主动碰撞解决Ad_Hoc网络隐藏_暴露终端问题的方法

举个例子来说明 ＡＣＭ（ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ） 主动碰撞方法。假如有 个餐厅仅有一张桌子， 如果有一家人去吃饭， 其他的人就不能去。以前的方 法就是尽量避免大家一起去的概率。而 ＡＣＭ 方法就是先派个人去看， 如 果有人就回来等餐厅的电话， 没人就先占位， 然后打电话通知其他人再去。
节点保持着监听模式。当收到有自己的 ＣＦ 帧时， 进入接收模式； 然 后发出 ＣＴＳ 帧， 准备接收数据。在这期间， 收到其他的 ＣＦ 帧则不进行处 理 。如 果 在 接 收 信 息 时 发 生 碰 撞 则 增 强 发 送 信 号 。如 果 是 在 发 送 了 一 个 ＣＴＳ 后 又 没 有 接 收 完 数 据 ， 则 准 备 接 收 数 据 ； 否 则 对 两 个 ＣＦ 进 行 仲 裁 ， 对一个发送节点发送 ＣＴＳ。 ２．４ 发送节点行为
Ｐ＝ｄ［／ （ ｒ＋ＡＣＫ＋ｄ ＋ＣＴＳ）（ １／ｍ＋１／ｖ） ＋ｘ］
（ ４）
但是当冲突避免无效时， 对于发送节点的发送效率 Ｐ 估计：
Ｐ＝ｄ［／ （ ２ｒ＋ＡＣＫ＋ｄ ＋ＣＴＳ）（ １／ｍ＋１／ｖ） ＋ｘ＋ｔ］
（ ５）
在这里 ｘ 是根据 ｔ 以及规避策略及其网络碰撞概率所决定的一个变
量， 并且一般 ｘ 都要比 ｔ 大 ２ 倍。网络的规模以及选择规避策略对于网络
３ ＡＣＭ 的效率分析
在无线通信中， 有几个软件是常用的： ＯＰＮＥＴ， ＮＳ２， Ｍａｔｌａｂ 等等， 但 是这些软件归根到底就是对一些规则的计算。为了达到这些规则， 就必 须 去 建 立 一 个 符 合 这 个 软 件 的 模 型 。而 这 些 软 件 的 本 身 所 提 供 的 模 型 库 完全不能符合这个新方法的要求， 而编写一个这样的模型的工作量相当 于重新开发一套这种仿真软件。因此从最直接的手段入手， 直接计算方 法的效率不但简化了建模的复杂度， 同时更能灵活客观地体现其价值。
无 线 网 络 ， 以 ＩＥＥＥ ８０２．１１ 体 系 中 所 使 用 ＣＳＭＡ／ＣＡ， 利 用 各 种 办 法 去消除碰撞概率， 在开销上就多出了一个概率计算的消费。
２ ＡＣＭ 详细设计
主 动 碰 撞 方 法 ＡＣＭ 是 一 种 利 用 通 信 中 产 生 的 碰 撞 的 反 馈 ， 主 动
图 １ ＣＳＭＡ／ＤＡ 流程图
科技情报开发与经济
ＳＣＩ－ ＴＥＣＨ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＆ ＥＣＯＮＯＭＹ
２００８ 年 第 １８ 卷 第 １０ 期
文章编号： １００５－ ６０３３（ ２００８） １０－ ０１５７－ ０３
收稿日期： ２００８－ ０２－ ０６
主动碰撞解决 Ａｄ－ Ｈｏｃ 网络隐藏／暴露 终端问题的方法
忙音检测法需要在传输信道中另加一条忙音信道， 告诉相邻的节点 自己正在接收数据， 从而避免隐藏终端的问题； 空分多址法对于节点位 置需要准确的定位； 轮询法对于主节点负载以及轮询算法的设计都提出 了很高的要求。在这些方法中， Ａｄ－ Ｈｏｃ 网络还是倾向于 ＣＳＭＡ 方法。首 先， ＣＳＭＡ 方法较为容易实现， 而且以太 网 中 也 是 用 这 种 方 法 来 解 决 多 路访问中竞争的问题。
