1、 硕士专业学位论文论文题目 基于混合天线模式 AD HOC网络的MAC-ROUTE跨层设计 与实现MAC-ROUTE Cross Layer Design To Support HybridAntennas in Wireless Ad Hoc Networks研究生姓名 张永江李蓥指导教师姓名专业名称研究方向论文提交日期计算机应用技术无线 Ad Hoc网络2014年5月基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUT E跨层设计与实现 中文摘要基于混合天线模式 AD HOC网络的MAC-ROUTE跨层设计与实现中文摘要无线自组织网络在许多应用领域中，吸引了越来越多的专家和学者的兴趣，应
2、用领域主要包括商业应用、军事应用以及基础设施网络不可能或负担不起的应用环境。目前，无线自组织网络主要是基于全向天线来传输数据，因此，大部分研究的介质访问控制(MAC)协议都已经假定好他们的传输模式。随着网络技术和天线技术的发展，定向天线已经逐步应用于无线自组织网络中。通过使用定向天线，信号在特定的方向上进行传输，相比使用全向天线而言，减少了节点间的干扰，提高了空间复用，增加了网络容量。MAC协议是连接物理层和网络层的桥梁，在无线自组织网络中起重要作用。天线技术一直是 MAC协议研究领域的重点内容之一。本文的主要工作包括：(1)提出一个基于混合天线的 DCSMAC(定向循环扫描 MAC)协议，在
3、该协议中全向节点按照 RTS/CTS握手机制，定向节点按照 DRTS/DCTS握手机制，通过定向天线循环扫描周围节点情况，有效的解决了由于定向天线和全向天线传输模式的不同以及定向天线的方向性而引起的握手失败及数据干扰问题。(2)在 IEEE802.11MAC 标准协议基础上，提出了基于混合天线的多跳 MAC和路由的跨层协议设计。协议提出了在 MAC层中加入控制路由的方式，通过控制路由设计，在路由发现过程中，寻找定向节点作为转发节点，充分利用定向天线的远距离传输的优势，使数据传输能够达到 d-o距离或者 d-d距离。数据传输的中间转发过程主要在 MAC层进行，而不要求网络层的参与。这样在转发过程
4、中节省了网络层的路由查找时间和层间的封装、解封装处理时间，从而可以减小传输时延。关键词：自组网网络；MAC协议；混合天线；跨层设计作 者：张永江指导老师：李蓥IAbstract MAC-ROUTE Cross Layer Protocol To Support Hybrid Antennas in Ad Hoc NetworksMAC - ROUTE Cross Layer Design To SupportHybrid Antennas in Wireless Ad Hoc NetworksAbstractAd hoc wireless networks have attracted a g
5、rowing interest in many applicationdomains, which include military applications, commercial applications, and applicationsin environments where the presence of an infrastructure network is impossible or notaffordable. Currently, the technology of transmitting data over the air is based onomni-direct
6、ional antennas; therefore, most of the research in designing Medium AccessControl (MAC) protocols has assumed their deployment.As the network technology and the development of antenna technology, directionalthe antenna has been gradually used in the wireless self-organized network. By usingdirection
