超短波自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)論文(PDF 89頁).pdf

電子科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 姓名 龍華 申請學(xué)位級別 碩士 專業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 指導(dǎo)教師 毛玉明 20060601 摘要 摘要 與通常的有線通信網(wǎng)絡(luò)不同 無線自組織網(wǎng)絡(luò)可以在沒有預(yù)先布設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施 的條件下方便而迅速地組網(wǎng) 無線自組織網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)是無線自組織網(wǎng)絡(luò) 的關(guān)鍵技術(shù)之 實現(xiàn)基于T C P I P 協(xié)議 具有自組織能力的超短波自組織網(wǎng)絡(luò)是國家8 6 3 課題 研究的主要目的 與傳統(tǒng)的W L A N 不同 本網(wǎng)絡(luò)采用跳頻傳輸技術(shù)和靜態(tài)T D M A 介質(zhì)訪問控制技術(shù) 這種F H T D M A 傳輸體制 有利于保證通信節(jié)點(diǎn)的可靠性和 抗干擾性 易于實現(xiàn)變動環(huán)境的自組織組網(wǎng) 但F H T D M A 傳輸體制的特性和缺 陷 對超短波信道鏈路層協(xié)議的設(shè)計提出了特殊的要求 引入了新的問題 本論文設(shè)計了一種捎帶傳輸技術(shù)的鏈路層協(xié)議 該協(xié)議不僅能有效減少網(wǎng)絡(luò) 層自組織協(xié)議和鏈路層相關(guān)短幀的單獨(dú)出現(xiàn) 并且在傳遞數(shù)據(jù)的過程中 保持相 對較小且穩(wěn)定的開銷 同時實現(xiàn)鏈路維護(hù) A R P 抑制 H e l l o 抑制 兩跳拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)感知等功能 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制采用F H T D M A 方式 具有固定幀長 定 時傳輸?shù)奶攸c(diǎn) 超短波自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議利用這一特點(diǎn) 采用捎帶域的方法 進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計 有效地解決了短幀降低超短波自組織網(wǎng)絡(luò)性能問題 并在L i n u x 操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了捎帶傳輸技術(shù)的鏈路層協(xié)議 在實驗環(huán)境下對協(xié)議的性能進(jìn)行 測試 驗證了協(xié)議的有效性 關(guān)鍵詞 超短波信道 超短波介質(zhì)訪問控制 超短波鏈路層協(xié)議 捎帶傳輸 A B S T R A C T A B S T 隊C T D i f f e r i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st h a tw ek n o w W i r e l e s s S e l f O r g a n i z i n gN e t w o r kc a nb ed e p l o y e dr a p i d l ya n dc o n v e n i e n t l yw i t h o u te x i s t i n g n e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e T h ew i r e l e s sl i n kI a y e rp r o t o c o li so n eo ft h ek e yw i r e l e s s s e l f o r g a n i z i n gn e t w o r k ss t u d y i n g T oi m p l e m e n tam u l t i h o pw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hc a p a b i l i t yo f s e l f o r g a n i z i n gi st h ep r i m a r yp u r p o s eo f t h eP r o g r a m T h eS y s t e md i f f e r i n gf r o mt h e M A N E T i td e s i g n sah i e r a r c h i c a lw k e l e s sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e T h en e t w o r ku s e s f r e q u e n c yh o p p i n g F H a tp h y s i c a ll a y e ra n ds t a t i c T D M Aa tM A Cl a y e r T h e c h a r a c t e r i s t i c so fF H T D M Ab r i n gf o r w a r ds p e c i a lr e q u e s t so nd a t al i n kl a y e r T h ep a p e rd e s i g n san e wd a t al i n kl a y e rp r o t o c o lu s i n gp i g g y b a c kt r a n s p o r t i n g t e c h n i q u e T h ed e s i g ne f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h ea p p e a r i n go fs h o r tp a c k e t s o nt h e c h a n n e l f u r t h e r m o r e w i t hs m a l la n ds t a b l es p e n d i n g i tr e a l i z e sl i n km a i n t e n a n c e A R P r e s t r a i n t o p o l o g yf r a n a e w o r kp e r c e p t i o na n dS Oo n T h ep r o t o c o lm a k e su s eo ft h ec h a r a c s t e r i s t i C So fF H T D M A w h i c hi n v o l e s i n v a r i a b l ef r a m el e n g t h p e r i o d i c a lt r a n s m i t t i n g a d o p t sa s s o c i a t e dd e s i g na n ds o l v e s t h es h o r tp a c k e tp r o b l e me f f e c t u a l l y T h ep a p e ri m p l e m e n t st h i sp r o t o c o li nL i n u x O p e r a t i n gS y s t e m e x p e r i m e n t st h ep r o t o c o ls o f t w a r e t e s t i f y i n gt h ev a l i d a t i o no ft h e p r o t o c o lt oV H FS e l f O r g a n i z i n gN e t w o r k