RTS_CTS及隐藏终端与暴露终端问题

RTS CTS
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简介 RTS/CTS Threshold 隐藏终端和暴露终端 隐藏终端和暴露终端问题产生原因 隐藏终端和暴露终端问题解决方法
简介
RTS/CTS协议(Request To Send/Clear To Send)即 请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主 要用来解决"隐藏终端"问题
隐藏终端和暴露终端问题产生原因
隐藏终端”和“暴露终端”的存在，会造成 ad hoc网络 时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严 重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。 在ad hoc网络中，当终端在某一时隙内传送信息时，若其 隐藏终端在此时隙发生的同时传送信息，就会产生时隙 争用冲突。受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞 而不能正确的接收信息，造成发送端的有效信息的丢失 和大量的时间浪费（数据帧较长时尤为严重），从而降 低了网络的吞吐量。 当某个终端成为暴露终端后，由于它侦听到另外的终端 对某一时隙的占用信息，从而放弃了预约该时隙进行信 息传送。其实，因为源终端节点和目的终端节点都不一 样，暴露终端是可以占用这个时隙来传送信息的。这样 就造成了时隙资源的浪费。源自隐藏终端和暴露终端问题解决办法
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。
隐藏终端和暴露终端
“隐藏终端”（Hidden Stations）：在通信领域，基 站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送， 故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导 致发送至B的信号都丢失了。 “隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环 境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。 当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终 端”现象的发生。（在接收节点的范围覆盖范围内， 而在发送节点的覆盖范围外的节点。
RTS/CTS Threshold
RTS/CTS Threshold 设臵会影响性能 RTS/CTS Threshold范围：0～2346 字节 sta分布散乱和干扰严重的情况下需要启用rts/cts RTS/CTS Threshold高(2312 - 2346)=不启用 RTS/CTS Threshold低 =sta之间距离长,或sta处于运动 状态以及干扰比较大的时候 这个数据可以结合分片大小一起看 在查找吞吐量瓶颈的时候会有帮助
隐藏终端和暴露终端问题解决办法
功率控制方法 基于功率控制的方法是根据通信双方的距离、能 量损失因子等因素，决定最佳发送功率，控制发送范围，使受 干扰范围减到最小程度，从而消除部分隐藏终端和暴露终端问 题的一种策略。 在通信过程中，发送节点的发送功率经过传输过程中的种种损 耗，到达接收节点时，如果接收节点的接收功率不小于信干比 SINR （Signal to Interference plus Noise Ratio）．则正确接收 数据，否则丢弃。 一种基于802.11的功率控制MAC协议，数据发送者在RTS包中包 含自己的发送功率和容许接收功率，接收者通过计算接收到的 RTS包的功率，参照自己的剩余功率，将信息反馈给发送节点。 通过两个通信节点之间的控制信息的交换来决定数据包的实际 发送功率和限制其他邻节点的发送功率，这样邻节点可以使用 低于正在通信节点对之间能忍受的功率进行数据收发，达到与 正在通信节点对之间的并行通信，有效地降低隐藏终端和暴露 终端问题。 功率控制方法有效地节省了发送能量，但控制帧必须携带功率 信息，增加了帧长度，功率的计算也增加了计算量。
隐藏终端和暴露终端问题解决办法
基于定向天线的方法 由于全向发送接收模式对天线 覆盖范围内的其他节点产生了不同程度的干扰，而 定向天线由于天线的导向功能、自适应波束形成、 零陷形成等优势，能把发送接收波束限制在一定宽 度(不同于全向天线的360度覆盖)，使主波束直接对 准通信节点，在其他方向则形成零陷，因此增大节 点之间的连通度，使得干扰范围变小，隐藏终端和 暴露终端问题也得以大大减轻。但是由于天线的定 向性。也带来了定向隐藏终端和聋节点等新的问 题．而且会大大增加系统的复杂性及成本。
隐藏终端和暴露终端问题解决办法
IEEE802.11提供了如下解决方案： 在参数配臵中，若使用RTS/CTS协议，同时设臵传送上限 字节数，一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动 RTS/CTS握手协议： 当A要向B发送数据时，先发送一个控制报文RTS （Request to send，请求发送）；B接收到RTS后，以CTS （Clear to send，清除发送）控制报文回应；A收到CTS后 才向B发送报文，如果A没收到CTS，A认为发生了冲突， 重发RTS，这样隐发终端C能听到B发送的CTS，知道A要 向B发送报文，C延迟发送，解决了隐发送终端的问题。 最后，B接收完数据后，即向所有基站广播ACK （Acknowledge Character，确认字符）即确认帧，这样， 所有基站又可重新可以平等侦听、竞争信道了。
隐藏终端和暴露终端
暴露终端是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节 点的覆盖范围外的节点，暴露终端因听到发送节点 的发送而可能延迟发送。但是，它其实是在接收节 点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。这就 引入了不必要的延时
隐藏终端和暴露终端问题产生原因
由于ad hoc网络具有动态变化的网络拓扑结构，且 工作在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动 节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问 题 为了提高信道利用率，移动节点电台的频率和发射 功率都比较低；并且信号受无线信道中的噪声、信 道衰落和障碍物的影响，因此移动节点中的通信距 离受到限制，一个节点发出的信号，网络中的其他 节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和 “暴露终端“问题。
站点A
站点B
站点
NAV等待时间（延迟接入信道）
隐藏终端和暴露终端问题解决办法
当B向A发送数据时，C只听到RTS控制报文，知道自己是 暴露终端，认为自己可以向D发送数据。C向D发送RTS控 制报文。如果是单信道，来自D的RTS会与B发送的数据报 文冲突，C和D无法成功握手，它不能向D发送报文。因此， 在单信道条件下，暴露终端问题根本无法得到解决。 在单信道条件下使用控制分组的方法只能解决隐发送终 端，无法解决隐接收端和暴露终端问题。为此，必须采 用双信道方法，即用数据新到收发数据，利用控制信道 收发控制信号。
RTS/CTS访问机制
DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行信道预约
RTS/CTS访问机制工作原理
DIFS 源站点 SIFS SIFS 目的站点 DIFS NAV等待时间（CTS响应帧） 其他站点 NAV等待时间（CTS响应帧） 竞争期 数据包 选退 避 CTS SIFS ACK RTS 数据包
隐藏终端和暴露终端问题解决办法
多信道无线自组织网络，则需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 在多信道的理论分析结果说明，在合理设计的多信道条件下， 不仅可以提高整体网络容量，还可以提高每个信道的实际吞吐 量。但是这些研究多是基于静态的。开发一种基于拓扑结构的 算法，对信道资源进行动态分配，也是一个值得研究的问题。