7、al antennas, the signal transmitted in a specific direction, compared with usingomni-directional antennas, reduce the interference between the nodes, to improve thespatial reuse and increase the network capacity. The MAC protocol is a bridge to connectthe physical layer with network layer, and it pl
8、ays an important role in wireless ad hocnetworks, and antenna technology has been a hot point on study of MAC protocols.The main contents of this paper are as follows:(1) Designing a DCSMAC (Directional Circular Scanning MAC) protocol utilizesmulti-hop RTS/CTS to decrease the communication invalidat
9、ion and hidden terminalproblems and circular DRTS to alleviate deafness problem. Effectively solved handshakefailure problem caused by the directivity of directional antenna and the directionalantenna and omni-directional antenna transmission mode.(2) Designing a Cross layer MAC-ROUTER protocol base
10、d on 802.11, in the modeof hybrid antennas wireless ad hoc networks. In order to make full use of the advantagesof long distance transport of directional antenna, using an idea about control route whichdesigned in MAC layer. In this protocol, make the data transmission can achieve d-odistance or d-d
11、 distance advantage. The middle of the forwarding nodes Datatransmission mainly process in the MAC layer, which does not require the participationof the network layer. This saves network layer routing lookup time, interlayer,IIMAC-ROUTE Cross Layer Protocol To Support Hybrid Antennas in Ad Hoc Netwo
12、rks Abstractencapsulation and de-encapsulation treatment time, to reduce transmission delay.Key words: Wireless Ad Hoc Networks; MAC protocol; Hybrid antennas; Cross-layerWritten by Zhang YongjiangSupervised by Li YingIII目录第一章绪论11.1研究背景11.2研究内容21.3论文的研究意义31.4结构安排4第二章相关技术介绍52.1无线自组织网络的定义52.2自组织网络的历史6
13、2.3自组织网络层次结构62.4自组织网络的特征82.5无线自组织网络应用场合92.6定向天线技术102.6.1定向天线的定义102.6.2定向天线的天线模型112.6.3定向天线的优点132.6.4定向、全向节点通信模式142.7 IEEE802.11MAC协议 .152.8混合天线模式17第三章自组网研究难点及 MAC协议现状 183.1信道接入技术183.2跨层设计193.3混合天线模式下的 MAC协议.20第四章 DCSMAC协议244.1模型假设244.2协议提出244.3解决思路264.3.1协议的控制过程284.3.2退避机制294.4仿真实验294.4.1NS2介绍 294.4
