Adhoc网络中MAC层协议研究
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车载网中基于合作式的ADHOC MAC协议张玲;贾智平;潭懿生【摘要】由于车载网VANETs(vehicular Ad hoe networks)在道路安全、车流量管理和娱乐应用具有广阔的前景,VANETs的数据传输技术成为研究的焦点.然而,VANETs拓扑动态变化、车辆快速移动车间通信链路的断裂,降低了链路的可靠性.为此,提出合作式通信机制以提高通信链路的可靠性;并缓解因车辆移动引起的无线道路的恶化.基于ADHOC MAC方案,提出合作式的ADHOC MAC方案,记为CAH-MAC.在CAH-MAC中,一旦发现数据包未能成功传输到目的节点,邻居节点使用未占用的时隙提供合作模式重传数据.通过理论分析,得出合作模式的概率.理论分析和仿真表明,CAH-MAC提高了成功传输数据包的概率,提升了系统吞吐量.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)015【总页数】7页(P93-98,104)【关键词】车载网;媒体访问控制;合作通信;时分多址【作者】张玲;贾智平;潭懿生【作者单位】山东外贸职业学院信息管理系,青岛266100;山东大学计算机科学与技术学院,济南250101;山东大学计算机科学与技术学院,济南250101【正文语种】中文【中图分类】TP393.05频发的交通事故、日益严重的交通堵塞和用户强烈的Internet接入需求共同推进了智能交通系统ITS(intelligent transportation systems)的发展[1]。
ITS可提供多方面的应用,包括提高道路安全、提升交通效率以及娱乐。
为了实现这些应用,车辆需装备传感器和通信设备,形成通信网络,即车联网VANET(vehicular ad-hoc network)。
在VANET中,车辆通过先进的传感收集信息,并与其他车辆交互信息。
这些车辆装有车载单元OBU(on-board unit)[2]。
车辆通过OBU可实现信息的收/发功能。
文献综述计算机科学与技术无线自组网多信道MAC协议中的暴露终端和隐藏终端问题一.前言Ad Hoc网络,又称为自组织网络,是不依赖于网络基础设施,移动节点之间通过无线通信相互协作进行路由,临时构成的一种多跳无线通信网络。
这种网络具有机动性高、部署快速等诸多特点,可应用于现代化战场、救灾、会议等许多场合,因而引起了军方和学术界的广泛关注。
尽管如此,这种网络还存在诸多问题,特别是信道接入协议,目前MAC层还有许多问题未解决,比如、节点移动的影响、不同信道共享方式、MAC相关的无线接收问题等,其中,隐藏终端和暴露终端问题一直存在于AD Hoc网络中,是当今主要研究问题。
[1]本文是对在多信道MAC协议下存在的暴露终端和隐藏终端的一种探索性研究。
通过本课题的研究,可以对移动Ad Hoc网络中在单信道条件下是怎么解决暴露终端和隐藏终端有一定的了解,同时主要讨论在多信道MAC协议下解决暴露终端和隐藏终端问题的方法[2]。
二.Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络又称为自组网、自愈网,是一种对等网络。
它不依赖于固定的基础网络设施,并且网络中各节点的地位平等,无中心控制节点,是一个分布式系统。
它可以由无线移动终端在一定的范围内自由搭建。
"Ad Hoc"一词来源于拉丁语,意思是“专用的、特定的”。
由于自组网快速、灵活,使用方便,目前Ad Hoc网络已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向,并将在未来的通信技术中占据重要地位。
[3]与其它通信网络相比,移动Ad Hoc网络的主要特征主要有以下几点:(1)网络独立性。
(2)动态变化的网络拓扑结构。
(3)有限的无线通信带宽。
(4)有限的主机能源。
(5)网络的分布式特性。
(6)生存周期短。
(7)有限的物理安全。
三.Ad Hoc 网络中的MAC协议Ad Hoc网络由于节点的移动性和多跳性,在设计MAC协议时必须考虑隐藏终端和暴露终端的问题。
隐藏终端是指在发送者的通信范围之外,而在接受者通信范围之内的节点。
关于Ad-Hoc网络MAC协议性能分析的研究摘要: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。
关键词: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。
探讨与研究 DISCUSSION AND RESEARCHAd Hoc网络协议仿真与分析文/陈蜀波 刘 堃摘 要:Ad Hoc应用越来越广泛,本文介绍和分析了当前Ad HOC网络中的主要路由协议算法,使用网络仿真软件NS2对Ad Hoc路由协议中的DSR、AODV、DSDV协议进行了仿真分析,由此得出这几个经典协议在无线通信中的差异。
