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移动Ad hoc网络中MAC协议分析及研究1赵磊，刘皓明，顾燕河海大学电气学院，南京 (210098)E-mail：zhao_xinlei@摘要：本文介绍了移动Ad hoc网络的MAC（媒质访问控制）协议，分析了协议研究所面临的问题，引出了由于节点感知信道状况的不同而导致的隐藏终端和暴露终端问题，它严重影响了媒质接入协议的性能，影响了网络的吞吐量和信道的利用率和公平性。
本文详细地对这一问题进行了分析，并讨论了基于单信道的握手机制、基于双/多信道的握手机制、基于忙音检测法、基于空分多址法以及基于轮询法，最后提出了在采用功率控制机制的基础上，结合多信道技术的解决方法，这样，不但减少了节点的功率消耗，同时也有效解决了隐藏终端和暴露终端所带来的干扰，有利于提高网络吞吐量。
关键词：移动Ad hoc网络；MAC；隐藏终端；暴露终端中图分类号:TN915.041. 引言移动Ad hoc网络是由一组静止或移动的节点组成的，一种不依赖于现有的网络基础设施和采用分布式管理的自组织网络，可以提供有效的数据和多媒体通信服务。
在移动Ad hoc 网络中，媒质（即无线信道）是一种共享和稀缺的资源，有效而且公平地控制无线节点的信道接入成为一个相当复杂的任务。
因此，人们付出了大量的努力，研究针对MAC协议的改进方案，MAC协议主要解决如何在相互竞争的用户之间分配无线信道，即无线节点如何接入无线信道来发射数据帧的问题[1]。
由于无线网络是开放式信道，使得发送节点与接收节点感知的信道状况可能不同，从而带来隐藏终端和暴露终端问题，媒质访问控制机制必须设法解决这些问题，从而具有尽可能小的时延，尽可能高的网络吞吐量。
2. MAC协议研究所面临的问题与单跳的蜂窝网络不同，移动Ad hoc网络中MAC协议的设计面临新的问题[2]：1）MAC 协议相关的无线接收问题；2）无线带宽资源有限；3）能量有限；4）多跳共享信道对MAC 协议的影响；由于无线信道是多跳共享的广播信道，带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关，而报文冲突只是局部事件，并非所有节点都能感知，这使得发送节点和接收节点感知到的信道状况不尽相同，会带来隐藏终端和暴露终端等一系列的问题。
Ad Hoc网络MAC协议模型分析及路由协议问题研究Ad Hoc网络是由一组带有无线射频的可移动终端组建的多跳自治系统。
由于其具有易部署、自组织、无需借助基础设施等特点,可广泛用于军事、灾后救援、环境监测等领域,然而网络受带宽资源有限、分布式的竞争接入、动态拓扑特性等影响,使得信道接入协议与路由协议的设计受到极大挑战。
论文分别从Ad Hoc网络MAC层DCF协议建模、信道接入协议设计、路由度量、备份路由协议以及适用于多射频多信道Ad Hoc网络路由算法等问题展开深入分析和探讨,主要研究贡献归纳如下:当前,对于802.11的DCF非饱和性能分析大多是采用二维马尔可夫链进行数学建模。
根据协议补充版本提出的Post-backoff过程,同时考虑到DCF机制对竞争节点的具有公平服务特征,推导出节点相邻两个包服务的时间间隔,从而求出节点工作在非饱和态下的传输周期,并得到吞吐量的数学表达式,这就大大简化了模型的复杂性。
仿真验证了该方法能够有效地预测网络性能。
随着网络节点数目的增多,每次传输碰撞的概率随之增大,导致DCF机制的性能下降。
在最佳窗口机制OCB(Optimal Constant Backoff)的基础上,为降低传输冲突概率,提出一个新的信道接入协议OCB-VCS。
如果多个节点的退避计数器同时递减到0,它们应进入一个包含多个竞争周期的虚拟冲突解决阶段;在每个竞争周期内,各竞争节点通过发送突发分组来声明对信道的占有,如果节点在此期间发现信道繁忙,它将退出竞争;最后,通过对该过程的数学建模,表明OCB-VCS具有较高的接入成功效率,仿真也证实了与DCF和OCB相比,OCB-VCS能够有效降低冲突概率,并提高网络吞吐量。
基于802.11协议MAC层重传策略,提出一个衡量节点接入能力的参数CAM,以体现节点周围信道的繁忙程度及其抢占信道能力。
在此基础上,联合MAC层和网络层进行跨层设计,提出了一个拥塞感知路由CAOR(Congestion Aware On-demand Routing)协议。