K e y w o r d V H Fc h a n n e l F H T D M A L i n kL a y e rP r o t o c o l p i g g y b a c kt r a n s p o r t i n g 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 簽名 生生日期 如 年彳月 o 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文 的規(guī)定 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 簽名 查生 導(dǎo)師簽名 垂坐蟲j 日期 乒 Z 年g 月 文日 第一章背景 1 1 引言 第一章背景 近年來 無線移動計算裝置 膝上電腦 手持?jǐn)?shù)字設(shè)備 個人數(shù)字助理以及 便攜電腦 的普及帶來了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)世界的革命性變革 我們從個人計算機(jī) P e r s o n a lC o m p u t e r P C 時代進(jìn)入到了無所不在計算 U b i q u i t o u sC o m p u t i n g U C 時代 U C 時代的特點(diǎn)使得無線網(wǎng)絡(luò)成為最便捷的互聯(lián)方法 將無線技術(shù)用 于局域網(wǎng)環(huán)境的無線局域網(wǎng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展 又隨之產(chǎn)生了無線個域網(wǎng) w P A N 和無線體域網(wǎng) W B A N 等無線網(wǎng)絡(luò) 無線網(wǎng)絡(luò)分別向語音和數(shù)據(jù)兩方面發(fā)展 無線語音網(wǎng)絡(luò)圍繞著連接P S T N 的 無線網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展成為無線語音局域網(wǎng)和無線語音廣域網(wǎng) 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)圍繞著 I n t e m e t 和計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 發(fā)展成為寬帶局域與無線自組織 A d h o e 部分以及廣域無線數(shù)據(jù)部分 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以分為具有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò) i n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r k 和無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò) i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k 兩大類 前者具有固定和有線 的基站 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn) 或稱為主機(jī) 從基站接收或向基站發(fā)送所有業(yè)務(wù) 這種 網(wǎng)絡(luò)的典型例子為無線局域網(wǎng) w L A N 后者就是無線自組織 A d h o c 網(wǎng)絡(luò) A dh o e 網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的無線終端組成 不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施 例如基 站 的支持而實現(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò) 是一種自形成 自組織和自管理的網(wǎng)絡(luò) 因為A d h o e 網(wǎng)絡(luò)不需要基礎(chǔ)設(shè)施 所以網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本低 布網(wǎng)迅速 這對應(yīng)付突發(fā)事 件 戰(zhàn)爭 救災(zāi)等 十分有利 網(wǎng)絡(luò)既可以單獨(dú)運(yùn)行 又可以通過網(wǎng)關(guān)接入到有 線骨干網(wǎng)絡(luò) 如I n t e m e t 因此A dh o c 網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于移動會議 緊急服務(wù) 軍 事無線通信和傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域 A dh o c 網(wǎng)絡(luò)也分為兩類 一類是單跳A dh o e 網(wǎng)絡(luò) 另一類是移動 多跳 A dh o e 網(wǎng)絡(luò) 單跳A dh o c 網(wǎng)絡(luò)屬于無線局域網(wǎng)的一種對等分布式組網(wǎng)模式 與 A P 組網(wǎng)模式使用相同的無線局域網(wǎng)協(xié)議 而無線移動自組織網(wǎng)絡(luò) M o b i l e A d h o e N e t w o r k M A N E T 中 每個移動節(jié)點(diǎn)都可以作為一個路由器進(jìn)行工作 即移動 節(jié)點(diǎn)的功能不僅僅是發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 同時也具有路由選擇和存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 課題應(yīng)用的環(huán)境要求網(wǎng)絡(luò)具有抗毀性和抗干擾性 保證用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍 內(nèi)的任何地方都可隨時入網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)隨時都可將用戶的數(shù)據(jù)快速傳遞到對方或得到 用戶需要的數(shù)據(jù) 采取了抗干擾措施的M A N E T 可提供上述性能 并可根據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)的生存情況 自動探測網(wǎng)絡(luò)信息 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?自動地尋找最佳 路由和傳輸方案 把可用的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成一個有機(jī)的整體 可靠而有效地完成信 息的傳輸 1 2 無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) 與傳統(tǒng)的有線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比 M A N E T 沒有基礎(chǔ)設(shè)施 每個節(jié)點(diǎn)都可能隨 時進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò) 整個網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行 有組網(wǎng)迅速 移動性強(qiáng)和抗毀性強(qiáng)等 特點(diǎn) 然而 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中對連接性和業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕拘枨?