无线网络技术导论笔记(第五讲)

无线网络技术导论

主讲教师:张亮老师

第五讲 无线自组织网络

https://blog.csdn.net/Wjwstruggle/article/details/91629362

目录

无线网络技术导论

第五讲 无线自组织网络

​一、移动Ad Hoc网络概述

1、移动无线网络

2、移动互联网的起源

3、移动互联网的研究活动

4、移动Ad hoc网络/多跳无线网络

5、移动ad hoc网络

6、移动ad hoc网络与传统固定网络比较

7、移动ad hoc网络与分组无线网、无线局域网、红外网络比较

8、移动ad hoc网络与常规移动通信网络比较

9、ad hoc网络面临的问题

10、影响ad hoc网络的主要因素

11、实现ad hoc网络的关键技术

​二、移动Ad Hoc网络网络层

1、Ad hoc网络体系结构

2、平面结构的优缺点

3、层次结构的优缺点

4、Ad hoc网络的路由概述

5、Ad hoc路由面临的困难

6、常规路由协议是否可用?

7、Ad hoc网络对路由协议的要求

8、Ad hoc路由协议分类

9、按需(on-demand)路由协议

10、表驱动(table driven)路由

11、分级路由协议

12、评价ad hoc网络路由协议的指标

13、主动路由

14、距离矢量(Distance-Vector)

15、DSDV协议特点

16、DSDV路由表

17、路由通告(route advertisement)

18、路由选择(Route Selection)

19、DSDV优缺点

20、优化的链路状态路由协议(OLSR)

21、动态源路由协议(DSR)

22、按需操作的优点

23、路由发现的其他特点

24、路由维护的其他特点

25、DSR协议优缺点

​三、移动Ad Hoc网络MAC层

1、设计MAC协议时必须仔细考虑的问题

2、竞争协议(Contention Protocol):

3、ALOHA协议

4、载波侦听多址访问协议(CSMA)

5、基于控制分组握手的访问控制协议:

6、忙音类多址访问协议

7、分配类协议:

8、时分多址访问协议(TDMA)

9、五步预留协议(FPRP)

10、跳频预留多址访问协议(HRMA)

11、混合类协议

12、混合时分多址访问协议(HTDMA)


1、移动无线网络

蜂窝移动通信网络

  • 移动终端和固定基站互相通信,移动终端不具备路由功能
  • 基站负责路由和交换功能,基站充当接入有线网络的网关

WLAN

  • 移动节点配备无线网网卡,移动节点通过接入点与固定网络连接
  • WLAN工作在链路层,对网络层透明,对网络层来说WLAN是一个单跳网络
  • 依赖于类似基站或接入点的现有网络基础设施。

2、移动互联网的起源

  • 20世纪70年代分组无线网(PRNET:packet radio net):战场环境下的数据通信
  • 1983年的抗毁自适应网络(SURAN:survivable adaptive network):支持大规模网络,自适应网络协议
  • 1994年的全球移动信息系统(GloMo:global mobile information systems):满足军事应用可快速展开高抗毁性的移动信息系统

3、移动互联网的研究活动

  • IEEE802.11首次提出“ad hoc”:自组织、对等式、多跳无线移动通信网络
  • Internet工作组:IETF1997年成立MANET工作组(利用多跳无线网构造一个基于IP的移动互联网),IRTF在2003成立了ANS 研究组
  • 其他学术商业团体:大学、军队和工业届的研究项目,商业系统:FireTide、MeshNetworks、PacketHop Networks、SkyPilot Network、Tropos Networks…

4、移动Ad hoc网络/多跳无线网络

  • 由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成
  • 网络中每个终端可以自由移动、地位相等
  • 是一个多跳、临时、无中心网络
  • 不需要现有信息基础网络设施的支持
  • 可以在任何时候、任何地点快速构建起来的移动通信网络

5、移动ad hoc网络

具备移动通信网络和计算机网络的特点

  • 移动通信和计算机网络相结合
  • 报文交换采用分组交换机制
  • 用户终端是配有无线收发设备的移动便携式终端
  • 作为主机要运行面向用户的应用程序
  • 作为路由器要运行相应的路由协议
  • 终端之间的路由通常通过多个中间节点的转发来完成

