隱藏終端與暴露終端問題及解決方案

1、隱藏終端和暴露終端問題以及解決辦法什么是隱藏終端和暴露終端n“隱藏終端”（Hidden Stations）：在通信領(lǐng)域，基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測(cè)到A也向B發(fā)送，故A和C同時(shí)將信號(hào)發(fā)送至B，引起信號(hào)沖突，最終導(dǎo)致發(fā)送至B的信號(hào)都丟失了?！半[藏終端”多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)需要傳送大容量文件時(shí)，尤其需要杜絕“隱藏終端”現(xiàn)象的發(fā)生。（在接收節(jié)點(diǎn)的范圍覆蓋范圍內(nèi)，而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。什么是隱藏終端和暴露終端n暴露終端是指在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在接收節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)，暴露終端因聽到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能延遲發(fā)送。但是，

2、它其實(shí)是在接收節(jié)點(diǎn)的通信范圍之外，它的發(fā)送不會(huì)造成沖突。這就引入了不必要的延時(shí)隱藏終端和暴露終端問題產(chǎn)生的原因n由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且工作在無線環(huán)境中，采用異步通信技術(shù)，各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)通信信道，存在信道分配和競(jìng)爭(zhēng)問題：為了提高信道利用率，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電臺(tái)的頻率和發(fā)射功率都比較低；并且信號(hào)受無線信道中的噪聲、信道衰落和障礙物的影響，因此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的通信距離受到限制，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)不一定都能收到，從而會(huì)出現(xiàn)“隱藏終端”和“暴露終端“問題。QoS路由n自組網(wǎng)QoS路由的目標(biāo)是滿足QoS連接請(qǐng)求的一條或多條路由，同時(shí)提供足夠的路由資源信息，為管理控

3、制機(jī)制提供支持，完成全網(wǎng)資源的有效利用。目前自組網(wǎng)的QoS路由問題還處在起步階段。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS研究主要集中在QoS模型、具有資源預(yù)約功能的信令、QoS路由協(xié)議和QoS媒體接入?yún)f(xié)議以及接納控制和調(diào)度等方面。 由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有無中心結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)資源受限，無線節(jié)點(diǎn)間相互干擾等特性，使得自組織網(wǎng)絡(luò)中的QoS路由設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在： 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化使節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)信息的獲取和管理維護(hù)困難。 由于相鄰節(jié)點(diǎn)間存在“隱蔽終端”、“暴露終端”、“侵入終端”等相互干擾，使得無線鏈路狀態(tài)難以確定，例如帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等鏈路參數(shù)都很難及時(shí)獲取和更新維護(hù)。 隨時(shí)存在的單向

4、信道的存在使得QoS路由協(xié)議設(shè)計(jì)困難，主要體現(xiàn)在:認(rèn)知的單向性、路由的單向性和匯點(diǎn)不可達(dá)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)資源有限，使得QoS路由選擇不能太復(fù)雜。隱藏終端和暴露終端問題對(duì)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的影響n隱藏終端”和“暴露終端”的存在，會(huì)造成 ad hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙資源的無序爭(zhēng)用和浪費(fèi)，增加數(shù)據(jù)碰撞的概率，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、容量和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)終端在某一時(shí)隙內(nèi)傳送信息時(shí)，若其隱藏終端在此時(shí)隙發(fā)生的同時(shí)傳送信息，就會(huì)產(chǎn)生時(shí)隙爭(zhēng)用沖突。受隱藏終端的影響，接收端將因?yàn)閿?shù)據(jù)碰撞而不能正確的接收信息，造成發(fā)送端的有效信息的丟失和大量的時(shí)間浪費(fèi)（數(shù)據(jù)幀較長(zhǎng)時(shí)尤為嚴(yán)重），從而降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。當(dāng)

5、某個(gè)終端成為暴露終端后，由于它偵聽到另外的終端對(duì)某一時(shí)隙的占用信息，從而放棄了預(yù)約該時(shí)隙進(jìn)行信息傳送。其實(shí)，因?yàn)樵唇K端節(jié)點(diǎn)和目的終端節(jié)點(diǎn)都不一樣，暴露終端是可以占用這個(gè)時(shí)隙來傳送信息的。這樣就造成了時(shí)隙資源的浪費(fèi)。隱藏終端和暴露終端問題的解決辦法nIEEE802.11提供了如下解決方案。在參數(shù)配置中，若使用RTS/CTS協(xié)議，同時(shí)設(shè)置傳送上限字節(jié)數(shù)，一旦待傳送的數(shù)據(jù)大于此上限值時(shí)，即啟動(dòng)RTS/CTS握手協(xié)議：當(dāng)A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)控制報(bào)文RTS（Request to send，請(qǐng)求發(fā)送）；V接收到RTS后，以CTS（Clear to send，清除發(fā)送）控制報(bào)文回應(yīng)；A收到CTS后

