采用智能天線和功率控制的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究.pdf

1、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由無(wú)線移動(dòng)終端組成的分組多跳轉(zhuǎn)發(fā)臨時(shí)性自治系統(tǒng)。由于無(wú)線媒體的共享特性，使其介質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議的性能成為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵。當(dāng)前，這一領(lǐng)域的研究還存在許多尚未解決的開(kāi)放式問(wèn)題。在MAC協(xié)議研究中，引入智能天線和功率控制技術(shù)后，有助于減小信號(hào)干擾，改善鏈路的傳輸質(zhì)量，從而顯著改善MAC協(xié)議性能。當(dāng)前在應(yīng)用智能天線時(shí)，有兩個(gè)問(wèn)題沒(méi)有得到有效的解決。其一：應(yīng)用智能天線后，定向波束加劇了隱藏終端，并帶來(lái)了聾

2、節(jié)點(diǎn)等問(wèn)題。其二：假設(shè)定向波束和全向波束有相同的增益，沒(méi)有利用定向通信模式的增加傳輸距離的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于基于CSMA/CA機(jī)制的功率控制協(xié)議，在單信道條件下RTS-CTS握手不能防止不同功率引起的隱藏終端的問(wèn)題，很難實(shí)現(xiàn)既節(jié)省功率又提高網(wǎng)絡(luò)容量的目標(biāo)。因此，上述問(wèn)題的研究具有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 SDA-MAC協(xié)議是在CSMA/CA的基礎(chǔ)上，使用了波束切換天線。它結(jié)合RTS/CTS握手機(jī)制、TDMA和定向波束，通過(guò)RTS和C

3、TS握手來(lái)獲得發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的位置信息。SDA-MAC協(xié)議適用于單跳環(huán)境，使空間上的不同方向可以同時(shí)存在多對(duì)通信節(jié)點(diǎn)而不會(huì)造成分組碰撞，充分發(fā)揮了智能天線的空分復(fù)用特點(diǎn)。該協(xié)議有效解決了D-MAC協(xié)議存在的隱藏終端、暴露終端等問(wèn)題，較大地改善了網(wǎng)絡(luò)性能。其吞吐量最高達(dá)到D-MAC協(xié)議的119％、全向IEEE 802.11協(xié)議的307％。 DMH-MAC協(xié)議是SDA-MAC協(xié)議的改進(jìn)，使用了波束跟蹤天線。在DMH-MAC協(xié)議中

4、，節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)使用全向-全向模式（O-O）監(jiān)聽(tīng)及預(yù)約信道，而定向-定向（D-D）通信模式是常用的工作模式。在多跳環(huán)境下，DMH-MAC協(xié)議充分利用了智能天線的定向通信的優(yōu)勢(shì)，能夠經(jīng)過(guò)較少的跳數(shù)把數(shù)據(jù)包傳遞到目的節(jié)點(diǎn)，改善了網(wǎng)絡(luò)性能。與MMAC協(xié)議相比，該協(xié)議的特點(diǎn)是定向通信容易實(shí)現(xiàn)，且發(fā)送節(jié)點(diǎn)不需要預(yù)先知道完整的路徑。其吞吐量最高達(dá)到MMAC協(xié)議的121％、全向IEEE 802.11協(xié)議的312％。 SPC-MAC協(xié)議通過(guò)

5、RTS和CTS控制包中交換的信息來(lái)決定數(shù)據(jù)包DATA和ACK的發(fā)送功率。其有兩個(gè)主要特點(diǎn)。其一：發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)旁聽(tīng)的CTS決定最大發(fā)射功率Pmax。由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)可能是一個(gè)隱藏終端，必須限定其發(fā)射功率，以避免干擾鄰節(jié)點(diǎn)的接收。其二：接收節(jié)點(diǎn)決定最小發(fā)射功率Pmin，以保證數(shù)據(jù)分組的正常接收。在多跳環(huán)境中，路由報(bào)文以最大功率發(fā)送，保證所有一跳范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)可以接收到。該協(xié)議避免了PCM協(xié)議周期性的最大發(fā)射功率造成的干擾，也無(wú)需PCMA協(xié)議所設(shè)

6、置的額外信道。其吞吐量最高達(dá)到PCM協(xié)議的120％、無(wú)功率控制的IEEE 802.11協(xié)議的272％。 利用OPNET仿真工具，設(shè)計(jì)了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型、智能天線模型、功率控制模型等，使基于智能天線及功率控制的MAC協(xié)議和上層協(xié)議能夠在同一個(gè)模板上實(shí)現(xiàn)。還在不同場(chǎng)景下對(duì)SDA-MAC、DMH-MAC和SPC-MAC協(xié)議進(jìn)行了大量仿真。仿真結(jié)果表明，這些協(xié)議可以充分地提高信道的空間復(fù)用程度，使Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和端對(duì)端