网络拓扑动态变化

  • 用户终端随意移动
  • 节点的开机/关机
  • 无线电发送功率变化
  • 无线信道间互相干扰
  • 地形等综合因素影响

多跳组网方式

  • 接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信,因此大大节约电池能量的消耗。
  • 中间节点参与分组转发,能有效降低对无线传输设备的设计难度和成本,同时扩大了自组网络的覆盖范围。

有限的无线传输带宽

  • 无线信道能提供的网络带宽比有线信道要低很多
  • 竞争共享无线信道产生的碰撞
  • 信号衰落、噪声干扰以及信道之间干扰等

移动终端的自主性

  • 自组网络的移动终端之间存在某种协同工作关系
  • 每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务

安全性差

  • 无线链路使ad hoc网络容易受到链路层的攻击
  • 节点漫游时缺乏物理保护
  • 移动性使得节点之间的信任关系经常变化

网络的可扩展性不强

  • 节点之间的相互干扰造成网络容量下降
  • 各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降

存在单向的无线信道

  • 无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响

生存时间短

6、移动ad hoc网络与传统固定网络比较

  • 固定网络中主机位置基本不变
  • 固定网络结构一般比较复杂
  • ad hoc网络规模相对较小
  • ad hoc网络的拓扑结构比较简单
  • ad hoc网络拓扑结构快速变化

7、移动ad hoc网络与分组无线网、无线局域网、红外网络比较

  • 单跳与多跳:WLAN、红外网络都是单跳网络,不存在路由问题
  • 研究重点不同:Ad hoc网络的研究内容主要以路由协议为核心的网络层设计
  • 通信模式不同:ad hoc移动终端的通信是对等的

8、移动ad hoc网络与常规移动通信网络比较

  • 不需要网络通信基础设施支持
  • 不依赖基站进行通信
  • 数据通信业务为主
  • 拓扑结构动态变化

9、ad hoc网络面临的问题

  • 特殊的信道共享方式:共享信道、“隐藏终端”/“暴露终端”
  • 动态变化网络拓扑:常规路由协议花较高代价(带宽、能源、CPU等)获得的路由信息可能已经陈旧
  • 有限的无线传输带宽:减少节点之间交换的信息量、减少控制信息带来的附加开销
  • 节能问题:功率控制、电池供电
  • 安全问题:无线信道更容易受到各种攻击、缺乏物理保护使得攻击可能来自内部、移动性使得节点之间的信任关系不断变化、安全策略应具有可扩展性
  • 网络管理:拓扑管理、确定一种将一组节点组织成网络的机制
  • 移动性管理:跟踪网络内移动节点的位置
  • 服务质量保证:多跳拓扑动态变化的移动ad hoc网络中服务质量保证仍然是个问题
  • 地址自动配置

10、影响ad hoc网络的主要因素

  • 无线通信技术:受限于底层无线通信技术的性能(传输率、延迟、吞吐量)
  • 节点密度:密度越高传输路径的跳数越多,受网络拓扑变化的影响就越明显。
  • 节点移动速度:速度越高节点间的拓扑结构的稳定性越差,路由计算和交换负载越大。
  • 通信负荷和通信模式:流量特性和分布将直接影响到网络的吞吐性能。

11、实现ad hoc网络的关键技术

  • 路由协议:感知网络拓扑结构的变化,维护网络拓扑的连接,高度自适应的路由,广播和多播
  • 服务质量
  • 功率控制:信道接入技术,能耗节约机制
  • 安全问题
  • Ad hoc网络的互联:多个ad hoc网络互联,内部节点访问Internet功能
  • Ad hoc网络的资源管理
  • 传输层服务的性能

1、Ad hoc网络体系结构

网络结构

  • 平面结构(完全分布式):所有节点的地位平等
  • 层次结构(分层分布式):网络被划分为簇(cluster),每个簇由一个簇头和多个簇成员组成,簇头可形成更高一级的网络

多层体系结构:使用多频的两级结构

异构ad hoc无线网络:移动节点的计算能力不同,移动节点的能量不等

2、平面结构的优缺点

优点

  • 简单:所有节点能力相同(网络控制、路由选择、流量管理)
  • 健壮:只要存在多条路径就能通信
  • 相对安全
  • 节点覆盖范围较小

缺点

  • 路由开销大:节点数目多移动性强的环境下,维持网络最新拓扑的控制开销大。
  • 可扩充性差

3、层次结构的优缺点

优点

  • Cluster成员功能简单
  • 路由信息局部化:减少路由协议开销
  • 节点定位简单
  • 可扩展性好
  • 抗毁性好

缺点

  • Cluster头需要选择
  • 所有传输都通过头:路由不一定最短
  • Closter头是瓶颈

4、Ad hoc网络的路由概述

  • 通信两点可能不在相互的无线传输范围内
  • 需要其他节点承担路由器的转发工作
  • 节点移动要发现新路由

5、Ad hoc路由面临的困难

路由信息不易获得

  • 定期交换路由信息或者按需搜索路由的开销大
  • 网络资源有限,并且必须被所有节点共享
  • 节点资源(电池、CPU等)也是有限
  • 也许不可能收集齐所有的路由信息