在M A N E T 中也同樣 需要得到滿足 M A N E T 的通信技術(shù)長期以來一直是研究的熱門課題 目前研究 中的主要難點(diǎn)問題為M A C 協(xié)議 路由協(xié)議 可靠的無線T C P 協(xié)議 與其他通信 網(wǎng)的互聯(lián)互通技術(shù) 保密和安全通信等 具有Q o S 保障的信道訪問分配和接入機(jī) 制是眾多研究的重點(diǎn)內(nèi)容 目前的M A N E T 的媒體接入控制 M e d i a A c c e s sC o n t r o l M A C 協(xié)議可以參 考的協(xié)議主要為I E E E S 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)中的C S M A C A 協(xié)議和H i p e r L a n 2 協(xié)議 在無線網(wǎng)絡(luò)中 一般不存在控制中心i 接入控制的工作通過分布式完成 因 此I E E E S 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)采用分布式的D C F D i s t r i b u t e dC o o r d i n a t i o nF u n c t i o n 接入模 式 M A C 層協(xié)議為C S M A C A 節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸過程為R T S C T S 數(shù)據(jù) 確認(rèn) H i p e r L a n 2 是由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織E T S I 開發(fā)的高速無線接入項目的一部分 能 夠攜帶多媒體數(shù)據(jù)和支持服務(wù)質(zhì)量保證 H i p e r L a n 2 將移動終端組織到由某個終 端確定的蜂窩內(nèi) 這個終端被稱為接入點(diǎn)或中央控制器 H i p e r L a n 2 網(wǎng)絡(luò)采用直 接模式時可以用于無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng) 和I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于 采用H i p e r L a n 2 標(biāo)準(zhǔn)的A dh o c 網(wǎng)絡(luò)的M A C 仍然需要由中央控制器負(fù)責(zé)管理 因此 在沒有中央控制器參與的情況下 任何 兩個移動終端并不能直接進(jìn)行通信 I E E E S 0 2 1 1 和H i p e r L a r 9 2 兼容 但擴(kuò)展性更 好 而且有實際產(chǎn)品問世 如L u c e n t W a v e L A N I E E E 8 0 2 1 1P C 卡 而到目前為止 還沒有見到H i p e r L a n 2 的產(chǎn)品 因此目前對無線自組織網(wǎng)絡(luò)的研究常常是采用或 借鑒I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn) 2 第一章背景 無線網(wǎng)絡(luò)典型的信道訪問方法被I E E E 8 0 2 委員會標(biāo)準(zhǔn)化 形成了無線局域網(wǎng) 在2 4 G H z 直接序列擴(kuò)頻 D S S S 信道上的競爭型信道訪問協(xié)議 載波偵聽 沖 突避免 C S M A C A C S M A C A 信道方式通過短幀預(yù)約 R T s C T s 形式 為 無中心 無線多跳的組網(wǎng)方式中克服 發(fā)送沖突 和 隱蔽終端 問題提供了良 好的解決方案 因而成為了無線自組織網(wǎng)絡(luò)研究中的 理想 無線信道模型 與 D S S S 相對應(yīng)的 I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的最初版本中 還考慮了以跳頻 f r e q u e n c e h o p p i n g F H 信道構(gòu)建無線局域網(wǎng)的方案 由于F H 體制額外增加了物理信道上 站點(diǎn)間的F H 同步問題 無線信道訪問控制技術(shù)遠(yuǎn)未到達(dá)相對成熟的地步 因而 在I E E E 8 0 2 1 1 的后續(xù)版本更新中 沒有再對F H 信道的信道訪問控制作進(jìn)一步的 更新和標(biāo)準(zhǔn)化 數(shù)據(jù)鏈路層為兩臺直接相鄰的通信系統(tǒng)提供可靠 有效的通信服務(wù) 負(fù)責(zé)兩 個通信系統(tǒng)之間鏈路的數(shù)據(jù)流管理 完成流量控制和差錯控制 無線介質(zhì)不可靠 帶寬低并且具有廣播的特性 無線電波的傳播會根據(jù)地形 工作頻率 移動終端 的速度 干擾源和其他動態(tài)因素而發(fā)生明顯的變化 這使得無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路 層的設(shè)計要比有線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多 在差錯控制 數(shù)據(jù)的傳送和尋址等方面提出了 更高的要求 受無線信號制約 M A N E T 覆蓋的地理范圍較小 幾百米到幾公里 在有限 的范圍內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在移動的狀態(tài)下保持通信 并完成正常通信所需的組網(wǎng) 尋路 獲取無線信道等任務(wù) 如果直接將I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)針對單跳W L A N 設(shè)計 的M A C 協(xié)議移植到M A N E T 多跳拓展出更廣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和節(jié)點(diǎn)更頻繁的 移動幾率會加劇I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的M A C 協(xié)議本身固有的問題并引入新的問題 I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的M A C 協(xié)議在多跳網(wǎng)絡(luò)中存在的問題 沒有完全解決隱藏 終端問題并引入暴露終端問題t 1 I E E E S 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的M A C 協(xié)議的載波監(jiān)聽和干 擾范圍通常大于傳輸范圍 加劇了隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)的問題口 二進(jìn)制退避算 法 對剛發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)有利 對發(fā)送失敗的節(jié)點(diǎn)不利 使各節(jié)點(diǎn)間存在明顯的 不公平口 沒有考慮無線自組織網(wǎng)絡(luò)能量消費(fèi)的問題 4 等 1 3 問題描述與動機(jī) 課題的主要任務(wù)是構(gòu)建一個超短波自組織網(wǎng)絡(luò) 研究采用超短波高速數(shù)據(jù)電 臺構(gòu)建無線自組織網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù) 通過分析超短波信道特性對自組織網(wǎng)絡(luò)的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 組網(wǎng)和性能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素 對動態(tài)組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)編址與尋 