。D的RTS会与B的数据在C处冲突，C收不到来自D的 RTS，所以D也就收不到C的CTS，D就超时重发RTS。
地对地导弹等） 2、地雷迅速构成移动Ad Hoc网络 3、遭到敌方坦克突破后，地雷通过对拓扑结构的自适应判断和自身兼
备的自动弹跳功能迅速“自愈”，重新构建网络，对敌方坦克实施 阻拦。 4、如此多次反复，直到网络无法重构，系统自行引爆
作用：限制敌军机动能力，延缓敌军进攻或撤退速度，在一定时间内
封锁特定区域。
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Ad Hoc 网络
Ad Hoc 基本介绍及研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法（略） 节能问题 QoS保障（略）
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Ad Hoc网络的信道接入协议
运行在物理层上，是所有报文在无线信道上发 送和接收的直接控制者，它的性能好坏直接关 系着信道的利用效率和整个网络的性能。
2、不一定能使用最佳路由，因为簇间信息都要经过簇头 寻路。
3、簇头作为集中转发点可能会成为新的网络瓶颈。
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Ad Hoc的网络结构
分级结构的Ad Hoc网络
信）
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单频分级结构（所有节点使用同一频率通
（根据硬件配置不同分类，还有多频分级结构）
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Ad Hoc的网络结构
分级结构的Ad Hoc网络
该协议允许一次RTS-CTS成功握手后连续发送 多个数据报文，以提高信道利用率。
采用载波监听机制，并通过增加CTS控制报文 的长度来消除隐发送终端的影响。
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双信道接入协议
用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。两个信道 分别为控制信道和数据信道。
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暴露终端(Exposed Terminal)问 题
与隐终端相对的现象：它在发 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。
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暴露发送终端问题
如图：单信道条件下，B向A发送数据时，C知道自己是暴露
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暴露终端(Exposed Terminal)问题
事实上B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送 数据。 而当C 检测到媒体上有信号，就不敢向 D 发送数据，所以就引入了不必要延迟。
暴露发送和接收终端问题在单信道条件下 使用握手机制都无法解决。
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信道接入协议应具备的特性
高空间复用度 避免报文间的冲突 提供冲突解决的方法 硬件无关性
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Ad Hoc的网络结构
分级结构的Ad Hoc网络 簇头：1、维护到达其他簇的路由信息，负责簇间数据的转发。
2、知道网络中所有节点与簇的所属关系，知道所属簇成员 的位置。
簇成员：不需要维护复杂的路由信息
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Ad Hoc的网络结构
分级结构的Ad Hoc网络 优点：1、良好的可扩充性，网络规模不受限制。可以简单的
冲突，就没有必要延迟发送。 --ACK用于LLC的确认，没有得到ACK确认的数据报文将会 被重发。
冲突解决采用MILD(Multiplicative Increase Linear Decrease)退避算法和退避计数器拷贝等技术取 代BEB，实现公平接入。
也没能很好的解决隐终端和暴露终端问题。
目标：通过使用控制报文，尽量减少甚至消除数据报文的冲突，
即设计合适的冲突避免策略
典型的Ad Hoc单信道接入协议：MACA
MACAW IEEE802.11DCF FAMA系列 MACA-BI
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MACA( ) Multiple Acess Collision Avoidence
采用RTS-CTS握手机制 --隐终端：听到CTS没有听到RTS --暴露终端：听到RTS没有听到CTS
3、节点覆盖范围小，相对较安全。
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Ad Hoc的网络结构
平面结构的Ad Hoc网络 缺点：1、在节点数目很多，特别是在节点大量移动的情况下，
控 制开销大，路由经常中断，很难实施集中式的网络管理 和控制。
2、扩充性差，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的 路由，所以网络规模受限。
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Ad Hoc的网络结构
布式算法协调各自的行为
Ad Hoc网络可独立工作，也可以末端子网的形 式接入现有网络，不适于作为中间承载网络。
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典型的Ad Hoc网络结构
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Ad Hoc 的一个应用例子：
自愈式雷场系统
系统采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。
具体：1、将地雷配备无线通信与自组织联网单元，通过某种方式布撒（飞机、
第五章 Ad Hoc网络
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Ad Hoc 网络
Ad Hoc 基本介绍研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法（略） 节能问题
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Ad Hoc 基本介绍
“Ad Hoc” 一词源于拉丁语，意为“For the specific purpose only”, 即:特别的，临时的。
Tip:可以将信道与公路联系：公路要容纳 很多的车（空间复用），防止相撞，撞车
了要可以进行处理，对上路的车无特殊要 求。
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信道接入协议的分类
基于单信道的接入协议 基于双信道的接入协议 基于多信道的接入协议
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基于单信道的接入协议
用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的 控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和 接收。
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IEEE802.11DCF
采用RTS-CTS-DATA-ACK报文交互机制。
--当数据报文较短时，可以直接采用DATA-ACK的简单报文交 互以提高效率；当报文较长时为减少冲突使用RTS-CTS来预约信 道。