路由信息不完整

  • 由于移动和分区很难将信息分发到一个没有固定成员

网络的所有节点路由信息可能过期

  • 不可能连续地或者立即地交换信息
  • 节点随时移动
  • 无线传播变化很大

6、常规路由协议是否可用?

  • 常规路由协议不是为高移动性和低带宽网络设计的
  • DV算法存在“无穷计算”问题和慢收敛
  • 采用泛洪技术的(链路状态)协议造成额外的通信和控制开销
  • 常规路由协议周期性地路由更新消耗大量的网络带宽和节点能源
  • 当网络节点失效和网络分区时形成路由回路
  • 无线终端功率的差异以及无线信道的干扰导致单向信道的存在

7、Ad hoc网络对路由协议的要求

  • 收敛迅速
  • 提供无环路由
  • 避免无穷计算
  • 控制管理开销小
  • 对终端性能无过高要求
  • 支持单向信道
  • 尽量简单实用
  • 路由机制必须适应网络三个不断变化的基本特征:移动节点的总体密度、节点到节点的拓扑、网络的使用模式

8、Ad hoc路由协议分类

  • 平面路由:无需建立具有特殊cluster头功能节点的层次结构;不划分区域以及所谓的区内/外不同路由;所有的节点在路由机制中地位平等;寻址方式是平面的
  • 层次路由:节点功能不同;寻址方式是分层进行的
  • 地理信息辅助路由:利用地理信息进行路由选择

9、按需(on-demand)路由协议

反应式(reactive)路由
在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由

  • 控制信息采用泛洪(flooding)方式
  • 路由请求延迟高
  • 路由开销低

两种实现技术

  • 源路由(报文头携带完整的路由信息)
  • hop-hop路由

DSR、AODV

10、表驱动(table driven)路由

先应式(proactive )路由
传统的分布式最短路径路由协议:链路状态或者距离向量;所有节点连续更新“可达”信息
每个节点维护到网络中所有节点的路由
所有路由都已经存在并且随时可用
路由请求的延迟低
路由开销高
OLSR、TBRPF

11、分级路由协议

层次式(hierarchical)路由
一些节点组成一个cluster或者zone
这些cluster或者zone可组成较大的supercluster或者superzone
Cluster和zone的不同
cluster内所有节点都与cluster head直接通信,cluster内节点间的通信一般是两跳。
zone的大小没有限制,zone内节点的通信可多跳。
ZRP

分级路由协议的优缺点

优点

  • 网络拓扑结构的细节通过节点的层层聚合被隐藏起来,由此大大降低大型网络的存储要求。
  • 路由信息分层传播,需要在全局传播的路由信息较少。
  • 有限的链路状态维护
  • 按需建立路由
  • 具有较好的伸缩性

缺点

  • 分级路由协议的移动管理比较复杂
  • 某些节点(cluster head/ gateway)比其他节点承担更多的通信和计算负载。
  • 可靠性受影响

12、评价ad hoc网络路由协议的指标

  • 端-端的数据吞吐量和延迟:反映了数据报的传输质量
  • 路由请求的时间:有数据需要发送到发送出去的时间
  • 路由协议的效率:路由控制信息与数据信息的比率

13、主动路由

表驱动(Table driven )路由
先应式路由机制

传统的分布式最短路径路由协议:链路状态或者距离向量;所有节点连续更新“可达”信息
每个节点维护到网络中所有节点的路由
所有路由都已经存在并且随时可用
路由请求的延迟低
路由开销大
OLSR、TBRPF

14、距离矢量(Distance-Vector)

基于分布式的Bellman-Ford算法
每个节点维持一张路由表

  • 所有可达目的地
  • 到目的地的下一跳
  • 到达目的地的跳计数

定期把路由表发给所有的邻居一边

15、DSDV协议特点

  • 保持了DV算法的简单性
  • 确保无路由回路:新的路由表带有目的地序列号
  • 对于拓扑变化能快速反应:当路由表发生重大变化时立即启动route advertisement;但是等待不稳定路由的通告(减缓路由波动)?