址技術(shù) 鏈路協(xié)議 路由技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全等進(jìn)行研究 設(shè)計與實現(xiàn) 本論文集中 研究超短波自組織網(wǎng)鏈路層協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn) 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)是一個多跳的無線自組織網(wǎng)絡(luò) M A N E T 采用分層分布 式組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 結(jié)合課題多層次 多模式 多覆蓋的通信需求 利用新型高速數(shù)傳 電臺 構(gòu)成分層分布式無線移動自組織網(wǎng)絡(luò) 超短波自組網(wǎng)采用超短波信道 常規(guī)的超短波通信通常為帶寬為2 5 k H z 話音 點(diǎn)對點(diǎn)通信 不能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù) 上百K b p s 的通信 也難以實現(xiàn)多跳自組織組 網(wǎng) 以W L A N 為參照系統(tǒng)進(jìn)行對比 發(fā)現(xiàn)超短波信道具有如下特點(diǎn) 信道誤碼率 高 數(shù)據(jù)率較低 發(fā)射功率較大 傳輸距離長 而這些特點(diǎn)使得基于超短波信道 的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與w L A N 相比 存在較大的差異 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)采用跳頻傳輸體制 這種傳輸方式具有抗干擾性強(qiáng) 傳輸 穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn) 但是采用跳頻通信體制 使得超短波電臺在自組織組網(wǎng)能力方面有 天然的缺陷和較大的困難 不僅對信道訪問方法有直接的影響 而且還影響到了 網(wǎng)絡(luò)自組織算法和協(xié)議 因此 在采用跳頻電臺構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)時 需要將鏈路 層和網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合起來考慮 針對跳頻電臺特有的通信特點(diǎn) 采用聯(lián)合設(shè)計技術(shù) 設(shè)計并實現(xiàn)適用于超短波自組織網(wǎng)絡(luò)的鏈路層協(xié)議 1 4 論文結(jié)構(gòu) 本文第二章對無線介質(zhì)的基本特點(diǎn)和超短波信道的特性進(jìn)行研究 在此基礎(chǔ) 上 第三章結(jié)合超短波信道的特點(diǎn)和采用的傳輸體制 探討超短波信道訪問控制 技術(shù) 第四章根據(jù)超短波自組網(wǎng)采用的F H T D M A 通信方式對超短波鏈路層進(jìn)行 一般功能設(shè)計 第五章針對短幀惡化網(wǎng)絡(luò)性能的問題對鏈路層進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計 提 出一種捎帶傳輸?shù)逆溌穼訁f(xié)議 在第六章里 介紹捎帶傳輸鏈路層協(xié)議的實現(xiàn)思 路和方法 第八章針對課題背景對協(xié)議進(jìn)行實驗和仿真 并對結(jié)果進(jìn)行分析 最 后一章對論文進(jìn)行一個全面的總結(jié)和未來工作的展望 4 第二章超短波信道特性研究 2 1 引言 第二章超短波信道特性研究 天線可看作一條電子導(dǎo)線或?qū)Ь€系統(tǒng) 由天線輻射出去的信號以地波 目0 岫d w a v e 天波 s k yw a v e 或直線L O S 1 i n eo f s i g h t 方式傳播 當(dāng)要傳輸?shù)男盘?頻率在3 0 M H z 以上時 通信必須采用直線方式 根據(jù)超短波所處的頻段 低頻 段3 0 8 0 M H z 高頻段2 0 0 6 0 0 M H z 超短波屬于直射波 對于直射波 轉(zhuǎn)發(fā) 和接收天線必須是在相互之間一個有效的直線范圍內(nèi) 由于各種各樣的傳輸損傷 包括衰減和衰減失真 a t t e n u a t i o na n da t t e n u a t i o n d i s t o r t i o n 自由空間損耗 f r e es p a c el o s s 噪聲 n o i s e 大氣吸收 a t m o s p h e r i c a b s o r p t i o n 多徑 m u l t i p a t h 和折射 r e f r a c t i o n 等 會帶來比特差錯 二進(jìn)制 1 變成0 反之亦然 無線信號受這些因素影響而產(chǎn)生的接收信號強(qiáng)度的特性稱為 大尺度 1 a r g e s c a l e 衰落 5 而當(dāng)通信雙方處于移動狀態(tài) 會產(chǎn)生移動環(huán)境下的 衰落 f a d i n g 現(xiàn)象 這種由發(fā)送器 接收器或它們周圍物體的運(yùn)動產(chǎn)生的接收 信號幅度的快速波動是一種小尺度衰落 s i n a l l s c a l ef a d i n g 6 小尺度衰落會產(chǎn) 生非常高的誤比特率 在超短波信道的鏈路層設(shè)計中需要研究超短波最重要的三個傳輸特性是 信 號可達(dá)覆蓋范圍 信道支持的最大數(shù)據(jù)速率和信道波動率 本章首先分析無線信 道共有的問題 再針對超短波信道特性進(jìn)行具體研究 分析超短波信道與公用頻 段信道的不同之處 從而為設(shè)計適應(yīng)超短波信道的移動自組織網(wǎng)鏈路層協(xié)議提供 思路 2 2 無線介質(zhì)的特點(diǎn) 所有的無線傳輸都共享同一種介質(zhì)一空氣 各種現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)通過不同的 工作頻率和接入頻段的合法性加以區(qū)別 無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率從幾十H z 的極低 頻段到幾十G H z 的紅外線頻段 無線通信鏈路與有線鏈路存有著本質(zhì)的不同 具 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 有傳輸帶寬較低 誤碼率較高等特點(diǎn) 無線信道間存在同頻 鄰頻干擾 鏈路質(zhì) 量也會受到周圍環(huán)境的變化的影響 造成無線信道質(zhì)量的不穩(wěn)定 在M A N E T 中 還存在 隱藏終端 暴露終端 單向鏈路 等特有的鏈路質(zhì)量問題 超短波 傳輸屬于無線傳輸?shù)囊环N 超短波自組網(wǎng)是一個利用超短波信道組成的M A N E T 因此超短波自組織網(wǎng)絡(luò)也存在上述問題 在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計的過程中需要考 慮進(jìn)去 2 2 1 隱藏終端與暴露終端 在無線廣播信道中 有三種重要的無線電通信范圍 文獻(xiàn) 2 定義了幾個概念 傳輸范圍 T r a n s m i s s i o nR a n g e 干擾范圍 I n t e r f e r i n gR a n g e 偵聽范圍 S e n s i n g R a n g e 假設(shè)無線節(jié)點(diǎn)的物理特性完全相同 則三種范圍定義如圖2 1 所示 圖2 1 傳輸范圍 沖突范圍和偵聽范圍 傳輸范圍 T r a n s m i s s i o nR a n g e R t 在發(fā)送節(jié)點(diǎn) T r a n s m i t t e r 的傳輸范 圍內(nèi) 如果不存在其他無線節(jié)點(diǎn)的干擾 