主 动 碰 撞 方 法（ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ， ＡＣＭ） 在 类 似 于 ＭＡＣＡ 协 议 的基础上， 添加了一个碰撞记录队列， 就可以在发送 ＡＣＫ 的同 时 实 现 ＰＣＦ 的功能。而且可以在一定程度上实现 ＱｏＳ 的功能。
１ ＡＣＭ 设计思想
在新方法中， 是要积极地对付隐藏终端所带来的碰撞， 从碰撞的反 馈来采取行动， 而不是尽量去设计避免算法。
（ １）
（ ２） 发送 ＣＦ 后与隐藏终端的 ＤＡＴＡ 帧 碰 撞 。 按 最 坏 估 计 ， 当 ＤＴＡＴ
快发送完毕时， 发生碰撞。
Ｐ＝ｄ［／ （ ｒ＋ＡＣＫ＋２ｄ＋ＣＴＳ）（ １／ｍ＋ ＣＦ 帧碰撞。在这里我们需要另一个假设，
假 设 碰 撞 节 点 的 仲 裁 时 间 忽 略 不 计 。这 个 时 间 仅 仅 指 计 算 由 哪 个 节 点 发
（ ２） 每个无线节点都一样， 其工作环境一致。由于无线节点受到外界 １５７
王亦飞， 顾炳根， 李一川， 王 挺 主动碰撞解决 Ａｄ－ Ｈｏｃ 网络隐藏／暴露终端问题的方法
本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 信息技术
环境的影响很大， 这个假设可以保证无线节点所得到的覆盖范围及其一 个数据包的发送接收时间一致。从现实角度考虑， 这是不可能的， 但是不 会影响 ＡＣＭ 的评估数据， 同时可以简化其评估的复杂度。
若发送数据时碰撞， 则等待碰撞信号结束后直接发送数据， 直至收 到 ＡＣＫ。 ２．５ ＱｏＳ 优先级的实现
根据 ＱｏＳ 所提供的优先级， 在 ＡＣＭ 中， 可以把信息分为两类优先级 来服务： 高优先级与低优先级。在高优先级中， 后到的信息要比先到的信 息优先级高； 在低优先中， 先到的优先级要比后到的优先级高。当要发送 一个高优先级信息时， 可以连续多个 ＣＦ 帧通知相邻节点要占用信道， 并 且这时相邻节点暂停了相关的发送。等到高优先级信息发送完毕后， 发 送 ＡＣＫ 来恢复相邻节点的数据通信。
使用是否有效为 ｘ 带来了很大的不确定性， 同时决定了 Ｐ 的大小。
４ 结论和进一步的工作
通 过 上 面 公 式 的 对 比 ， 保 守 地 建 立 概 率 模 型 ： 式（ １） 的 情 况 不 发 生 ； 式（ ５） 的情况不发生。经过近似计算， 式（ ２） 和式（ ３） 出现的情况以近似比 例（ ｘ－ ｔ） ／ｔ 与式（ ４） 出现情况的效用相当， 因此可以推断出 ＡＣＭ 方法要比 ＣＳＭＡ／ＤＡ 更加有效。当然这个效用的比较是有条件限制的。
图 ２ ＡＣＭ 流程图 地 、自 觉 地 采 取 措 施 从 而 规 避 了 隐 藏 终 端 所 产 生 的 问 题 。 其 流 程 图 见 图 ２。 ２．１ 几个假设
（ １） 假设在通信的过程中， 无丢包出现， 并且传输数据无误。在无线 通信过程中， 丢包率和误码率会非常高。但是， 在 ＡＣＭ 中并不考虑这些 问题， 这个通过其他的机制去实现。当然， 信道的好坏问题对于其他的多 路访 问 技 术 也 有 相 似 的 影 响 ， 在 要 求 可 靠 性 的 ＱｏＳ 中 ， 一 般 使 用 的 是 错 误重传。而对于多路访问技术的比较， 重传信息所带来的开销差异是相 对小的， 其原因是它们都是从 ＭＡＣＡ 中继承过来的。因此这个假设对于 多路访问技术的比较结果的印象是可以忽略的。