16、DSDV路由表

  • Sequence number:由目的端确定,用来保证不出现路由回环
  • Install time:该表项的创建时间(用来删除表中过时路由信息)
  •  Stable data:Pointer to a table holding information on howstable a route is;用来缓解路由波动

17、路由通告(route advertisement)

向每个邻居通告自己的路由信息

  • 目的地地址
  • metric = 到目的地的跳计数
  • 目的地的序号

设置序号的规则

  • 每次通告递增自己的目的地序号(只用偶数值)
  • 如果一个节点不再可达(timeout),则将该节点的序号递增1(奇数值)并置metric = ∞

18、路由选择(Route Selection)

将收到的路由更新信息与自己的路由表比较
选择目的地序号大的路由(这样能确保使用的总是来自目的地的最新路由信息)
如果目的地序号相同,则选择具有较好metric值的路由。

19、DSDV优缺点

优点

  • 非常简单(几乎与DV算法一致)
  • 通过目的地赋予的序号值来防止出现路由回环
  • 不存在路由发现带来的延迟

缺点

  • 没有节点睡眠
  • 开销:多数路由信息从不使用

20、优化的链路状态路由协议(OLSR)

  • Optimized Link State Routing Protocol
  • 先应式的链路状态路由协议
  • 是对常规表驱动协议的改进

OLSR中的关键概念是多点转播(MPRs),MPRs是在广播洪泛的过程中挑选的转发广播的节点。
链路状态更新消息分组变小(只包含某节点的邻居节点的一个子集)
网络中链路状态更新消息广播产生的通信量减少(只有MPR节点才会重传该分组)
只报告自己与MPR选择器之间的链路

  • 继承了链路状态协议的稳定性,同时最小化了报文转发前的等待时间。
  • 优化基于多点中继的概念

21、动态源路由协议(DSR)

  • 基于源路由概念的按需自适应路由协议
  • 允许节点动态发现到任何目的地source route
  • 中间节点不必存储转发分组所需的路由信息
  • 采用Cache存放路由信息
  • 允许网络完全自我组织和自我配置
  • 因其简单而有效成为首选协议
  • 网络开销较小
  • 存在陈旧路由

22、按需操作的优点

路由发现和维护都是按需进行的

  • 不需要周期性地通告路由
  • 不需要感测链路状态
  • 不需要邻居检测
  • 不依赖于任何底层协议

按需操作没有周期性通告的优点

  • DSR的开销在网络中多数节点相对位置近似不变的情况下接近0
  • 随着节点的移动通信模式的变化DSR的路由包开销能自动扩展成当前使用的路由情况

23、路由发现的其他特点

1、缓存转发获得的路由信息
ROUTE REQUEST:记录了一条从路由发现发起端到本节点的路由
ROUTE REPLY:给出一条从目标端到路由发现发起端的反向路由
数据分组:给出一条从数据报源端到目标端的正向路由

2、缓存侦听获得的路由信息(与前面类似)
如果C与X的链路是双向的,则可缓存路由信息

3、使用缓存的路由响应ROUTE REQUEST
收到路由请求包的中间节点可用自己route cache 缓存的到目标节点的路由信息应答路由请求;
ROUTE REPLY中的路由记录=ROUTE REQUEST中的list + 缓存的路由
在返回ROUTE REPLY之前要检查是否存在路由环路

4、ROUTE REPLY风暴
节点广播一个针对某目标端的路由请求,当其邻居的cache中都有该目标端的路由时,每个邻居都试图以自己的缓存路由响应,由此造成应答风暴;
风暴将浪费网络带宽
风暴将加剧局部网络冲突

5、预防ROUTE REPLY风暴
节点将网络接口置于promiscuous接收方式;
延迟发送ROUTE REPLY;
同时侦听路由请求端是否在用更短的路径发送;

6、ROUTE REQUEST的跳数限制
ROUTE REQUEST消息中的hop limit字段限制了转发该路由请求消息的中间节点数量;

7、非传播ROUTE REQUEST消息
Hop limit = 0可用来确定目标节点是否在路由发现发起端的邻居;
Hop limit = 0可用来确定路由发现发起端的邻居是否有缓存的路由;
如果在一定的时间间隔内没有收到ROUTE REPLY消息,则采用广播ROUTE REQUEST消息;