关键词: Ad Hoc;NS2;路由协议随着现代信息技术的不断发展,人们对于移动无线通信网络的研究不断升温,其中,移动自组网(Mobile Ad Hoc Network MANET)成为了研究的热点。
移动自组网是一种带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的无中心网络。
整个网络没有固定的基础设施,在自主网中,每个用户终端不仅能够移动,而且兼有路由器和主机两种功能[1]。
NS2是network Simulator 2(网络仿真器版本2)的简写,它是一个离散时间模拟器,具有开放性好、扩展性强、适用于Windows和Linux系统平台的特点,是一个出色的研究网络拓扑结构、分析网络传输性能的仿真工具[2]。
1.Ad hoc网络路由协议与传统的通信网络相比,Ad hoc网络具有以下显著特点:无中心和自组织性、动态变化的网络拓扑结构、多跳路由、无线传输、移动终端的便携性、安全性差。
Ad hoc网络的以上特点使得传统的路由协议在Ad hoc网络环境中面临巨大的挑战,通常的网络协议都是基于固定的拓扑结构设计的,难以适应拓扑结构的变化。
网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化,传统的基于因特网的路由协议无法适应这些特性,需要有专门的应用于无线网络的路由协议。
到目前为止,已经有相当多的Ad hoc网络路由协议标准推出。
根据路由表建立和维护的不同,可将路由协议分为三类:表驱动(Table—Driven)路由协议,按需(On-Demand)路由协议,以及两种模式的混合形式:混合式路由协议[3]。
1.MAC层协议,数据包通信过程,加密认证过程,代码理解(80211,wpa_supplicant)物理层:参考:802.11a:最高54Mbit/s,播在5GHz,在52个OFDM副载波中,802.11b:其载波的频率为2.4GHz,可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重传送速度。
11个频段,每个频段为22M, DSSS802.11g: 共14个频段,原始传送速度为54Mbit/s, OFDM调制方式802.11i: 填补802.11脆弱的安全加密功能(WEP), 其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP (CTR with CBC-MAC Protocol)802.11n: 2.4 GHz or 5 GHz bands;速率:300 Mbit/s (20MHz*4 MIMO) 或者600Mbit/s(40MHz*4 MIMO);802.11ac:更宽的RF带宽(提高至160 MHz),更多的MIMO空间流(spatial streams)(增长到8),多用户的MIMO,以及高密度的解调变(modulation,最高可达成256 QAM)。
Wifi的整个信道列表:下图是2.4OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,事实上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。
其重要思想是:将信道提成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
64-QAM:256-QAM:FHSS(frequency-hopping spread-spectrum):调频展频DSSS(direct-sequence spread-spectrum):直接序列展频OFDM():正交频分复用MAC层协议MAC层的功能:扫描,接入,认证,加密,漫游,同步。
MAC层面临的问题:隐藏节点的问题如图3-2 所示,节点2 可以之间跟节点1 和节点3 通信,但是某些因素导致节点1 与节点3 无法直接通信。
Ad-hoc网络的负载自适应MAC协议
吴心一;赵霞;孟传伟;王祝萍
【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2012(033)009
【摘要】基于Ad-hoc网络,提出一种负载自适应MAC协议——LAP.该协议综合考虑了站点个数、帧长度和帧到达率对网络负载的影响,并引入负载因子评估当前
网络的负载状况.当负载因子小于切换阈值时,LAP采用基于竞争的CSMA/CA机制;反之,则采用基于非竞争的Token-Ring机制.仿真证明,该协议能在重负载和轻负载环境中有效控制接人延时,最终提高网络实时性.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】吴心一;赵霞;孟传伟;王祝萍