当有数据发送时， 节点首先监听信道。如果信道空闲， 就直接发送 ＣＦ 帧； 或者有信息但接收节点不是自己的一跳节点， 则说明接收方是个 暴露节点， 可以认为信道空闲， 直接发送 ＣＦ 帧。
当收到 ＣＴＳ 后就 可 以 发 送 数 据 ， 如 果 这 时 碰 撞 ， 则 等 待 碰 撞 节 点 的 仲裁。仲裁允许发送信息后从起始重新开始。
ＡＣＭ 的效率分析， 使用的是发送效率来评价 ， 即 发 送 一 个 数 据 包 与 这个发送周期的比值。通过一个计算公式来衡量其效率为： Ｐ＝数据／成功 发 送 数 据 所 占 有 的 时 间 。这 里 成 功 发 送 数 据 所 占 有 的 时 间 是 指 在 发 送 了 数据前发送 ＣＦ 帧开始到收到 ＡＣＫ 为止。
如果要完全解决 Ａｄ－ Ｈｏｃ 网络中的隐藏终端问题， 有两种方法： 一是 监听范围是发送接收范围的 ２ 倍， 这个方法在实现上比较困难， 而且会浪 费大量的网络资源。二是使用类似于点协调功能的无竞争服务， 这个方法 类似于令牌网， 有效地阻止了隐终端带来的危害； 但是， 缺点也是会浪费大 量的网络资源， 而且要增加的一个协调模块会带来网络的不稳定性。
无线网络的隐藏终端问题不容易解决的原因主要是由于无线节点大 部分都使用的是半双工机制。当使用多信道， 例如把 ＲＴＳ－ ＣＴＳ 机制中的控 制信号和数据信号的信道分开， 那么隐藏终端问题也就容易解决； 另外， 当 监听信道的覆盖范围是数据传输信道的覆盖范围 ２ 倍时， 隐藏终端也就不 存在了。但是这两种解决方案都在资源利用率上存在较大的浪费。
关键词： 隐藏终端； 暴露终端； ＣＦ 帧； ＡＣＭ
中图分类号： ＴＰ３９３
文献标识码： Ａ
在 Ａｄ－ Ｈｏｃ 网络中， 隐藏终端和暴 露 终 端 所 带 来 的 问 题 是 非 常 严 重 的。吴笑萍给出了几种消除隐藏终端的方法： ＭＡＣＡ， ＭＡＣＡＷ， ＦＡＭＡ 等 多种方法。这些方法都是基于 ＣＳＭＡ 的， 并且在 ＣＳＭＡ 的基础上加入了 一些控制报文来实现的。比如 ＲＴＳ 和 ＣＴＳ 以及 ＤＳ 和 ＡＣＫ 控制报文。在 文献［ １］ 中， 详细描述了这些引入了双信道的 ＣＳＭＡ 方法， 同时还有介绍 了忙音检测法和空分多址法。在文献［ ２］ 中， 还介绍了轮询法。
数据。
Ｐ＝ｄ［／ （ ｒ＋ＡＣＫ＋ｄ＋ＣＴＳ）（ １／ｍ＋１／ｖ） ＋ｔ］
（ ３）
在 ＣＳＭＡ／ＤＡ 中 ， 假 设 ＲＴＳ 为 ｒ、传 输 速 率 为 ｍ、无 线 节 点 的 接 收 速
率为 ｖ、ＤＡＴＡ 帧长为 ｄ、碰撞 扩 大 信 号 持 续 为 ｔ， 对 于 发 送 节 点 的 发 送 效
率 Ｐ 估计：
（ ３） 当由路由协议选定路径后， 不是轻易能改变的， 路径有一定的稳 定性。这一点是仅仅保证 ＣＦ 帧的碰撞不更改路径。负载平衡等其他方面 的原因， 由其他机制或 ＱｏＳ 机制去实现， 在这里不再考虑。
（ ４） 还 有 一 些 假 设 是 做 无 线 网 络 研 究 中 一 些 通 用 的 假 设 ， 这 些 假 设 在文献［ ３］ 中都有介绍。 ２．２ 相关术语
（ ２） ＣＴＳ（ Ｃｌｅａｒ ｔｏ Ｓｅｎｄ） 发送清除信道帧： 它由接收节点发出， 发送节点 收到给自己的 ＣＴＳ 帧才能发送数据。当都是 ＣＦ 发生碰撞时， 要仲裁由哪 一个 ＣＦ 的发起者发送数据。这样就提供了一种 ＰＣＦ 无竞争的协调功能。