8、扩展环搜索(expanding ring)
逐步递增hop limit的值

24、路由维护的其他特点

1、营救(salvaging)分组
如果节点在自己的缓存路由中发现有到目标的路由,则在报告ROUTE ERROR之后努力营救分组;
两种方式

  • 将分组的源路由替换成缓存的路径;
  • 保留分组源路由的前缀,用缓存的路由替换分组源路由的后缀;

2、路由最短自动化
数据分组使用的源路由在一个或多个中间节点不需要时能自动实行路由最短化
节点给数据分组的源端发回一个免费的ROUTE REPLY消息

3、增加ROUTE ERROR消息的扩展范围
当一个节点收到ROUTE ERROR而本地cache内没有第二条路由时,要发起新一轮的ROUTE REQUEST;
新ROUTE REQUEST消息“捎带”ROUTE ERROR消息内容以便通告所有邻居特定链路中断情况;
由此保证之后收到的ROUTE REPLY不是原来的过时路由

4、缓存否定信息
节点收到ROUTE ERROR后不是简单地删除该路由,而是将特定链路中断信息缓存一段时间;
随后收到的所有包含该中断链路的路由都很容易判断为不可用;
缓存的链路中断信息必须超时删除,以便在该链路恢复工作时可用;

25、DSR协议优缺点

DSR协议优点

  • 节点不需要周期性地发送路由广播分组
  • 无须维持到全网所有节点的路由信息:节省了电池能量和网络带宽,尤其是当没有节点要发送数据时,网络中没有通信开销。
  • 仅需要维护路径上节点之间的路由
  • 能完全地消除路由环路
  • 能同时提供多条路由
  • 可用于单向信道
  • 中间节点的应答使源节点快速获得路由

DSR协议缺点

  • 会引起过时路由问题
  • 每个分组都需要携带完整的路由信息:造成开销增大;降低了网络带宽的利用率;不适合网络直径大的自组网;网络可扩展性不强

1、设计MAC协议时必须仔细考虑的问题

在移动Ad Hoc网络中,节点移动、无线信道脆弱、缺乏中心协调机制是在设计MAC协议时必须仔细考虑的问题。 目前有以下三类:

  1. 竞争协议(Contention Protocol);
  2. 分配协议(Allocation Protocol );
  3. 混合协议(Hybrid Protocol)(竞争协议和分配协议的组合协议)。

2、竞争协议(Contention Protocol):

使用直接竞争来决定信道访问权,通过重传机制解决碰撞问题;目前有以下四种协议:

  1. ALOHA协议;
  2. 载波侦听多址访问协议(CSMA);
  3. 基于控制分组握手的访问控制协议;
  4. 忙音类多址访问协议。

3、ALOHA协议

以强制性的争夺方式共享信道带宽,碰撞问题严重,需要反馈机制保证分组交付;

  • 当传输点有数据需要传送的时候,立即向通讯频道传送。
  • 接收点在收到数据后,ACK传输点。
  • 如果接收的数据有错误,接收点会向传输点发送NACK。
  • 当两个传输点同时向 频道传输数据时, 发生冲突,各自等待 一段随机长度时间后 ,再次尝试传送。

时隙化ALOHA协议:将信道分为若干个时隙,强迫每个节点一直等到一个时隙开头的时候才开始发送其分组;
时隙化ALOHA协议的一个改进版,即持续参数p的时隙化ALOHA协议,使用持续参数p(0<p<1)来确定一个节点在一个时隙内发送一个分组的概率。减小持续参数p,可以减少碰 撞次数,但同时却增大了时 延。

4、载波侦听多址访问协议(CSMA)

持续载波侦听多址访问:

连续不断地侦听信道,信道空闲后立刻发送分组,若有冲突则等待随机时间后再侦听,

  • 优点:减少了信道空闲时间;
  • 缺点:增加了发生冲突的概率;

非持续载波侦听多址访问:

随机地侦听信道,信道空闲后立刻发送分组,当检测信道忙时,随机时间后重新检测信道,直到发现信道空闲;

  • 优点:减少了冲突的概率;
  • 缺点:增加了信道空闲时间,数据发送延迟增大;

持续参数p的载波侦听多址访问:

对以上两种方式的改进。适用于分时隙信道,连续不断地侦听信道,若介质空闲,便以概率p发送数据,以概率1-p把数据发送推迟到下一个时间片;如果下一个时间片介质仍然空闲,便再次以概率p发送数据,以概率1-p将其推迟到下下一个时间片。若介质忙,那么它就等到下一个时间片继续侦听介质;载波侦听通过测试发射机附近的信号强度来努力避免碰撞。但碰撞的发生不是在发送方一侧 ,而是在接收方一侧。易导致 “隐含终端”问题。

5、基于控制分组握手的访问控制协议:

(1)多址访问与碰撞回避(MACA)协议:

  • 发送数据前先向接收者发送RTS帧,帧中包含将要发送的分组的长度;
  • 接收者收到RTS后,回送CTS帧,并将长度消息捎回;
  • 收到CTS后,发送者开始发送数据。
  • 收到RTS/CTS的其它节点在传输时间内不发送任何消息。
  • 冲突后遵循,指数退避。

多址访问与碰撞回避(MACA)协议优缺点
优点:

  • 提高了无线信道的利用率:仅会发生长度比数据帧小得多的RTS/CTS帧的冲突,冲突几率降低;
  • 部分解决了隐终端问题;

缺点:

  • 不能解决控制分组之间 (RTS-CTS)的冲突问题;
  • 无链路层确认机制(无 ACK),发生冲突时需上 层超时重发,效率低;
  • 错误阻塞。

(2)IEEE 802.11 MAC协议:不同时隙结合CSMA/CA;

(3)MACA-BI协议

(准许式多址访问与碰撞回避协议)基于MACA的收方主动的信道接入协议,接收方轮询其他节点是否有数据要发送,只有接到RTR(ready to receive)邀请的节点才能发送数据。
MACA-BI减少了握手次数,从而在高速、短距离的AD HOC网络中提高了吞吐量;
为了防止冲突需要共享相邻节点的传输特征表。

6、忙音类多址访问协议

(1)忙音多址访问协议(BTMA):带宽划分为两个独立的信道

  • 数据信道:传输数据分组,占大半带宽,
  • 控制信道:传输特殊的忙音信号,忙音信号用于表示数据信道上出现数据发送;

节点发送数据前先收听控制信道上的忙音信号,若无忙音信号,则发送数据,同时其他节点检测到数据信道上的数据发送后,立即开始往控制信道上发送忙音信号,直到数据信道上的发送停止;
若有忙音信号,则随机时间后再发送;

  • 优点:防止了隐藏接点的干扰,和RTS/CTS碰撞率;
  • 缺点:暴露节点问题增加,信道利用率不足;

7、分配类协议:

  • 静态分配协议:集中式传输时间安排算法,事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间安排。
  • 动态分配协议:使用分布式传输时间安排算法,按需计算传输时间安排。
  • 时分多址访问协议(TDMA)
  • 五步预留协议(FPRP)
  • 跳频预留多址访问协议(HRMA)

8、时分多址访问协议(TDMA)

可分为:固定分配类TDMA和动态分配类TDMA两种;

固定分配类TDMA协议

按照网络中的最大节点数量来做出其传输时间安排,对于一个有N个节点的网络, TDMA协议使用的帧的长度划分时隙,每个节点分得唯一的一个时隙,有效避免各种冲突,但点越多时延越大;
问题:在移动Ad Hoc网络中,节点可以没有任何事先告警就被激活,或者被关闭,自由移动导致网络拓扑的易变。通常无法获得,或很难预测网络整体参数,例如节点总数和最大节点数。

问题解决方法:动态分配协议
使用本地参数指定网络内的有限范围( x-跳内),据此为节点确定分配传输时隙;
本地参数很可能随时间而变化,所以传输时间安排算法按照分布式方式工作,并且周期性地重复执行,以便适应网络变化。
移动Ad Hoc网络的多跳网络拓扑允许带宽的空间复用。不同的节点只要相距得足够远,就可以同时使用相同的带宽。距离一般必须至少等于三跳。

9、五步预留协议(FPRP)

是一个单信道、基于TDMA的广播传输时间安排协议。
FPRP使用竞争机制,使得网络节点相互竞争以获取TDMA广播时隙。它通过很小的控制分组的 5 次广播式的握手过程完成两跳范围内的节点间低冲突概率的 TDMA 时隙的分配。
预约信道和信息信道,节点有业务要传送时,在预约信道通过控制分组的竞争预约信息信道的信息时隙进行业务传送。