14、.2 NS2下添加新的 MAC协议 324.4.3参数设置.324.4.4仿真结果 334.4本章小结35第五章 MAC-ROUTER跨层设计375.1协议提出375.2模型假设385.3控制帧格式395.4控制路由发现过程425.5数据传输465.6控制路由维护过程475.7协议分析485.8仿真实验495.8.1参数设置495.8.2仿真结果495.9本章小结51第六章结束语526.1总结526.2展望52参考文献54第一作者发表论文59致谢60基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第一章绪论第一章绪论近年来，随着网络和信息科技的不断进步，无线通信技术也获
15、得了飞速的发展。卫星通信技术、无线宽带技术、蜂窝移动技术以及无线局域网等一系列新技术纷纷涌现并不断完善。这些无线通信技术的发展和完善为实现“任何人在任何地点、任何时间、与任何人以任何方式进行信息交换”的理想成为可能。然而当前大部分的无线通信技术基本上都需要依赖于有线基础设施，为了能够在没有固定基础设施的地方进行通信，无线自组织网络技术(Wireless Ad Hoc Network, WANET)应运而生。天线技术的迅速发展，给无线网络带来深远的影响。吸引了众多专家学者的研究，无线网络根据其特点可分为：无线传感网 1、无线城域网2、无线移动自组网3、无线网格网456、无线局域网 7、长距离传输
16、网8910等。无线通信网络根据研究的内容，主要可以分为网络管理、天线部署、路由协议、MAC协议1112、信道分配、网络覆盖13 、安全节能、服务质量以及邻居发现等具体问题。1.1研究背景虽然无线通信技术被当作有线通信技术的补充，但现有的无线通信技术已经被广泛应用于许多关键场合，我们正迈向了一个崭新的无线应用时代。用户能够在任何地方根据需要随时通过电子设备获取信息；旅客能够使用全球定位系统来获取到达目的地的最短行驶线路；用户能够利用各种手持设备查阅电子邮件；乘客可以通过手提电脑在机场、火车站及汽车站等公共场合进行车票查询；用户能够利用无线局域网和其他用户进行文件互传。然而现存的通信网络(例如：G
17、SM, CDMA, WLAN等)仍无法满足人们希望的随时随地通信要求。无线自组织网络是一种不需依赖于固定基础设施，并且能够快速使用的网络。由于网络中节点可能会频繁地加入或退出网络，因此在无线自组织网络中，信道环境、网络拓扑结构、网络模式都可能会随着节点的变化而动态变化。当基础设施接入非常困难或铺设所需的代价过于昂贵时，以及在没有铺设基础设施的地区，无线自组织网络可以为通信终端提供方便、灵活、高效的组网方式。为了提高网络通信的覆盖范围，1第一章绪论 基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现还可以通过多个中间节点转发的方式，即数据通过多跳的方式到达目的节点，增加节点间
18、的通信范围，使用多跳转发的方式是无线自组织网络与其他无线通信网络本质的区别。定向天线技术的发展和利用，有效地提高了网络的性能 14151617 。在无线网络中，使用定向天线能够有效地提高无线信道的利用率，减少节点间冲突以及扩大分组数据的传输范围。关于定向天线的无线信道接入技术以及天线的方向性问题，大量的专家学者做了深入的探索和研究，并且给出了一系列该方面的研究成果，比如DMAC18，DTDMAC19，Tone DMAC20等。虽然这些协议比IEEE802.11 更具特点和优势，但仍然存在着一些局限性。1.2研究内容有效的MAC协议可以提高终端节点信道接入的利用率，减少时延，提高网络的连通性和吞
19、吐量。当前大部分的协议中往往假设节点中仅仅使用一种类型的天线，而基于混合天线模式的MAC协议研究却较少。定向节点的方向性以及传输模式的不同引起的握手失败等问题没有得到有效的解决，更重要的是，大部分协议设计过程中，定向天线长距离传输的优势没有得到充分的利用，基本上只能完成 d-o之间的数据通信，很少可以实现d-d之间的数据传输。本课题主要研究了以下几个内容：(1)分析和总结现 有的一些 MAC协议在混合天线模式下存在的问题。大部分MAC协议在设计时基本上都是针对配置同一种天线类型网络，所涉及的都是在同种天线模式下所遇到的问题，如纯定向天线下的“聋” 问题21，全向天线下的隐藏终端问题22 等，这
