隱藏終端和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）：在通信領域，基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測到A也向B發(fā)送，故A和C同時將信號發(fā)送至B，引起信號沖突，最終導致發(fā)送至B的信號都丟失了。“隱藏終端”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，并且需要錯誤恢復機制。當需要傳送大容量文件時，尤其需要杜絕“隱藏終端”現(xiàn)象的發(fā)生。（在接收節(jié)點的范圍覆蓋范圍內(nèi)，而在發(fā)送節(jié)點的覆蓋范圍外的節(jié)點。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)點的覆蓋范圍內(nèi)而在接收節(jié)點的覆蓋范圍外的節(jié)點，暴露終端因聽到發(fā)送節(jié)點的發(fā)送而可能延遲發(fā)送。但是，

2、它其實是在接收節(jié)點的通信范圍之外，它的發(fā)送不會造成沖突。這就引入了不必要的延時隱藏終端和暴露終端問題產(chǎn)生的原因n由于ad hoc網(wǎng)絡具有動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，且工作在無線環(huán)境中，采用異步通信技術(shù)，各個移動節(jié)點共享同一個通信信道，存在信道分配和競爭問題：為了提高信道利用率，移動節(jié)點電臺的頻率和發(fā)射功率都比較低；并且信號受無線信道中的噪聲、信道衰落和障礙物的影響，因此移動節(jié)點中的通信距離受到限制，一個節(jié)點發(fā)出的信號，網(wǎng)絡中的其他節(jié)點不一定都能收到，從而會出現(xiàn)“隱藏終端”和“暴露終端“問題。QoS路由n自組網(wǎng)QoS路由的目標是滿足QoS連接請求的一條或多條路由，同時提供足夠的路由資源信息，為管理控

3、制機制提供支持，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)絡的QoS研究主要集中在QoS模型、具有資源預約功能的信令、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)絡具有無中心結(jié)構(gòu)，拓撲動態(tài)變化，節(jié)點資源受限，無線節(jié)點間相互干擾等特性，使得自組織網(wǎng)絡中的QoS路由設計面臨新的挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在： 拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化使節(jié)點間鏈路狀態(tài)信息的獲取和管理維護困難。 由于相鄰節(jié)點間存在“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、時延、時延抖動等鏈路參數(shù)都很難及時獲取和更新維護。 隨時存在的單向

4、信道的存在使得QoS路由協(xié)議設計困難，主要體現(xiàn)在:認知的單向性、路由的單向性和匯點不可達。 每個節(jié)點資源有限，使得QoS路由選擇不能太復雜。隱藏終端和暴露終端問題對ad hoc網(wǎng)絡的影響n隱藏終端”和“暴露終端”的存在，會造成 ad hoc網(wǎng)絡時隙資源的無序爭用和浪費，增加數(shù)據(jù)碰撞的概率，嚴重影響網(wǎng)絡的吞吐量、容量和數(shù)據(jù)傳輸時延。在ad hoc網(wǎng)絡中，當終端在某一時隙內(nèi)傳送信息時，若其隱藏終端在此時隙發(fā)生的同時傳送信息，就會產(chǎn)生時隙爭用沖突。受隱藏終端的影響，接收端將因為數(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間浪費（數(shù)據(jù)幀較長時尤為嚴重），從而降低了網(wǎng)絡的吞吐量。當

5、某個終端成為暴露終端后，由于它偵聽到另外的終端對某一時隙的占用信息，從而放棄了預約該時隙進行信息傳送。其實，因為源終端節(jié)點和目的終端節(jié)點都不一樣，暴露終端是可以占用這個時隙來傳送信息的。這樣就造成了時隙資源的浪費。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，同時設置傳送上限字節(jié)數(shù)，一旦待傳送的數(shù)據(jù)大于此上限值時，即啟動RTS/CTS握手協(xié)議：當A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送一個控制報文RTS（Request to send，請求發(fā)送）；B接收到RTS后，以CTS（Clear to send，清除發(fā)送）控制報文回應；A收到CTS后

6、才向B發(fā)送報文，如果A沒收到CTS，A認為發(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，確認字符）即確認幀，這樣，所有基站又可重新可以平等偵聽、競爭信道了。n當B向A發(fā)送數(shù)據(jù)時，C只聽到RTS控制報文，知道自己是暴露終端，認為自己可以向D發(fā)送數(shù)據(jù)。C向D發(fā)送RTS控制報文。如果是單信道，來自D的RTS會與B發(fā)送的數(shù)據(jù)報文沖突，C和D無法成功握手，它不能向D發(fā)送報文。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。n 對于單信道無線自組織網(wǎng)絡，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(CSMA/CA)機制是目前應用非常廣泛的協(xié)議，節(jié)點通過物理信道偵聽(CCA)與虛擬網(wǎng)絡偵聽(NAV)結(jié)合的方式進行載波偵聽，采用基于長幀間隙、中幀間隙和短幀間隙等不同時隙的退避機制和沖突避免策略，競爭信道進行發(fā)送。時分多址(TDMA)機制可以將信道按照時間片劃分為多個時隙，節(jié)點按照靜態(tài)或者動態(tài)分配方式占用其中的一個或者幾個時隙。但是對于無線自組織

8、網(wǎng)絡來說，靜態(tài)分配方式不能適應節(jié)點的移動和拓撲的變化；而在一個分布式多跳系統(tǒng)內(nèi)，進行動態(tài)分配也還有很多問題需要解決，目前的研究多是針對基于某些假設或者某種應用背景的無線自組織網(wǎng)絡，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，減少沖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，則需要關(guān)注如何在節(jié)點間分配信道，以提高網(wǎng)絡吞吐量，避免沖突，實現(xiàn)信道上的負載均衡。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，然后在相應的數(shù)據(jù)信道上進行數(shù)據(jù)通信。控制信道和數(shù)據(jù)信道的劃分可能是時間上的，也可能是空間上的。比如，一個信道在

9、某個時刻可能用作控制信道，協(xié)商好數(shù)據(jù)信道后，切換到相應的數(shù)據(jù)信道進行通信。也可能一個節(jié)點擁有幾個接口，其中的一個接口固定工作在某個控制信道上，其他接口固定或者動態(tài)實用某個數(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，在合理設計的多信道條件下，不僅可以提高整體網(wǎng)絡容量，還可以提高每個信道的實際吞吐量。但是這些研究多是基于靜態(tài)的。開發(fā)一種基于拓撲結(jié)構(gòu)的算法，對信道資源進行動態(tài)分配，也是一個值得研究的問題。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)點的發(fā)送功率經(jīng)過傳輸過程中的種種損耗，到達接收節(jié)點時，如果接收節(jié)點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。通過兩個通信節(jié)點之間的控制信息的交換來決定數(shù)據(jù)包的實際發(fā)送功率和限制其他鄰節(jié)點的發(fā)送功率，這樣鄰節(jié)點可以使用低于正在通信節(jié)點對之間能忍受的功率進行數(shù)據(jù)收發(fā)，達到與正在通信節(jié)點對之間的并行通信，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，增加了幀長度，功率的計算也增加了計算量。n基于定向天線的方法 由于全向發(fā)送接收模式對天線覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點產(chǎn)生了不同程度的干擾，而定向天線由于天線的