在每个预约帧 RF 后可跟有不同数目的信息帧 IF,在 RF 和 IF 中都包含有同等数目的时隙,预约时隙RS和信息时隙IS一一对应。每RS 中又划分 M 个预约周期RC,每个 RC 是一个预约过程。RC 中节点通过 5 次握手过程实现 IS 的预约。

  • 预约请求阶段(Reservation Request Phase, RR):需要预约资源的节点以概率 p 发送预约请求分组(RR)。发送 RR 分组的节点称为 RN(Reservation Node)。不需要进行资源预约的节点在该段里进行监听。
  • 冲突报告阶段(Collision Report Phase, CR):节点如果在阶段 1 收到多个 RR,在该阶段它将发送一个CR。否则保持沉默。若未接收到 CR,RN 认为它所发送的 RR 没有和别的节点发送的 RR 冲突。这样一个 RN 节点就变成了一个传递节点 TN,在状态 3 里就可以预约。RR/CR 交互消除了隐藏终端问题。
  • 预约证实阶段(Reservation Confirmation Phase, RC):TN 在该阶发送 RC,每一个一跳邻节点都能正确地接收到这个 RC,都知道该时隙已被预约。它们将在信息时隙里从 TN 接收信息,并且将不再竞争该时隙。
  • 预约确认阶段(Reservation Acknowledgement Phase, RA):在 RA 阶段中,TN 的一跳邻节点把当前的预约信息通知给 TN 的两跳邻节点。如果 TN 没有一跳邻节点,它将接收不到 RA,因此就可以明确地知道本节点是孤立的。TN 就没必要进行信息的发送。如果没有该阶段,孤立 RN 就因从来没有收到过 CR 而总成为 TN,从而产生孤立死锁。
  • 填充/消除阶段(Packing/Elimination Phase,P/E):两种类型的分组进行传送。

PP(Packing Packet)填充分组,由 TN 的两跳邻节点发送。节点 K 接收到PP 分组后,知道三跳的某个节点预约了资源并且节点 K 的某些邻节点将不能与其竞争当前的时隙资源。 K 提高发送 RR 分组的概率 p,加快预约收敛速度,增加距 TN 三跳远的节点的预约成功率。

EP(Elimination Packet)消除分组由 TN 节点按照 0.5 的概率发送。由于节点发送的同时不能进行接收,当两个节点同时发送预约分组 RR 时就会造成非孤立死锁现象,如果 TN节点在该阶段没有发送 EP 反而收到一个 EP 分组,那么就知道存在有非孤立死锁问题,收到 EP 分组的节点的状态由发送改为接收状态,这样,协议通过发送 EP 分组可以消除可能存在的非孤立死锁问题。

非孤立死锁的解决是在阶段5通过发送EP完成的。在阶段5中,假设4以的0.5概率发送了EP,而同时5以0.5的概率未发送。此时,5将接收到4发送的EP,从而知道有非孤立死锁存在。这种情况下,5将放弃该时隙的使用权,将自己的节点状态标为接收状态,在这个时隙里它将接收而不发送。


10、跳频预留多址访问协议(HRMA)

使用一个公共跳频序列,允许一对节点预留一个跳频频率,以便该节点对能够在该预留频率上无干扰地进行通信。

  • HRMA协议能够保证在出现隐含终端干扰的情况下不会在源节点或者接收节点上发生数据分组或者应答分组与任何其他分组的碰撞。
  • HRMA协议允许多个系统合并在一起,也允许节点加入已有的系统。
  • HRMA协议的特点是,使用简单的半双工慢速跳频电台来实现而不使用载波帧听。

11、混合类协议

  • 混合时分多址访问协议(HTDMA)
  • TDMA和CSMA的混合协议
  • ADAPT协议
  • ABROAD协议
  • AGENT协议
  • Meta-协议

12、混合时分多址访问协议(HTDMA)

是一种动态、按需分配的媒介访问控制协议,该协议是竞争协议(载波侦听多址访问与碰撞回避CSMA/CA协议、虚拟载波侦听RTS/CTS协议)和分配协议(TDMA)的混合协议。
将时间划分成若干个时隙,其中第一个时隙为公共竞争时隙,全网在该时隙内竞争其他时隙的使用权,竞争采用CSMA和RTS/CTS方式相结合进行,竞争时隙结束后各个节点按照竞争的结果在各个时隙进行发送、接收或者相应的退避。在通信结束之后,通信双方将占用时隙进行释放。

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