20、些协议都没有考虑网络中可能存在多种类型天线情况。也有少数的基于混合天线模式的MAC协议23 ，但只是对全向天线技术的补充和扩展，没有发挥定向天线长距离传输的优势。(2)提出一个基于混合天线模式下的定向循环扫描MAC协议(DCSMAC)，该协议中全向节点按照RTS/CTS握手机制，定向节点按照 DRTS/DCTS握手机制，通过定向天线循环扫描周围节点情况，有效的解决了由于定向天线和全向天线传输模式的不同以及定向天线的方向性而引起的握手失败问题。最后通过网络仿真软件NS2，分析了DCSMAC的可行性。2基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第一章绪论(3)研究了在
21、无线自组织网络中，基于混合天线模式的MAC和路由的跨层设计，在该协议设计中，通过在MAC层中加入控制路由的方式，在控制路由发现过程中，寻找定向节点作为中间转发节点，使定向节点的方向能够彼此指向对方，利用定向天线的远距离传输的优势，使数据传输能够达到 o-d距离或者d-d距离。引入路由设计，使数据的中间转发和处理过程主要在 MAC层中进行，不需要网络层参与，降低了网络层路由查找、维护、层间封装和解封的处理时间，从而降低传输延迟。利用网络仿真工具NS2对我们提出的协议与DMAC，HMAC 协议在不同规模条件下，进行不同方面对比，给出量化结论。1.3论文的研究意义在当前无线自组织网络的MAC协议研究
22、中，协议中往往假设所有节点都配置相同类型的天线。但对于无线自组织网络，各种无线通信设备可以自由加入或离开网络，节点的类型也可能是异构的，每个节点都可能会有不同的通信设备和天线类型。而且随着通信技术的进步，不同设备分别使用定向天线和全向天线构成的无线自组织网络已经成为现实需求。通过研究混合天线模式下的MAC协议，使得配置定向天线或全向天线的节点能够相互连接构成自组织网络，充分利用网络中定向天线的性能，减少节点的相互干扰，提高空间复用，增加无线自组织网络的容量，为定向天线在无线自组织网络中的实际应用提供良好的理论基础。由于无线自组织网络具有独立组网、多跳、无基础设施、拓扑频繁变化、带宽受限、安全性
23、差等特点，以及在混合天线模式下，网络的结构更加复杂，现有的协议中定向天线的优势得不到充分的利用。本文着眼于研究在无线自组织网络中，基于混合天线模式的MAC-ROUTE跨层协议设计，提出在MAC层中加入控制路由的方式，通过对控制路由的设计，使数据的中间转发和处理过程主要在 MAC层中进行，不需要网络层参与，降低了网络层路由查找、维护、层间的封装和解封的处理时间，从而降低传输延迟。充分利用网络中定向天线的性能，使数据传输能够达到o-d距离或者d-d距离。进而提高系统的吞吐量，对网络的性能有着理论和现实的意义。3第一章绪论 基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现1.4
24、结构安排文章结构以及各章内容安排如下：第一章，绪论。简要介绍了本课题的研究背景、研究内容及意义。第二章，相关技术介绍。无线自组织网的协议层次、定义和发展历史，随后阐述无线自组织网络协议的特征和适用场景。最后介绍了定向天线的概念、通信模式、特征及优点，并给出了混合天线模式的含义。第三章，介绍了无线自组织网络当前研究热点、难点。分析了无线信道接入技术的现状，以及在使用不同的无线共享信道方式时所引起的隐终端与暴露终端问题。最后介绍了混合天线模式下MAC协议以及跨层设计的研究现状。第四章，提出一个基于混合天线的定向循环扫描 MAC协议(DCSMAC)。协议通过使用全向天线按照RTS/CTS握手机制以及
25、定向天线按照DRTS/DCTS机制，有效的解决了由于定向天线和全向天线发送模式的不同以及定向天线的方向性而引起的握手失败及数据干扰问题。第五章，研究了在无线自组织网络中，基于混合天线模式的 MAC和路由的跨层协议设计。为了充分利用定向天线的远距离传输的优势，协议提出了在 MAC层中加入控制路由的方式，在这个协议中，通过对控制路由的设计，使数据传输能够达到o-d距离或者d-d 距离优势。利用网络仿真工具NS2对我们设计的CLMRCR协议与DMAC，HMAC协议在不同规模条件下，进行不同方面对比， 给出量化结论。第六章，总结与展望。对全文的工作进行了总结，介绍了本课题的主要研究内容及意义，并阐述了