关于Ad-Hoc网络MAC协议性能分析的研究本文提出了IEEE802.11无线局域网一种新的“常数竞争窗口/DCF”（DCF/W）MAC协议。
首先提出了一个数学模型来分析DCF/CCW的吞吐量和访问时延情况。
分析表明，DCF/CCW的性能在不同的网络规模下存在很大的区别。
通过进一步分析研究说明，我们可以很容易获得一个已经给定的网络规模所对应的“最优常数竞争窗口”（optimal W），从而最大限度地提高系统的吞吐量。
所提供的优化机制“最优常数竞争窗口”（optimal-DCF/W）正是基于这方面的知识选择不同的网络规模对应的最优常数竞争窗口。
仿真结果表明，与IEEE802.11 DCF相比，optimal-DCF/W在吞吐量和接入时延有了明显的改善。
标签：常数竞争窗口ADhoc1 介绍在广受欢迎的广泛应用WLANs IEEE802.11标准[1]的基础上，主要的MAC 技术称之为分布式协调功能(DCF)。
DCF是基于多重存取载波监听和避碰(CSMA / CA)方案和开槽的二进制指数后退(BEB)规则。
自从IEEE802.11协议问世以来，许多文献分析了DCF的性能。
他们共同的结论是，虽然DCF简单且易实现的理想方案，但其性能并非最优，因为它需要多次尝试找到大致最好的竞争窗口，且每当传输成功后其最优竞争窗口将被还原到PHY层最小竞争窗口。
本文介绍的DCF方案是在假定站点在一个给定的时间里不知道任何网络状态情况下进行的。
然而，之前的一些文献表明一些网络动态信息可以通过监测频道获取。
其中的一些文献已经开始使用这些信息来优化WLANs IEEE802.11的性能。
参考文献[2]根据收到的网络竞争节点数量来选择竞争窗口。
参考[3]给出一个复杂的自适应机制即通过给定的节点拥挤度来选择合适的竞争窗口的大小。
参考[4]基于传输率提供了一个最佳常数窗口监测最佳传输概率。
在本文中，我们提出了一个新的MAC协议即DCF/常数竞争窗（DCF/CCW）协议在IEEE802.11的无线局域网实施。
Ad Hoc网络MAC协议模型分析及路由协议问题研究的开题报告一、题目简介题目：Ad Hoc网络MAC协议模型分析及路由协议问题研究背景：Ad Hoc网络是一种无需基础设施的网络，其中的节点可以随时加入或离开网络。
在Ad Hoc网络中，节点间通信需要借助MAC协议和路由协议。
针对Ad Hoc网络的特点和需求，本文从MAC协议和路由协议两个方面进行研究。
主要内容：本文将首先研究不同的MAC协议对Ad Hoc网络性能的影响，分析它们的优劣及适用场景。
然后研究Ad Hoc网络的路由协议和路由策略，探讨如何提高网络的稳定性和性能。
最后，实际在Ad Hoc网络中应用所选定的协议和策略，并进行实验测试。
二、研究目的和意义1. 研究Ad Hoc网络MAC协议对性能影响及适用场景，可以为实际应用提供可靠依据。
2. 研究Ad Hoc网络路由协议和路由策略，可以提高网络的稳定性和性能。
3. 在实验测试中，对所选定的协议和策略进行应用和验证，可以进一步探索Ad Hoc网络的潜力和优化方向。
三、研究方法和步骤1. 收集并分析当前常用的MAC协议，包括常见的基于CSMA/CA、TDMA、CDMA等的MAC协议，并比较它们的优缺点及适用场景。
2. 分析Ad Hoc网络的路由协议和路由策略，包括常见的距离向量算法、链路状态路由协议，以及不同的路由策略如最短路径、最小成本等；同时探讨如何提高路由效率和鲁棒性。
3. 在实验测试中，基于网络仿真工具ns-3，载入所选定的协议和策略，并进行性能评估，包括网络吞吐量、延迟、能耗等。
四、研究预期结果及创新点1. 对Ad Hoc网络MAC协议和路由协议进行分析，提供适用场景和选用建议，增强网络性能和稳定性。
2. 在实验测试中，探索Ad Hoc网络的潜力和优化方向，为未来的应用提供参考和指导。
3. 本文的创新点在于将MAC协议和路由协议进行结合分析，为Ad Hoc网络提供全面的解决方案。
移动Ad hoc网络MAC协议研究及性能仿真的开题报告一、选题背景与研究意义随着移动通信技术的不断发展，移动Ad hoc网络（MANET）的应用越来越广泛。
MANET是由一群移动节点组成的自组网络，每个节点都可以充当路由器和终端，从而实现自适应路由。
在MANET中，节点之间的通信没有固定的基础设施，因此需要一种有效的MAC协议来控制节点的接入和通信，以确保网络的鲁棒性和性能表现。
传统的有线网络MAC协议不能直接用于MANET，需要进行改进和优化。