接收節(jié)點(diǎn) R e c e i v e r 就可以正 確接收T r a n s m i t t e r 發(fā)送的數(shù)據(jù) 該范圍取值與T r a n s m i t t e r 發(fā)射功率的大 小和無線電波傳播特性有關(guān) 反射和傳輸 衍射和散射等 干擾范圍 I n t e r f e r i n gR a n g e 斑 T r a n s m i t t e r 向R e c e i v e r 發(fā)送數(shù)據(jù)的過程 中 在R e c e i v e r 的干擾范圍內(nèi) 任何其他的節(jié)點(diǎn) I n t e r f e r e n c en o d e 向 R e c e i v e r 發(fā)送數(shù)據(jù) 都會在R e c e i v e r 處引起數(shù)據(jù)沖突 導(dǎo)致R e c e i v e r 丟 棄數(shù)據(jù) 6 第二章超短波信道特性研究 偵聽范圍 S e n s i n gR a n g e R s 在R e c e i v e r 的偵聽范圍內(nèi) R e c e i v e r 發(fā) 起通信之前 會對信道進(jìn)行偵聽 如果信道忙 R e c e i v e r 推遲發(fā)起通信 的過程 該范圍取值與天線的靈敏度 S e n s i t i v i t y 有關(guān) 對于自由空間傳播 干擾范圍的半徑 通常是通信距離d 的1 7 8 倍 即m 隨通信距離d 動態(tài)變化 d 越大 干擾范圍越大 傳輸范圍由發(fā)射信號功率的大 小決定 通信開始前已確定 偵聽范圍由天線靈敏度決定 通常取固定值 取值 的大小由硬件決定 偵聽范圍一般比傳輸范圍大一些 研究干擾范圍與傳輸范圍 的關(guān)系 根據(jù)文獻(xiàn) 2 有以下結(jié)論 當(dāng)d O 5 6 R 時 R 當(dāng)R d O 5 6 R 時 R 持久性單向鏈路 主要是由于通信鏈路兩端無線節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率不一致引起的 如圖2 4 所示 節(jié)點(diǎn)的A 發(fā)射功率覆蓋范圍為r 節(jié)點(diǎn)的B 發(fā)射功率覆蓋的范圍為r 由于節(jié)點(diǎn) A 發(fā)射功率強(qiáng)于節(jié)點(diǎn)B 所以有r r 而A B 間的距離為d 并且r d r 所以節(jié)點(diǎn)B 可以收到節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送的數(shù)據(jù) 但節(jié)點(diǎn)A 由于處于節(jié)點(diǎn)B 的通信范圍 之外 故節(jié)點(diǎn)A 無法收到節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送的數(shù)據(jù) 從而形成A B 間的單向鏈路 引 起發(fā)射功率不一致的主要原因有射頻電路的設(shè)計 無線節(jié)點(diǎn)供電等物理因素 所 以這類單向鏈路被稱為持久性單向鏈路 本文假設(shè)超短波自組網(wǎng)中所有無線節(jié)點(diǎn) 均具有相同的無線參數(shù) 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 4 持久性單向鏈路 暫時性 T r a n s i e n t 單向鏈路 這類單向鏈路是 隱藏終端 引起的 因為節(jié)點(diǎn)具有移動性 而當(dāng)隱藏終端 發(fā)生移動后 可能就不會再干擾該條鏈路 所以這類單向鏈路是暫時性的 單向鏈路問題會造成無線節(jié)點(diǎn)在通信過程中 發(fā)送路徑和接收路徑無法保持 一致 最終導(dǎo)致通信失敗 無線電波傳輸范圍的有限性造成的局部化問題引起節(jié) 點(diǎn)不斷地發(fā)起尋路過程 即鏈路連通性的動態(tài)變化導(dǎo)致了路由的動態(tài)變化 現(xiàn)有 的M A N E T 動態(tài)路由協(xié)議的研究正集中解決如何降低判斷鏈路連通性 尋找路由 引入的開銷和時延 本文探索從層間合作的角度 設(shè)計新的鏈路層協(xié)議協(xié)助網(wǎng)絡(luò) 層快速判斷鏈路狀態(tài)可能的方向 2 2 3 捕獲效應(yīng) 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號傳播到接收節(jié)點(diǎn) 是否可以被接收節(jié)點(diǎn)正確接收主要決定 于信號到達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn)時的功率水平 忽略多徑衰落和陰影衰落等次要因素 根據(jù) 用于陸地?zé)o線移動通信的雙路徑模型 無線信號的強(qiáng)度隨著距離的4 次冪而衰減 在無線信道里 有時候出現(xiàn)兩個分組發(fā)生沖突卻不會破壞節(jié)點(diǎn)接收分組的現(xiàn) 象 接收節(jié)點(diǎn)能夠從多個接收信號中正確接收某一個離它最近節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀 如果兩個分組在時間上沖突 并且微弱信號的分組看上去類似背景噪聲 則節(jié)點(diǎn) A 將成功地捕獲 檢測 距離較近的終端發(fā)送的分組 如圖2 5 所示 假設(shè)節(jié)點(diǎn)A B 通信的過程中 節(jié)點(diǎn)C 作為隱藏終端也向節(jié) 點(diǎn)A 發(fā)起通信 此時節(jié)點(diǎn)C 的信號相對與節(jié)點(diǎn)B 的信號就是噪聲 忽略熱噪聲 與干擾信號相比其值很小 當(dāng)節(jié)點(diǎn)B C 同時向節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送數(shù)據(jù)幀 但d B A D 時 就認(rèn)為頂點(diǎn)f 不存在相鄰關(guān)系 所以超短波自組網(wǎng)的動態(tài)性對應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化 在實際生活中的 W L A N 里 人以步行的速度低速移動 或攜帶便攜機(jī)步行速度移動 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)間隔3 5 分鐘變化一次 變化非常緩慢 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)中也有類似的現(xiàn)象 在基于W L A N 的M A N E T 中 節(jié)點(diǎn) 的移動速率v 一般在3 5 h n h 那么節(jié)點(diǎn)間最大相對移動速率v 2 v 2 m s 而節(jié)點(diǎn)間的通信距離D 為3 0 0 I l l 因而相鄰節(jié)點(diǎn)間拓?fù)渥兓辽傩枰?t t o p o D v 一 1 5 0 s 所以可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)移動引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜儆诼兓?