【作者单位】同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工
程学院,上海201804;上海电信科技发展有限公司,上海200010;同济大学电子与信
息工程学院,上海201804
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于位置信息的多信道Ad-HOC网络MAC协议研究 [J], 应瑛;章坚武
2.Ad-hoc网络中一种低控制开销的多信道MAC协议 [J], 蔡凤梅;邝育军
3.支持Ad-hoc网络中多媒体业务的MAC层协议 [J], 孙小霞;石娜;何辉;邵娟
4.Ad-hoc网络的关键技术——MAC层协议研究 [J], 李哲;陈飞
5.一种负载均衡的移动Ad-hoc网络路由协议及改进 [J], 赵力强;王新;林国祥;薛向阳
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文章编号:1673-2103(2006)02-0024-04Ad hoc 网络中MAC 层协议研究王春霞Ξ(商丘师范学院计算机系,河南商丘476000) 摘 要:首先给出Ad hoc 协议结构,讨论MAC 层协议中所面临的新问题,如:信道共享,隐终端问题,暴露终端问题等,并提出几种解决问题的方案,给出进一步的研究方向.关键词:Ad hoc 网络;MAC 协议;隐终端;暴露终端中图分类号:TP 311.13 文献标识码:A Ad hoc 网络是一种无中心自组织的多跳无线网络,它不以任何已有的固定设施为基础而能随时随地组建临时性的网络.由于这种方便性,并且随着无线通信技术的发展和移动终端性能的提高,特别是人们对个人通信日益增长的需求,使得移动Ad hoc 网络的应用范围正逐步扩大.由于Ad hoc 网络的特殊组织形式,固定网络的协议和有中心无线网络(如蜂窝网)的很多协议无法直接被它采用.因而需要设计专门适用于Ad hoc 网络的协议.MAC 层协议是Ad hoc 网络协议中关键技术和研究重点.1 Ad hoc 网络的协议结构[1] Ad hoc 网络的协议分为应用层、传输层、网络层、链路层和物理层.上层的应用服务和传输服务为终端的应用程序提供相应的服务.转发和路由完成网络层的功能.如果Ad hoc 网络支持IP 的话,路由协议将可以处于IP 层以下,也可以处于IP 层以上.若处在IP 层以下,路由协议使用网络的内部地址(如物理地址)来标识结点,结点间报文的转发也将在IP 层以下完成.如路由协议处在IP 层以上,就可以使用IP 地址来标识结点,在IP 层进行报文的转发.Ad hoc 网络的链路层协议可分为两个子层:LLC 子层和MAC 子层.LLC 子层负责完成连接控制、分簇等与信道无关的链路层控制功能.MAC 子层控制结点接入无线信道,为上层提供快速、可靠的保文传送支持.由此可见,MAC 层协议是Ad hoc 网络协议中关键技术和研究重点.它处在协议栈软件的最底层,是报文在无线信道上发送和接受的直接控制者.MAC 层协议能否有效地使用无线信道的有限带宽,将对Ad hoc 网络的性能起着决定性的作用.2 MAC 层协议面临的问题 由于Ad hoc 网络特殊的组织形式,MAC 层协议面临许多新的问题.这些问题包括不同信道共享方式、隐终端问题、暴露终端问题和节点移动的影响等.Ad hoc 网络的MAC 层协议必须尽量消除这些因素的影响.2.1 不同的信道共享方式在普通的通信网络中,信道的共享方式一般有三种:点对点、点对多点和多点共享(如图1).点对点是最简单的共享方式,两个节点可以通过半双工的方式共享一个信道.点对多点一般用于中心控制站的无线信道.多点共享指多个终端共享一个广播信道.在多点共享方式中,一个终端发送报文,所有的终端都可以听到,即相当于一个全互联的网络.称这种共享方式下的信道为一跳共享广播信道.而Ad hoc 网络的信道共享方式与它们不同.虽然Ad hoc 网络的无线信道也是一个共享的广播信道,但它不是一跳共享的.因为当一个节点发送报文时,只有在它覆盖的范围内的节点(称为邻居)才能够收到,而覆盖范围外的节点感知不到任何通信的存在.这恰恰是Ad hoc 网络的优势所在,发送节点42第28卷第2期V ol.28 N o.2 菏泽学院学报Journal of Heze University 2006年4月Apr. 2006Ξ收稿日期:2005-12-13基金项目:河南省教育厅自然科学基金资助项目(2003110010).作者简介:王春霞(1975-),女,河南沈丘人,讲师,硕士,研究方向:计算机网络.覆盖范围外的节点不受发送节点的影响,它们也可以同时发送报文.即在使用一个通信频率的情况下,Ad hoc 网络中也可以有多对节点同时通信,这就提高了频率的空间复用度.称Ad hoc 网络的这种共享信道为多跳共享广播信道.图1 信道共享方式 多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的地理位置相关.