经过多年的研究，已经出现了多种适用于MANET的MAC协议，如SMAC、DSMAC、T-MAC等。
各种MAC协议根据不同的网络环境和应用需求设计而成，具有不同的优点和局限性。
因此，本课题旨在对移动Ad hoc网络MAC协议进行深入研究，重点关注MAC协议的性能表现及其与路由协议的协同优化。
通过开展性能仿真实验，分析各种MAC协议在不同网络环境下的性能差异和优化空间，为MANET的应用和实践提供理论基础和技术支撑。
二、研究内容与技术路线（一）研究内容1.移动Ad hoc网络MAC协议的概述和分类2.MAC协议与路由协议的协同设计及其优化策略3.MAC协议的性能指标和评价方法4.常用MAC协议的原理和特点分析，包括SMAC、DSMAC、T-MAC等协议5.对比分析各种MAC协议在不同网络环境下的性能差异和优化空间6.基于NS-3平台进行性能仿真实验，探究MAC协议的性能表现及其与路由协议的协同优化（二）技术路线1.研究文献调研，对移动Ad hoc网络MAC协议进行初步了解和分类2.探究MAC协议与路由协议的协同设计及其优化策略3.确定MAC协议的性能指标和评价方法，包括吞吐量、延迟、能耗等4.分析常用MAC协议的原理和特点，对比其能量效率、抗干扰能力等方面的差异5.基于NS-3平台，进行不同网络场景下的性能仿真实验，比较各种MAC协议的性能表现6.对MAC协议的性能差异和优化空间进行分析和总结，提出进一步改进和优化的方向和思路三、预期研究成果1.系统梳理和分类移动Ad hoc网络MAC协议，便于研究和应用2.深入分析MAC协议与路由协议的协同设计及其优化策略，为后续研究提供指导3.构建MAC协议的性能评价体系，分析各种MAC协议的性能指标和差异4.对比分析常用MAC协议的原理和特点，为选择最合适的MAC协议提供参考5.通过NS-3平台的性能仿真实验，比较各种MAC协议的性能表现，提出改进和优化方向和建议6.撰写毕业论文，发表相关论文和研究成果，以期推动移动Ad hoc网络MAC协议的发展和应用四、存在问题与研究限制本课题存在以下问题和研究限制：1.研究的深度和广度有限，需要进一步加大研究力度和投入2.NS-3仿真实验是基于理论模型的，与实际网络环境可能存在偏差3.本研究只涉及MAC层性能研究，对于其他层面的研究还需进一步深入4.研究资源和实验条件有限，需要谨慎规划和集中精力五、研究进展与工作计划（一）研究进展已经完成了对移动Ad hoc网络MAC协议的文献调研和初步分类，初步明确了研究的内容和技术路线。
场景图１．１通信干扰场景÷Ａ都会对Ａ÷专Ｂ的通信产生冲突。
ＦｏｒＮｏｄｅＣ图１．２避免干扰策略下的邻居表更新文献【１９】阐述了一个完全采用定向天线的Ａｄｈｏｅ网络系统（ＵＤＡＡＮ），该系统包含：定向功率控制ＭＡＣ、对应波束的邻居发现、定向天线的链路特征描述、主动路由和转发。
而在Ａｄｈｏｅ网络中，邻居发现是建立网络中各节点之间的连接的重要步骤。
’在没有任何关于其邻居的先验信息的前提下，即使在使用全向天下的场景下，邻居发现也不是一件容易的事，而在定向天线中，面临的挑战则更艰巨。
ＵＤＡＡＮ的邻居发现是基于心跳消息的发送和接收的，心跳消息是每个节点周期性广播的控制信息。
ＵＤＡＡＮ中存在三种链路类型：Ｎ．ＢＦ（不使用定向），Ｔ－ＢＦ（只发送定向），ＴＲ．ＢＦ（传送和接收都定向）。
在定向邻居发现中，比如Ｔ－ＢＦ，ＴＲ—ＢＦ链路类型，最难的问题是如何决定节点模式和天线方向。
针对这个问题，有两种方式：盲发现和先验发现。
盲发现即节点对未发现的节点一无所知；先验发现，则是节点对未发现的节点存在一定的先验信息，能够正确的调整天线指向。
Ｎ．ＢＦ通过全向广播心跳信息（类似于ＨＥＬＬＯ信息）来实现邻居发现，和传统邻居发现是一样的。
在Ｔ－ＢＦ先验发现中，Ｘ预先有关于Ｙ的信息，当Ｘ要发现Ｙ，则定向发送心跳信息，里面包括节点Ｘ和Ｙ的信息；如果节点Ｙ收到该心跳信息，根据接收方向确定Ｘ的相对方向，Ｙ定向返回心跳信息。
在ＴＲ．ＢＦ中，提出所有节点的时间必须同步，按照某个周期，所有节点根据时间选择方向，同时随机选择在某个方向发送心跳消息并在相反方向监听该心跳消息。
某个时刻ｔ，如果发送方向是东南３０度，那么监听方向则是其相反方向西北３０度，这样保证了在所有方向循环一次后，通信范围内的所有模式相反的节点，都会在某个时刻方向相对。
许多邻居发现算法都是假设在全向接收的基础上的。
在文献［２０］［２１１５ｈ，提出了邻居发现的随机算法，也叫概率性算法。