與 之相比 在超短波網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)的移動速率v 一般小于l O O k m h 所以節(jié)點(diǎn)間最大 相對移動速率v 2 v 6 0 m s 而節(jié)點(diǎn)間的通信距離D 為l O 1 5 k m 因而相鄰 節(jié)點(diǎn)間拓?fù)渥兓辽傩枰猣 3 0 0S 所以 可以認(rèn)為超短波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是 緩慢變化 因此 超短波信道中的移動性 在移動速度小于l O O k m h 時 都可以 第二章超短波信道特性研究 看作慢速移動 這種情況下 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓容^緩慢 在鏈路層的鄰居管理 鏈路控制協(xié)議的設(shè)計中要充分地考慮這一特點(diǎn) 2 3 4 定時關(guān)系 在超短波信道中 信道傳播時延t D C 3 0 s 其中D 1 0 k m C 3 1 0 8 m s 而信道的傳輸時延t L C t t L C 相對較長 例如 當(dāng) L 5 1 2 B y t e s C 5 1 2 k b p s 時 傳輸時延 8 m s 所以 傳輸定時關(guān)系主要取 決于數(shù)據(jù)發(fā)送時延 信道傳播時延r 影響可以忽略不計 2 4 超短波信道對傳輸技術(shù)的選擇 無線介質(zhì)的特點(diǎn)決定了如何設(shè)計傳輸技術(shù) 而數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計與物理層的 傳輸技術(shù)緊密相關(guān) 在無線環(huán)境下最大的障礙就是為了克服衰落所需要的相對高 的平均功率水平 根據(jù)應(yīng)用范圍不同 常見的數(shù)字無線傳輸技術(shù)可以劃分為三類 喁 第一類脈沖傳輸技術(shù) 主要面向紅外線 I R 沖擊無線傳輸或超寬頻帶傳輸 應(yīng)用里 第二類是基本的調(diào)制技術(shù) 第三類是使用擴(kuò)展頻譜和工作在I S M 頻段的 無線局域網(wǎng) 2 4 1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù) 紅外線 I n f r a r e dR a y s I R I R 采用小于l p m 波長的紅外線作為傳輸媒體 優(yōu)點(diǎn)在于不受無線電的干擾 數(shù)據(jù)速率極高 在視距范圍內(nèi)傳輸 監(jiān)測和竊聽困 難 保密性好 有較高的安全性且設(shè)備相對便宜而且簡單 不過 由于紅外線對 非透明障礙物的透射和繞射能力很差 使得傳輸距離和覆蓋范圍都受到很大限制 通常紅外線局域網(wǎng)的覆蓋范圍只限制在一間房屋內(nèi) 紅外線支持1 2 M b s 數(shù)據(jù)速 率 適于近距離通信 此外 它容易受到日光 熒光燈等噪聲干擾 并且只能進(jìn) 行半雙工通信 窄帶微波 使用微波無線電頻帶傳輸數(shù)據(jù) 其帶寬剛好能容納信號 但網(wǎng)絡(luò) 需要申請無線電頻譜執(zhí)照 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 擴(kuò)頻 S p r e a dS p e c t n m a s S 基本思想是將攜帶信息的信號擴(kuò)展到較寬的帶 寬中 以加大干擾和竊聽的難度 其理論依據(jù)是 通過擴(kuò)頻方式以寬帶傳輸信息 來換取信噪比的提高 擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力和隱蔽性強(qiáng) 保密性好 多址通 信能力強(qiáng)的特點(diǎn) 擴(kuò)頻技術(shù)主要分為跳頻技術(shù) F H S S 和直接序列擴(kuò)頻 D S S S 兩種方式 直接序列擴(kuò)頻 D S S S 是指用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號的頻譜 而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò) 把展開的擴(kuò)頻信號還原成原來的信號 而跳頻技術(shù) F H S S 是 跳頻的載頻受一個偽隨機(jī)碼的控制 其頻率按隨機(jī)規(guī)律 不斷改變 接收端的頻率也按隨機(jī)規(guī)律變化 并保持與發(fā)射端的變化規(guī)律一致 跳頻的高低直接反映跳頻系統(tǒng)的性能 跳頻越高 抗干擾性能越好 2 4 2 超短波信道傳輸技術(shù)的選擇 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)多跳移動性特點(diǎn) 是超短波自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖滓?一般而言 D S S S 由于采用全頻帶傳送資料 速度較快 適用于固定環(huán)境 或?qū)鬏斔俾始?傳輸穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用 當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品所使用的技術(shù)主要是D S S S 無 線技術(shù)來實現(xiàn) F H S S 則大都使用于需快速移動的端點(diǎn) 如便攜電話的無線傳輸 技術(shù)部分即是采用F H S S 技術(shù) 提高數(shù)據(jù)的安全性 這是超短波自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題 F H S S 是連續(xù) 間斷跳躍使用多個頻點(diǎn) 當(dāng)跳到某個頻點(diǎn)時 判斷是否有干擾 若無 則傳輸信 號 若有則依據(jù)算法跳至下一頻段繼續(xù)判斷 正是由于利用了跳頻技術(shù) 使得跳 頻的范圍很寬 但是信息在每個頻率上停留的時間很短 僅為1 1 0 0 0 秒左右 不僅使得數(shù)據(jù)的抗多徑干擾能力得到提高 而且傳輸穩(wěn)定 可擴(kuò)展性強(qiáng) 在跳頻不影響性能時最多可以有1 5 個接入點(diǎn) 此外 跳頻電臺 可無需附加電路及模擬調(diào)制方式在其頻段內(nèi)任一頻道工作而與定頻電臺對通 不 同參數(shù)的跳頻電臺在做不大的或僅僅是軟件的變動后就能互通 F H S S 與D S S S 相比 缺點(diǎn)是傳輸速率低 覆蓋范圍小 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的背 景 提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計的首要 目標(biāo) 并且F H S S 覆蓋范圍的大小已滿足系統(tǒng)要求 考慮到超短波覆蓋半徑大 信號變化范圍大 信道誤碼率高 本課題采用F H 模式 第三章超短波介質(zhì)訪問控制技術(shù) M A C 研究 3 1 引言 第三章超短波介質(zhì)訪問控制技術(shù) M A C 研究 介質(zhì)訪問控制 M e d i a A c c e s sC o n t r o l M A C 子層的作用是使一組無線節(jié)點(diǎn) 共享同一頻率和空間 在網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間充當(dāng)數(shù)據(jù)傳遞翻譯器的作用 物理 層能確定的只是怎樣通過無線接I 1 完成單個6 打的交互 M A C 層為物理層傳上來 的原始信息建立語法 句法和邏輯結(jié)構(gòu) 具體作用如產(chǎn)生尋址方式 訪問協(xié)調(diào) 幀校驗及功率控制等 M A C 層具有三個主要功能 無線介質(zhì)訪問 網(wǎng)絡(luò)連接 提供數(shù)據(jù)驗證和保密 設(shè)計超短波自組織網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題是M A C 機(jī)制的設(shè)計 它要保證多個 用戶有效地共享超短波信道資源 M A C 協(xié)議的好壞 直接影響到極為有限的超 短波信道資源的使用效率 此外 在超短波信道自組網(wǎng)中 還要考慮隱藏終端 暴露終端 捕獲效應(yīng)以及節(jié)點(diǎn)移動所帶來的影響 本章首先分析在超短波信道上采用競爭類和非競爭類M A C 方式的優(yōu)缺點(diǎn) 然后簡要介紹I E E E 8 0 2 1 1 協(xié)議中的M A C 技術(shù)C S M A C A 因為I E E E 8 0 