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Ad Hoc网络协议栈通用要求研究( 三 )

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网络吞吐量的提高仅仅通过物理层技术是不够的 ， 需要协议栈的各个层面整体配合 。试验数据表明 ， 随着全连通网络内的节点的增加和业务服务质量(QoS)要求的提高 ， 网络治理开销增加 ， 有效业务带宽会有明显的下降 。
物理层还需要考虑通信安全性 ， 如设备认证、通信数据加密等 。
2 链路层
链路层主要实现网络节点的寻址、流量控制、差错控制、业务汇聚、QoS保障机制等 。一般把链路层分成MAC子层和逻辑链路子层 。
2.1媒体访问控制子层
MAC子层治理和协调多个用户共享可用频谱资源 ， 需要解决MAC层同步、网络组织与治理、多路复用与竞争解决、路由维护与邻居发现、安全性等问题 。
多路复用与竞争解决主要表现在信道划分机制和信道分配机制上 。信道划分机制包括频分、时分、码分、空分以及以上方法的组合 。
时分将时间分割成时隙 ， 按照周期重复的方式将时隙分配给用户 。时分的困难是多个节点之间的同步 。时分在动态信道分配上具有较好的灵活性 ， 可以实现单用户多时隙 ， 区分用户分配带宽 。另外 ， 时分还因为每个节点间歇式地发送数据和接收数据 ， 很轻易实现非发送数据周期休眠 ， 降低节点的能耗 。

;频分将系统带宽划分为互不交叠的信道 ， 实现简单 。缺点是不够灵活 ， 很难将多个信道按需分配给一个用户 。在频分机制下 ， 节点始终处于工作状态 ， 能量损耗是频分系统的难题 。
在码分机制中 ， 用户使用不同的扩频码 ， 接收者基于扩频码特性来区分不同的用户 。码分的一个好处是几乎不需要在时间或频率上对用户进行动态协调 ， 缺点是实现起来较复杂 。
在突发业务模式下 ， 最有效的信道分配机制是随机接入法；在连续业务流模式下 ， 需要采用某种调度机制来防止冲突 ， 确保连续的连接 。MAC协议的困难通常是在获得较好公平性和吞吐量的情况下如何有效减少能量损耗 。
随机接入代表着竞争 ， 通过竞争的方式来共享和使用有限的信道资源 。一般随机接入法都通过载波侦听多路访问(CSMA)机制来监听和退避 ， 以减少冲突 。CSMA在单跳环境下可以很好地工作 ， 但是多跳环境下 ， 由于隐藏终端(Hidden Stations)的存在 ， CSMA检测和避免冲突的能力急剧下降 。暴露终端(EXPosed Stations)问题也会降低信道的利用率 。随机接入协议适合于网络中具有大量的突发业务的用户 ， 即用户数大于可用信道数且每个用户的传输要求是随机和突发的 。但当用户具有较连续或较长的业务分组需要发送时 ， 因为冲突的增加 ， 随机接入的性能变差 。在这种情况下需要借助于调度机制以一种更加系统的方式为用户分配信道 。
调度机制应保证每个节点在相应的信道上发送/接收分组而不与邻居节点发生冲突 ， 同时尽可能高效地使用可用的时间、频率或码字资源 。即使采用调度接入协议 ， 在网络的初始化阶段也需要竞争方式的随机接入协议的支持 ， 如IEEE 802.16 。随机接入协议提供初始化竞争 ， 并为连续的数据传输建立合适的调度表 。
网络的组织与治理要求MAC层通过一系列的治理帧和控制帧实现节点的发送顺序控制、子网形成、接入网络动作、退出网络动作 。
Ad Hoc没有核心控制点 ， 网络的信息分布在网络中的各个节点上 。如何以较小的治理代价对这些信息进行有效地组织和使用是MAC层面临的难题 。
MAC子层也有一个MAC层同步的问题 。以IEEE 802.11为例 ， 传统基础模式下的MAC子层的同步是通过处于网络核心位置的固定的无线接入点(AP)以每100 ms发送的信标(Beacon)帧实现的 。每个终端在接收到Beacon帧后更新自己的MAC层时间基准 ， 该基准是终端阶段用于预约信道时发送请求发送/预备接收(RTS/CTS)的基础 。在Ad Hoc网络下 ， 由于没有固定位置的AP ， 所有节点都是终端节点 ， 每个节点都可以发送Beacon帧 。

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