6、才向B發(fā)送報(bào)文，如果A沒收到CYS，A認(rèn)為發(fā)生了沖突，重發(fā)RTS，這樣隱發(fā)終端C能聽到B發(fā)送的CTS，知道A要向B發(fā)送報(bào)文，C延遲發(fā)送，解決了隱發(fā)送終端的問題。最后，B接收完數(shù)據(jù)后，即向所有基站廣播ACK（Acknowledge Character，確認(rèn)字符）即確認(rèn)幀，這樣，所有基站又可重新可以平等偵聽、競(jìng)爭(zhēng)信道了。n當(dāng)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C只聽到RTS控制報(bào)文，知道自己是暴露終端，認(rèn)為自己可以向D發(fā)送數(shù)據(jù)。C向D發(fā)送RTS控制報(bào)文。如果是單信道，來自D的RTS會(huì)與B發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文沖突，C和D無法成功握手，它不能向D發(fā)送報(bào)文。因此，在單信道條件下，暴露終端問題根本無法得到解決。n在單信道條件下使

7、用控制分組的方法只能解決隱發(fā)送終端，無法解決隱接收端和暴露終端問題。為此，必須采用雙信道方法，即用數(shù)據(jù)新到收發(fā)數(shù)據(jù)，利用控制信道收發(fā)控制信號(hào)。n 對(duì)于單信道無線自組織網(wǎng)絡(luò)，其MAC協(xié)議需要考慮的是如何充分利用信道，避免沖突。載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)(CSMA/CA)機(jī)制是目前應(yīng)用非常廣泛的協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過物理信道偵聽(CCA)與虛擬網(wǎng)絡(luò)偵聽(NAV)結(jié)合的方式進(jìn)行載波偵聽，采用基于長(zhǎng)幀間隙、中幀間隙和短幀間隙等不同時(shí)隙的退避機(jī)制和沖突避免策略，競(jìng)爭(zhēng)信道進(jìn)行發(fā)送。時(shí)分多址(TDMA)機(jī)制可以將信道按照時(shí)間片劃分為多個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)按照靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)分配方式占用其中的一個(gè)或者幾個(gè)時(shí)隙。但是對(duì)于無線自組織

8、網(wǎng)絡(luò)來說，靜態(tài)分配方式不能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和拓?fù)涞淖兓?；而在一個(gè)分布式多跳系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配也還有很多問題需要解決，目前的研究多是針對(duì)基于某些假設(shè)或者某種應(yīng)用背景的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，還沒有普遍適用的方法提出。將CSMA/CA和TDMA結(jié)合，提高信道分配效率，減少?zèng)_突也是一種值得研究的內(nèi)容。 n 多信道無線自組織網(wǎng)絡(luò)，則需要關(guān)注如何在節(jié)點(diǎn)間分配信道，以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，避免沖突，實(shí)現(xiàn)信道上的負(fù)載均衡。目前較多的做法是，將信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道，節(jié)點(diǎn)在控制信道中協(xié)商數(shù)據(jù)交換采用的數(shù)據(jù)信道，然后在相應(yīng)的數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。控制信道和數(shù)據(jù)信道的劃分可能是時(shí)間上的，也可能是空間上的。比如，一個(gè)信道在

9、某個(gè)時(shí)刻可能用作控制信道，協(xié)商好數(shù)據(jù)信道后，切換到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行通信。也可能一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有幾個(gè)接口，其中的一個(gè)接口固定工作在某個(gè)控制信道上，其他接口固定或者動(dòng)態(tài)實(shí)用某個(gè)數(shù)據(jù)信道。不管是哪種方式，都需要占用一定的資源用于信道協(xié)商。這種占用是值得的，目前 在多信道的理論分析結(jié)果說明，在合理設(shè)計(jì)的多信道條件下，不僅可以提高整體網(wǎng)絡(luò)容量，還可以提高每個(gè)信道的實(shí)際吞吐量。但是這些研究多是基于靜態(tài)的。開發(fā)一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法，對(duì)信道資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，也是一個(gè)值得研究的問題。n功率控制方法 基于功率控制的方法是根據(jù)通信雙方的距離、能量損失因子等因素，決定最佳發(fā)送功率，控制發(fā)送范圍，使受干擾范圍減到最小程

10、度，從而消除部分隱藏終端和暴露終端問題的一種策略。在通信過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率經(jīng)過傳輸過程中的種種損耗，到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果接收節(jié)點(diǎn)的接收功率不小于信干比SINR （Signal to Interference plus Noise Ratio）則正確接收數(shù)據(jù)，否則丟棄。一種基于80211的功率控制MAC協(xié)議，數(shù)據(jù)發(fā)送者在RTS包中包含自己的發(fā)送功率和容許接收功率，接收者通過計(jì)算接收到的RTS包的功率，參照自己的剩余功率，將信息反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。通過兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的控制信息的交換來決定數(shù)據(jù)包的實(shí)際發(fā)送功率和限制其他鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，這樣鄰節(jié)點(diǎn)可以使用低于正在通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間能忍受的功率進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，達(dá)到與正在通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的并行通信，有效地降低隱藏終端和暴露終端問題。 功率控制方法有效地節(jié)省了發(fā)送能量，但控制幀必須攜帶功率信息，增加了幀長(zhǎng)度，功率的計(jì)算也增加了計(jì)算量。n基于定向天線的方法 由于全向發(fā)送接收模式對(duì)天線覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了不同程度的干擾，而定向天線由于天線的