26、与本课题相关的下一步研究工作与计划。4基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第二章相关技术介绍第二章相关技术介绍本章简单介绍无线自组织网络的协议层次、定义和发展历史，随后阐述无线自组网网络协议的特征和适应场景。然后介绍了定向天线的概念，通信模式，特征及优点，并给出了混合天线模式的含义。2.1无线自组织网络的定义无线自组织网络是一种新型的无线网络，它结合了无线通信和计算机网络技术，能够迅速部署网络结构，运行时不依赖基站。网络中的节点主要采用分组交换机制来进行数据传输。常见的两种定义如下：(1)无线自组织 网络是通过无线链路使主机和无线节之间相互联结，并且以随机图
27、的方式形成的自治系统。无线节点在网络中可能会随机、自由移动，并且能够以任意的方式进行组网，所以网络的拓扑结构可能会以不可预知的方式改变。(2)无线自组织 网络是由带有无线收发装置的无线节点，通过多跳方式构成的一个临时性自治系统25 。由于无线通信节点的覆盖范围受到发送功率的限制，如果两个节点在本身的通信范围内无法直接传输数据，可以通过其它中间节点进行转发，来实现远距离节点间的数据通信，从而扩大通信范围。从上可以看出，无线自组织网络的定义包括了无线节点、无线通信等基本要素。(A)自组织网络 的物理结构图 (B)自组织网络的逻辑结构图图 2.1典型的自组织网络结构述5第二章相关技术介绍 基于混合天
28、线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现图2.1(A)给出了一种典型的无线自组织网络的物理 结构图，而图 2.1(B)显示了和物理结构图相对应的逻辑结构图。如图所示，网络中的节点既可以是手持设备、带有无线网卡的笔记本电脑，也可以是智能手机。每一个节点的地位平等，不需要配置中心节点，在网络中，每个无线终端既可以作为主机，也可以作为路由器。网络的拓扑结构会因为节点的随机加入或离开而发生改变。无线通信节点的覆盖范围由于受到发送功率的限制，如果两个无线节点在本身的通信范围内无法直接进行数据传输，可以通过其它节点进行转发，来实现远距离节点间的数据通信，从而扩大传输距离。如图2.1(B
29、)所示，节点B和F 不在彼此的通信覆盖范 围内，但节点B和F 可以通过其他节点，如节点A和节点D，形成从节点B到节点F的路径：B-A-D-F。因此无线自组织网络又称为多跳无线网、无基础设施的网络。2.2自组织网络的历史“Ad Hoc”来源于拉丁语，含义是“专门地、独特地” 。“Ad Hoc技术”是指一种特殊的无线网络构架技术，强调分组、多跳、自组织、无基础设施。所以无线自组织网络也称为“ 分组无线 网(PRN，Packet Radio Network)”、“多跳无线网(Multi-hopWireless Network)”、“无线自组网(Wireless Self-organized Netw
30、ork)”等等。无线自组织网络技术可以追溯到美国国防部高级研究计划局 (DARPA)在1972年资助研究的“ 战场环境中的无 线分组数据网” 项目中提出的一种新型无 线网络构架技术26。1983年，DARRA资助研究了具有抗毁性，并且具有自适 应能力的网络SURAN（Survivable Adaptive Network），以便可以随时建立应用于某种特殊情况，以及可以支持较大规模的无线通信网络。1994年，DARRA又启动了全球移动信息系统GLPMO(Global Mobile Information System)项目27。GLPMO的目标是用手持设备为军事领域、在任何地点的满足应用需求、具
31、有高抗毁性的移动通信技术。2.3自组织网络层次结构在传统协议栈中，各层实现的功能如下：物理层位于传统协议栈的底层，主要功能包括对无线信道划分、无线信号调制解调、信道的解密加密、无线信道的选择以及信号的发送接收等。在能量相对低以及带6基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第二章相关技术介绍宽消耗严重的情况下，物理层所要解决的主要问题是怎样处理无线终端在分组数据传输时能量的有效利用，从而获取较大的链路容量。MAC层为不同用户提供有效的共享媒体信息资源，从而控制不同的无线节点接入无线信道的访问权限。在无线自组织网络中 MAC协议设计所面临的挑战主要源于网络中的特殊信