在一跳共享的广播信道中,报文冲突是全局事件.所有的节点要么都收到正确的报文,要么都会感知报文的冲突.而在Ad hoc 网络中,报文冲突只是局部事件,并非所有节点都可以感知.一个节点正确地接收到一个报文,该报文可能在另一个节点处发生了冲突,也可能报文在接收节点处发生了冲突,而发送节点毫不知情.即发送节点和接收节点所感知到的信道状况不一定相同,这会带来隐终端、暴露终端等一系列的问题.总之,由于Ad hoc 网络特殊的信道共享方式,蜂窝移动通信系统中使用的有中心信道接入技术和传统的基于共享广播信道的信道接入技术都无法直接应用到Ad hoc 网络中.在蜂窝移动网络的信道接入技术中,终端在基站的控制下接入信道.而Ad hoc 网络中没有类似基站的控制实体,因而需要专门语言的设计来实现.2.2 隐终端问题隐终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点.隐终端听不到发送节点的发送而可能向同样的接收节点发送报文,造成报文在接收节点处的冲突.冲突后发送节点要重传冲突报文,这降低了信道的利用率.所以,Ad hoc 网络MAC 层协议必须要尽量解决隐终端的问题.隐终端问题如图2所示.在图2中,当节点A 向节点B 发送报文时,节点C 为隐终端.隐终端又可分为隐发送终端和隐接收终端两种.因节点C 感知不到节点A 的发送,它认为自己可以发送报文.如果C 此时向B 或D 发送报文就会产生冲突,C 成了隐发送终端.当A 向B 发送报文时,C 显然不能发送信息.由于C 在A 的通信范围以外,A 显然无法通知C 它要发送报文.所以要想让C 获知A 要向B 发送报文,必须要B 在接收数据之前通知C :A 要向B 发送报文,C 此时不能发送任何信息.一种可能的解决方案是在发送报文前,通信双方先使用控制报文进行握手,听到回应的握手信号(由接收者发送的)的节点必须延迟发送.例如当A 要向B 发送数据时,A 先向B 发送一个控制报文RTS (Request T o Send );B 收到RTS 后,以CTS (C onfirm T o Send )控制报文回应;A 收到CTS 后才开始向B 发送报文.如果A 收不到CTS ,A 认为发生了冲突,所以就重发RTS 控制报文.这样,隐终端C 就能听到B 发送的CTS ,知道A 要向B 发送报文,C 不能发送任何消息,它就延迟发送.这样就解决了隐发送终端的问题.图2 隐终端问题若采用这种通信握手的方案,当C 听到B 发送的CTS 控制报文而延迟发送时,如果此时D 向C 发送RTS 控制报文请求发送数据,因为C 此时不能发送任何信息,所有D 就无法收到C 回应的CTS.这被称为隐接收终端问题.D 无法判断是RTS 控制报文发生了冲突还是C 没有开机,还是C 是隐终端.D 只能认为是RTS 报文发生了冲突,就重新向C 发送RTS.显然D 在A 和B 通信期间不可能收到来自C的CTS ,这造成了不必要的重发.当系统只有一个信道时,因C 不能发送任何消息,它无法通知D 它是隐终端.所以隐接收终端问题在单信道的条件下是无法解决的.如果使用双信道,让数据报文在数据信道上传送,而控制报文在控制信道上传送.当上图中的节点522006年 王春霞:Ad hoc 网络中MAC 层协议研究 第2期D 要向隐终端C 发送报文时,它在控制信道上向C发送RTS.隐终端C 可以在控制信道上向D 回应CTS ,D 就可以使用数据通信信道向C 发送数据报文.这些发送不会影响A 向B 的发送.这就解决了隐接收终端的问题.2.3 暴露终端问题暴露终端是指在发送节点覆盖范围内而在接收节点覆盖范围外的节点.暴露终端因能够听到发送节点的发送而可能延迟发送.但因为它在接收节点的通信范围之外,它的发送实际上并不会造成冲突.这就引入了不必要的延迟,所以也要想办法解决.暴露终端问题如图3所示.图3 暴露终端问题在图3中,当节点B 向节点A 发送报文时,节点C 处于B 的覆盖范围内而处在A 的覆盖范围之外,C 是暴露终端.C 因听到了B 的发送而可能会延迟向D 发送报文,但实际上C 向D 发送并不会影响B 向A 发送.如果仍采用解决隐终端问题提出的握手机制.当B 向A 发送数据时,C 听到了B 发送的RTS 控制报文,但没有听到A 回送的CTS 报文.此时,C 便知道自己是暴露终端,它向D 发送数据并不会影响B 与A 的通信.暴露终端也可以被分为暴露发送终端和暴露连接终端两种.在B 向A 发送数据时,C 只听到RTS 控制报文,知道自己是暴露终端,认为自己可以向D 发送数据.C 向D 发送RTS 报文.如果采用单信道,来自D 的CTS 会与B 发送的数据报文在C 处发生冲突.也就是说C 收不到D 的CTS.同样,由于C 不知道D 的当前状态,就重发RTS.显然,如果使用单信道,在B 与A 通信期间,C 无论发送多少次RTS ,它都不可能听到来自D 的CTS.C 不但没有向D 成功发送数据报文,反而重发了很多无用的控制报文.