2 1 1 無線 局域網(wǎng)是目前無線寬帶接入技術(shù)的主流 也是超短波M A C 機(jī)制研究和設(shè)計的基 礎(chǔ) 并著重分析在超短波信道上使用C S M A C A 存在的問題 最后詳細(xì)分析超短 波信道傳輸體制對M A C 技術(shù)的影響 3 2 介質(zhì)訪問控制協(xié)議 M A C 網(wǎng)絡(luò)可以分為兩大類 使用點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò) 以及使用廣播信道的網(wǎng)絡(luò) 超短波是無線電波的一種 共享傳輸媒介一一空氣 因此超短波信道機(jī)節(jié)點(diǎn)組成 了一個無線廣播式網(wǎng)絡(luò) 在廣播式網(wǎng)絡(luò)中 關(guān)鍵的問題是 當(dāng)存在多方要競爭使 用信道的時候 如何確定誰可以使用信道 M A C 子層的接入方案主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) 無線信道里多個終端順利工作的任務(wù) 1 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)對信道資源的不同分配方式 M A C 協(xié)議主要分為固定 靜態(tài) 分配 隨機(jī)接入和動態(tài) 按需 分配三種 通常無線語音網(wǎng)絡(luò)使用靜態(tài)分配信道接入方 案 而無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)最初是為了傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù) 采用隨機(jī)接入方案 選擇 M A C 方案的依據(jù)是在任意業(yè)務(wù)負(fù)載情況下達(dá)到有較高地信道利用率 較低的時 延和較少的開銷 3 2 1 無線網(wǎng)絡(luò)中的固定信道分配方案 頻分多路復(fù)用 F D M 在多個競爭用戶之間分配單個信道 如果總共有N 個用戶 則整個帶寬分成N 等份 每個用戶分配一份 由于每個用戶都有自己私 有的頻段 所以用戶之間不會有干擾 時分多路復(fù)用 T D M 將時間平均分割 每個用戶被靜態(tài)地分配到N 分之 一個時槽 如果一個用戶并不使用分配給他的時槽 則該時槽就會空閑下來 F D M 和T D M 原理一致 只有當(dāng)用戶數(shù)量比較少而且固定不變 并且每個用 戶都有繁重的流量負(fù)擔(dān)的時候 靜態(tài)信道分配方案才是一種簡單有效的分配機(jī)制 3 2 2 無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)信道分配方案 動態(tài)信道分配 如A L O H A 的最初思想是 當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候就 讓它們傳輸 即 不聽就說 當(dāng)發(fā)生沖突時 由于廣播的反饋特性 發(fā)送方只要 通過監(jiān)聽信道 總是可以知道幀是否被損壞 由于每個站點(diǎn)都可以隨意地發(fā)送數(shù) 據(jù) 它并不關(guān)心其他的站是否也在發(fā)送數(shù)據(jù) 所以會頻繁地發(fā)生沖突 信道利用 率很低 純的A L O H A 為1 8 時隙A L O H A 為3 6 最佳信道利用率是1 e 為了避免不必要的分組碰撞 發(fā)展出一些提高性能的措施 統(tǒng)稱載波檢測多 路訪問協(xié)議 C a r r i e rS e n s eM u l 邱l e A c c e s s C S M A 每個節(jié)點(diǎn)通過檢測是否存在 載波 即是否有傳輸 來檢測其他的節(jié)點(diǎn)正在做什么 然后再根據(jù)情況調(diào)整自己 的行為 即 先聽后說 另一個改進(jìn)是 對于每一個節(jié)點(diǎn)而言 一旦它檢測到?jīng)_ 突 它就放棄它當(dāng)前的傳送任務(wù) 換言之 如果兩個節(jié)點(diǎn)都檢測到信道是空閑的 并且同時開始傳送數(shù)據(jù) 則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發(fā)生 一旦檢測到?jīng)_ 突之后 它們立刻停止傳送數(shù)據(jù) 快速地終止被破壞的幀可以節(jié)省時間和帶寬 稱為帶沖突檢測的載波檢測多路訪問協(xié)議 C S M Aw i t hC o l l i s i o nD e t e c t i o n 第三章超短波介質(zhì)訪問控制技術(shù) M A C 研究 C s M c D 它要求各節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前先監(jiān)測它的鄰節(jié)點(diǎn)是否正在進(jìn)行發(fā)送 從 而使全連通網(wǎng)絡(luò)有較好的吞吐量和時延性能 由于無線網(wǎng)絡(luò)中隱藏終端的存在 C S M A 協(xié)議的性能將大大降低 為了解決 或減少隱藏終端所帶來的分組碰撞 出現(xiàn)了許多利用R T S C T S r e q u e s tt o s e n d c l e a r t os e n d 對話形式進(jìn)行碰撞避免 C A 的協(xié)議 比如M A C A W I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)等 這些協(xié)議將隱藏終端造成的碰撞區(qū)間由數(shù)據(jù)分組長度縮減到R T S 短控制 分組長度 從而降低了隱藏終端的影響 3 3 超短波信道競爭類M A C 機(jī)制 在超短波自組網(wǎng)中 使用超短波信道機(jī)的無線節(jié)點(diǎn)可以通過兩種方式獲得信 道的使用權(quán) 競爭的方式和非競爭的方式 在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信中 采用的競爭 類M A C 機(jī)制多數(shù)集中在C S M A 方式及其改進(jìn)版本 非競爭類M A C 機(jī)制多數(shù)集 中在T D M A 方式 包括靜態(tài)T D M A 和動態(tài)T D M A 方式 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信具有突發(fā)性的特點(diǎn) 因此傳統(tǒng)思路一般采用競爭的方式 即圍繞C S M A 的基本思想進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計 超短波自組網(wǎng)的無線信道雖然采用的 是超短波信道 但其業(yè)務(wù)模型仍然具有傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性和突發(fā)性的特點(diǎn) 可以借鑒W L A N 采用競爭類的M A C 機(jī)制C S M A 并分析I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)中的 M A C 技術(shù)移植到超短波信道可能引入的問題 對其進(jìn)行改進(jìn) 從而設(shè)計出適用 于超短波信道的競爭類M A C 協(xié)議 3 3 1C S M A C A 在I E E E 8 0 2 3 標(biāo)準(zhǔn)中 C S M C D 協(xié)議解決在E t h e r n e t 上的各個工作站如何 在線纜上進(jìn)行傳輸?shù)膯栴} 利用它檢測和避免當(dāng)兩個或兩個以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時網(wǎng)絡(luò)上的沖突 在無線局域網(wǎng)中 沖突的檢測存在一定的問題 這個問題稱為 N e a r F a r 現(xiàn)象 這是由于無線信道的信號動態(tài)范圍很廣 所以發(fā)送 