32、道的共享方式28 。节点发送信号之后，只有在本身通信范围内的节点才能够收到该信号，而通信范围以外的节点则无法监测到。那些监测不到信息的节点也可能会同时向通信节点发送数据，从而造成干扰。链路层的功能是给用户提供透明、可靠的数据传输服务。具体包括如何将数据组合成数据块；如何在物理信道上控制帧的有效传输，包括如何进行容错处理，如何调整与接收方相匹配的发送功率；以及如何进行两个网络实体之间数据链路的建立、维护以及释放。网络层的功能主要分为网络互联、虚电路分组数据交换、异步传输、拥塞控制、路由发现和维护等。多跳是无线自组织网络的重要特征，在无线自组织网络中要实现信息的多跳传输，必须要有路由协议的支持。由
33、于无线自组织网络使用的无线信道带宽较窄，节点的随机加入或退出造成无线网络拓扑结构的频繁变化，许多协议在设计时都是基于固定基础设施，将传统的路由协议直接应用于无线自组织网络中，无法得到有效的发挥或者表现的性能很差，从而占用大量的信道资源，造成整个系统的利用率下降。传输层的主要功能是向应用层提供可靠的服务，利用网络层的特征更好地分配网络资源。目前在无线网络中，传输层还是基于传统的有线网络协议设计的，主要包括TCP和UDP。应用层协议用于实现多个应用进程之间的相互通信，同时完成所需的一系列业务处理服务。包括文件传输访问管理、严格的时延、远程操作服务、没有任何服务质量保证的数据服务以及基于RTP/RT
34、CP的自适应应用等。除了上述常规的功能外，无线自组织网络中还提供一些可选的功能，包括功率控制，安全策略，地址自动配置，分簇算法和拓扑控制，位置管理，移动管理等。这些可选功能模块在传统协议栈的具体位置，主要依赖于每个模块的具体功能与其他层次之间的联系。像分簇算法和拓扑控制通常为网络层提供服务，可能工作于链路层之上。7第二章相关技术介绍局部系统环基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现IOS环境 局部系统环境系统 A 系统 B7应 用 层 7应 用 层6表示层5会 话层4传输层3网 络层2 MAC层1物理层6表示层5会 话层4传输层3网 络层2 MAC层1物理层同层协
35、议物理传输媒体图 2.2自组织网络协议层次如图2.2，根据无线自组织网络的特征，将自组织网络的研究内容按照协议栈进行划分。2.4自组织网络的特征与普通的无线网络相比，无线自组织网络具有以下特征：(1)多跳：由于节点的发送功率受到物理条件的限制，通信节点的传输距离有限，当节点不在彼此通信范围内，无法直接进行数据传输时，可以通过周围的邻居节点进行转发，来实现数据传输。通过使用多跳的方式，能够使节点的发射功率变得很低，节约电池能量，延长电池的工作时间。(2)网络的自组 性：无线自组织网络是一种不需要基站支持，并且能够在任何时间、任何地点，通过自组织方式，形成一个自由的无线网络。(3)有限的无线带宽
36、：由于信道受到本身物理特性的影响，使得无线自组织网络的无线带宽比有线网络的带宽要低的多。而且在分组数据通信过程中，各个节点在信道竞争时，需要考虑信号间产生的碰撞、拥塞、衰退，以及噪声对信号的干扰等。8基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第二章相关技术介绍移动节点 固定节点 无线链路 移动方向图2.3无线自组织网络动态拓扑(4)动态拓扑：如 图2.3所示，动态拓扑是无线自组织网络的一个显著特征，在无线自组织网络中，无线节点可能会以任意的方式随机的加入或退出网络。再加上节点之间的相互干扰，节点间配置的发送功率的差异以及地理环境的影响，使得无线节点间自组织而形成的
37、拓扑结构可能会随时发生变化。(5)可扩展性不 强：无线自组织网络受到多跳和网络带宽的限制，节点数目的增加、端到端时延增加、分组传输率下降等因素，严重影响了无线自组织网络可扩展性。(6)安全性差：由于无线自组织网络属于无线分布式网络结构，在使用过程中很容易受到网络用户的入侵、攻击、窃听。而且，传统网络中的许多安全策略和机制在无线自组织网络中不能够得到充分的发挥。2.5无线自组织网络应用场合由于无线自组织网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别48，适合应用于需要迅速组网或者铺设过于昂贵以及不能够预先架构网络基础设施的领域。下面是无线自组织网络在当前以及未来可能的应用场合。(1)军