这是暴露发送终端的问题.从上文可知,如果采用发送数据前握手机制,因暴露终端C 无法和D 成功握手,它还是不能向D 成功发送报文.因此单信道条件无法解决问题.在单信道条件下暴露接收终端问题同样是无法解决的.如果使用双信道,如图3的暴露终端C 想要向D 发送报文,它可以使用控制信道与D 进行RTS -CTS 握手.握手成功后C 也可以使用数据信道向D发送数据报文而不影响B 向A 的发送,问题得到了解决.对于暴露接收终端,双信道同样可以解决问题.2.4 节点移动的影响Ad hoc 网络中的节点是可以自由移动的,这会造成网络拓扑结构不断变化.会对Ad hoc 网络的信道接入协议带来一定的影响.当一对节点正在通信时,因移动而进入接收节点通信范围的节点可能会发送数据而引起报文冲突,这被称为入侵终端问题.一个报文的发送时间是非常短暂的,在普通的移动速度下,节点的位置并不会发生太大的变化.这就是说入侵终端问题的影响并不会太严重.有关文献通过理论和仿真分析证明了这个结论,因此在研究Ad hoc 网络信道接入协议时,节点的移动影响可以忽略.3 MAC 层协议的研究方向 MAC 层协议是Ad hoc 网络协议的基础.它控制着结点如何接入无线信道,对Ad hoc 网络的性能起着决定性的作用.采用双信道或者多信道协议把控制和数据分开,可以提供更好的空间复用度和信道利用率,使更多对结点同时进行通信,大大提高网络的吞吐量.针对Ad hoc 网络的特点以及未来新业务的要求,在现有MAC 层协议基础上可以做以下几个方面的研究:1)移动性预测:在Ad hoc 网络中,节点的移动变化如果在MAC 层及早地被发现,就可以减少上层不必要的报文传送,降低冲突的发生.2)移动自组网设备一般靠能量有限的电池供电,为了节能,可采用节能机制(如PAMAS )和功率控制机制(如MAC A [2,3]).既节能又不明显影响网络性能的MAC 层协议也是要考虑的事情.3)Q oS 支持:由于Ad hoc 采用无线信道作为传输媒介,每个节点在确保自身Q oS 保障实现的同时,不可避免地阻止其他节点访问该媒介以实现相应的Q oS 保障,因此Q oS MAC 机制一直是研究热点.4)多包接收:多包接收模型改变了传统的冲突信道模型,设计和实现基于多包接收的MAC 协议可以减少冲突,提高网络性能.5)跨层设计:现有MAC 层协议的设计受限于传统的分层协议模型,如何结合物理层和上层的信息,设计和实现全局优化的MAC 层协议.622006年 菏泽学院学报 第2期4 结束语 Ad hoc网络是一种特殊的对等式移动网络,它具有无中心、自组织、多跳路由等特点,使MAC层协议的设计面临巨大的挑战.MAC层涉及多个方面,它的目标是共享信道的多个节点在尽可能公平和无冲突的条件下协调地接入信道,以提高网络性能.同时Ad H oc网络面临着隐终端和暴露终端问题的威胁.这将严重影响信道接入协议的性能.参考文献:[1] 李勇,黄均才,王凤碧,等.Ad hoc网络体系结构研究[J].计算机应用,2005,(1):163-166.[2] IEEE S td802.11.Wireless LAN Medium access C ontrol(M AC)and physical layer(PHY)specifications[S]. [3] Xu Sg,Saadawi T.D oes the IEEE802.11M AC protocolw ork well inmultihop wireless ad hoc netw ork[J].IEEEC ommunication Magazine.2001,(6):130-137.A R esearch on Ad hoc N etw ork MAC ProtocolWANG Chun2xia(Dept.of C om puter,Shangqiu T eachers C ollege,Shangqiu Henan476000,China)Abstract:Ad hoc protocol structure for Ad hoc is offered firstly.Discusses s ome problems in the MAC protocols that Ad hoc netw ork has to face,such as channel share,the hidden terminal and exposed terminal etc.,and brings up a few s o2 lutions.Finally,further research directions are points out.K ey w ords:Ad hoc netw ork;MAC protocol;hidden terminal;exposed terminal72 2006年 王春霞:Ad hoc网络中MAC层协议研究 第2期。