節(jié)點(diǎn)不能有效地識別出是噪音信號還是自己的傳輸 要檢測沖突 設(shè)備必須能夠 一邊接受數(shù)據(jù)信號一邊傳送數(shù)據(jù)信號 而這在無線系統(tǒng)中是無法辦到的 鑒于這個差異 I E E E 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)對c S M 刖C D 進(jìn)行調(diào)整 采用新的協(xié)議 C S M A C A C a r r i e rS e n s eM u l t i p l eA c c e s sw i t hC o l l i s i o nA v o i d a n c e 避免碰撞發(fā)生 的方法是以偵測工作頻帶中的電磁波能量束發(fā)現(xiàn)頻道是否空閑 若發(fā)現(xiàn)空閑也不 1 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 立刻送出數(shù)據(jù)幀 而是自行產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)當(dāng)作延遲的時間 當(dāng)在延遲時間偵測到 頻道忙碌時 則此隨機(jī)時間會被凍結(jié) 直到再度確認(rèn)頻道空間時再啟動隨機(jī)時間 一旦延遲時間一到才將數(shù)據(jù)幀送出 這樣數(shù)據(jù)幀的碰撞幾率便降低 C S M A C A 利用A C K 信號來確認(rèn)沖突是否發(fā)生 即只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的A C K 信 號后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的 C S M A C A 協(xié)議的工作流程是 一個工作站希望在無線網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù) 如果 沒有探測到網(wǎng)絡(luò)中正在傳送數(shù)據(jù) 則附加等待一段時間 再隨機(jī)選擇一個時間片 繼續(xù)探測 如果無線網(wǎng)路中仍舊沒有活動的話 就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去 接受端的工 作站如果受到發(fā)送端送出的完整的數(shù)據(jù)則回發(fā)一個A C K 數(shù)據(jù)報 如果這個A C K 數(shù)據(jù)報被接收端收到 則這個數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成 如果發(fā)送端沒有收到A C K 數(shù) 據(jù)報 則或者發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有被完整地收到 或者A C K 信號的發(fā)送失敗 不管 是那種現(xiàn)象發(fā)生 數(shù)據(jù)報都在發(fā)送端等待一段時間后被重傳 C S M A C A 通過這種方式來提供無線的共享訪問 這種顯式的A C K 機(jī)制在處 理無線問題時非常有效 然而這種方式都增加了額外的負(fù)擔(dān) 所以I E E E8 0 2 1 1 網(wǎng)絡(luò)和類似的E t h e m e t 網(wǎng)絡(luò)比較 總是在性能上要下降 為解決隱藏終端問題 I E E E8 0 2 1 1 在M A C 層上引入了一個新的S e n d C l e a r t o S e n d R T S C T s 選項 當(dāng)這個選項打開后 一個發(fā)送工作站傳送一個R T S 信號 隨后等待訪問接入點(diǎn)回送R T S 信號 由于所有的網(wǎng)絡(luò)中的工作站能夠 聽 到訪 問接入點(diǎn)發(fā)出的信號而不會造成數(shù)據(jù)的沖突 這就間接解決了隱藏終端問題 3 3 2C S M A C A 用于超短波信道出現(xiàn)的問題 I E E E8 0 2 1 1 的M A C 協(xié)議是針對局域網(wǎng) 也就是單跳網(wǎng)絡(luò) 提出的協(xié)議 超 短波自組網(wǎng)屬于M A N E T M A C 機(jī)制若采用類似I E E E S 0 2 1 1 中定義的C S M A C A o r R T S C T S 配合數(shù)據(jù)確認(rèn) A c K 這種方式下的一次成功通信的典型幀序 列是 K T S C T S D A T A A C K 會出現(xiàn)問題 另外超短波自組織網(wǎng)絡(luò)是一種多跳共 享信道 與一般的采用I S M 頻段的無線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)相比 具有特殊性 3 3 2 1 物理載波偵聽失效 通信節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前 首先檢測物理信道的忙 閑狀態(tài) 根據(jù)檢測的結(jié) 果決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)幀 信道忙閑的判斷方式是 將接收信號的強(qiáng)度與載波偵聽 門限值 C a r r i e rS e n s eT h r e s h o l d C S T 比較 只有當(dāng)接收信號強(qiáng)度低于C S T 時 第三章超短波介質(zhì)訪問控制技術(shù) M A C 研究 節(jié)點(diǎn)才認(rèn)為信道此時處于空閑 進(jìn)而開始捕獲信道 所以C S T 的選取十分重要 它直接影響網(wǎng)絡(luò)中允許同時傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)目 以及節(jié)點(diǎn)能夠正確接收的概率 超短波電臺為了實現(xiàn)長距離傳輸 采用了較大的發(fā)射功率 可達(dá)5 0 W 并 且受傳統(tǒng)通信的制約 電臺都沒有采取自動功率控制措施 電臺通常僅分為高 中 低三檔 使得在相互通信時隨距離不同 發(fā)射功率不同 電臺接收信號強(qiáng)度 的動態(tài)范圍很大 僅依靠信號強(qiáng)度的載波偵聽方法失去了可靠性 出現(xiàn)偵聽不到 載波卻可以收到數(shù)據(jù)的情況 因此物理載波偵聽失效頻繁出現(xiàn) 這使得C S T 的選 取更加困難 3 3 2 2 虛擬載波偵聽效率低 I E E E 8 0 2 1 1 中的M A C 協(xié)議采用的虛擬載波偵聽是R T S C T S 機(jī)制 用于解決 隱藏終端問題 R T S C T S 機(jī)制并不能解決所有的隱藏終端問題 2 I E E E8 0 2 1 1 為 了解決隱蔽終端問題 引入了V i r t u a lC S 機(jī)制和R T S C T S 控制幀 而這一機(jī)制的 前提假設(shè)是沖突范圍總是小于傳輸范圍 然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距d 不斷增大時 這一前 提條件是不成立的 如圖3 1 所示 當(dāng)O 5 6 R d R 時 R 傳輸范圍的幾率越高 未被R T S C T S 覆蓋的沖突域的面積 越大 成為隱藏終端的節(jié)點(diǎn)更多 隨著隱藏終端節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多 節(jié)點(diǎn)成功競爭信 道的幾率降低 從而難以保證每個節(jié)點(diǎn)通信的可靠性 3 3 2 3 暴露終端加劇 由于超短波電臺的發(fā)射功率大 1 W 5 0 W 是一般無線節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率 5 0 m w 的幾十倍 偵聽范圍與電臺的發(fā)射功率有關(guān) 因此節(jié)點(diǎn)的偵聽范圍很大 相應(yīng)的 成為暴露終端的移動節(jié)點(diǎn)數(shù)目增