38、事应用军事应用是无线自组织网络的主要应用场合，由于无线自组织网络不需要预先铺设基础设施，可迅速展开，抗毁性强等优势，使其成为数字化军事战场的首选技术26它能够支持野外联络、独立战斗群通信、舰队战斗群通信、无人侦察与情报传输等25(2)传感器网络。9第二章相关技术介绍 基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现目前传感器网络是无线自组织网络重要的应用场合。传感器网络在大多数的应用场合中，只适合使用无线通信技术。传感器由于受到体积和能源等因素的影响，所配置的传输功率不会很大。传感器网络可以通过无线自组织网络技术组成一个自治网络，实现传感器与控制中心之间相互通信48 。这
39、种方式在很多场合具有很好的应用前景。(3)个人通信个人局域网是无线自组织网络的另一个应用场合。不仅智能手机、笔记本电脑和手持设备之间的数据通信可以通过无线自组织网络实现，个人局域网之间数据也可以用无线自组织网络获取。(4)紧急和临时场 合有些地区受到洪水、地震、台风或遭受其他灾难影响后，铺设的网络基础设施可能被破坏或者无法继续工作。这时需要构建不依赖固定基站、又能够快速部署的无线自组织网络。无线自组织网络技术的自组织特征，是紧急和临时场合实现数据通信的最优方案。(5)与通信系统 的结合无线自组织网络可以结合蜂窝通信系统，利用中间节点转发的方式，扩大蜂窝系统的通信范围。在实际应用中，无线自组织网
40、络除了可以独立组网外，还被用作无线终端访问其他的网络。因此，无线自组织网络可以作为各种无线通信网络的接入手段。2.6定向天线技术2.6.1定向天线的定义定向天线至今在学术界还没有确切的定义，只给出了笼统的介绍。一般而言，可以实现在某个特定的方位上传播信号的天线，都被叫作定向天线。定向天线主要包括合并、分集的网络、天线阵列和控制单元等要素28 。控制单元依赖于数字信号处理器调整天线的输入参数，实现在某个方向上传输信号，而天线阵列是由多个控制单元共同组成。根据定向天线在数据传输时，使用工作模式和天线技术的不同，将定向天线分为自适应阵列天线(Adaptive Array Antenna)、波束切换天
41、线(Switched Beam Antenna)以10基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第二章相关技术介绍及动态相控阵列天线(Dynamically Phased Array Antenna29。(1)波束切换天 线。所谓波束切换天线是指电磁信号在发送之前，需要预先设定某个波束方向，根据需要将波束方向旋转到需要接收或发送电磁波的某个方向上，实现波束的转变。在数据发送之前，天线的波束是根据信号传输的需要自行设置，要求波束在节点接收数据的过程中能够监测到该节点周围的所有范围。(2)自适应阵列天 线。自适应阵列天线是具有很强抗干扰性，并且能够自动将天线的最大主瓣
42、方向对准需要通信节点的一种自适应天线。由于自适应阵列天线能够自动调整自己的主瓣方向，被广泛应用于雷达、通信、射电天文等场合。(3)动态相控阵 列天线。动态相控阵列天线主要通过接收信号来获取节点的方位角，然后再根据发送需要通过天线控制单元调整波束方向，使节点在传播方向上的信号能够达到最大。与自适应阵列天线不同的是动态相控阵列天线只有一个主瓣波束。2.6.2定向天线的天线模型假设 表示天线效率，Uavg表示定向天线在所有方向上平均能量密度， u(, )表示定向天线在方向(, )上的能量密度，因此可以得出定向天线增益 G 的定义式为：一般认为定向天线的增益在 Z轴上是相等的，仰角可以看成常数，因此定
43、向天线的增益可假定为关于 的函数，记为 G( )30。DMAC协议主要采用的天线模型包括：(1)理想模型。在理想模型中，假定定向天线在主瓣方向上的增益为一个常数，与主瓣的波束宽度无关，其他方向上可以忽略不计，如公式(2-2)所示：其他(2)平顶模型。与理想模型不同的是在平顶模型中，主瓣方向上的天线增益主要是由主瓣的波束宽度决定，而其他方向上的增益通常当作是零或其他常数，与主瓣的波束宽度无关。定向天线的最大的主瓣波束宽度用 max 表示，最小主瓣波束宽11第二章相关技术介绍 基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现度用 min表示，它 们主要与定向天 线自身的物理参
44、数有关 31 。，其他(3) Sinc函数模型。与理想模型和平顶模型不同的是在 Sinc 模型中，并不是只有在主瓣上有天线增益，副瓣其他方向上也存在天线增益。主瓣和副瓣方向上的增益主要取决于波束的方位角。如公式(2-4)所示：以上分析可以看出 Sin函数模型涉及的内容比较复 杂，增益的大小主要依靠本身的物理特性。目前大部分的 MAC协议在设计过程中，定向天线的模型通常都使用理想模型和平顶模型。Z主瓣传输距离 rm，仰角副瓣X,方位角Y图 2.4定向天线的主要参数如图 2.4所示，从定向天线模型可以看出由于天线在主瓣方向有着最大的发射功率，而在其他方向上的发送功率几乎为零，因此在定向天线的主瓣方
45、向上有着最大的天线增益，其他方向上的天线增益几乎为零。方位角是指主瓣在 XY平面上的投影与 X轴的夹角用 表示，其取值范围为(0, 2 )；仰角是指主瓣与 XY平面的夹角用 表示，其取值范围为 (0, )。所以，定向天 线的方向可以根据 (, )来确定。12基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现 第二章相关技术介绍主瓣方向上的波束宽度用 m表示。2.6.3定向天线的优点由于定向天线具有干扰性小、远距离传输等优势，使有定向天线给无线网络带来如下几个优点32 ：(1)增加节点间 的通信范围。定向天线的增益主要集中在主瓣的波束方向上，相比于使用全向天线而言，信号传播能
46、够达到更远，而且范围更广。因此使用定向天线可以减少通信双方的传输跳数，降低转发和处理时延。(2)提高数据的接收质量。在相同的网络拓扑结构中，定向天线接收端的信噪比要远小于全向天线接收端的信噪比，因此使用定向天线可以减少信号间的干扰，提高数据接收的质量。(3)降低发射端能耗。在网络环境相同的条件下，并且每个节点的信噪比、接收信号都相同，由于定向天线只需要在某个特定方向上发送电磁波，因此需要很少的能量就可以达到全向天线的传输距离，减少了节点间的能量消耗，降低发射能耗。图2.5使用定向天线增加空间复用(4)增加空间复用。如 图2.5所示，节点A、D是发送节点，节点B、C是接收节点，且节点A和C在彼此
47、的通信范围内。当节点的天线处 于全向模式时，节点A、B与节点C、D不能同时进行通信，因为节点A发送的数据包会与节点C接收的数据包产生冲突。所以在节点A和节点B进行传输数据的过程中，节 点C和节点D 需要等待。而当四个节点都处于定向工作模式时，由于节点C的主瓣方向对准的是节点D ，所以节点C只能从节点D的方向上接收数据，此时主瓣方向并没有对 准A ，当节点A给节点C 发送数据时，节点C 并不会接收到，因此节点A并不会对节点C造成干扰。节点D 发送的分组数据也13第二章相关技术介绍 基于混合天线模式 AD HOC网络的 MAC-ROUTE跨层设计与实现不会对接收节点B产生冲突，通过这种方式各个节点
48、间的通信可以同时进行，从而增加了空间的复用。(5)提高系统容量。 Jun Zhang在文献33 中分析了在无线自组织网络中，使用定向天线对于网络容量的影响，当节点使用有向接收、有向发送模式时系统获取的容量，比有向接收、全向发送模式时高 2 / ；比全向发送、有向接收模式时高 2 /。参数、分别指定向天线发 送、接收时使用的主瓣 宽度。2.6.4定向、全向节点通信模式在混合天线模式下，当定向天线处于全向工作模式时，在其覆盖范围内可以监测到所有方向上的分组数据。定向天线以全向工作模式接收数据之后，使用某种算法计算该分组数据的发送方向，并且记录下这个方位角。分组数据传输结束之后，如果该节点需要向源节
49、点回复控制报文，会根据刚才获取的方位角，使定向天线处于定向工作模式来发送数据，该种方式称为定向天线工作模式的切换。假定源节点发送消息的能量为 Pt ，目标节点和源节 点的增益分别记作 Gr和 Gt ，高度为 hr和 ht，目标节点和源节点之间的距离为 d。那么根据无线通信中的 Two-RayGround模型，目标节点的接收能量可以用公式(2-5)表示：由公式(2-5)可以知道，分组到达目的节点的能量与天线高度、天线增益和源节点到目的节点的距离有关。当定向节点和全向节点接收信号能量都是Pr时，由于定向模式的天线增益大于全向模式下的天线增益，使用定向天线能够增加数据的传输距离。在通信过程中，定向天线会不断地切换收发数据的工作模式，既可以是全向模式的，也可以是定向模式的，因此它包含全向发送、有向发送、有向接收、全向接收四种工作模式。节点使用定向天线传输数据，节点间的传输距离一般都会在 d-o范围，也就是使用定向发送，全向接收的工作模式。如果要想达到 d-d的传输范围时，必须要让发送节点和接收节点都是定向节点并且
