[发明专利]一种解决多跳无线自组网隐藏终端和暴露终端问题的方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，特别涉及多跳无线自组织网络中隐藏终端和暴露终端问题的解决方法。

背景技术

由于无线自组网具有动态变化的网络拓扑结构，采用异步通信技术，多个节点共享同一个通信信道。为了提高信道利用率，移动节点的发射功率较低，加上信号受到无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，使得移动节点的通信距离受到限制，因此，无线自组网的无线信道共享方式不是一跳共享的，而是多跳共享广播信道。多跳共享广播信道带来的直接影响就是分组冲突与节点所处的地理位置相关，一个节点发出的信号，网络中其它节点并不一定都能收到，于是，就出现了“隐藏终端”和“暴露终端”问题。隐藏终端和暴露终端的存在，会造成自组网时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。因此，在设计多跳无线自组网的信道接入协议时，必须解决“隐藏终端”和“暴露终端”问题，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。

在无线自组网中，隐藏终端是指一个终端位于接收者的通信范围之内，而在发送者的通信范围之外。隐藏终端因为听不到发送节点的发送而可能向同样的接收节点发送分组，造成分组在接收节点处冲突。如图1所示：

当节点A向节点B发送报文时，节点C处在节点A的覆盖范围以外而处在B的覆盖范围内，因此，C是隐藏终端。隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端。

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(隐藏终端C作为发送者)。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C获知A要向B发送报文，必须由B在接收数据之前通知C：A要向B发送报文，C此时不能发送任何消息。一种可能的解决方案是在每次发送报文前，通信双方先使用控制报文进行握手，听到回应握手信号(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 to Send)；B收到RTS后，以CTS(Clear to 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，就重发RTS控制报文)。这样，隐藏终端C就能听到B发送的CTS，知道A要向B发送报文，C不能发送任何信息，它就延迟发送，避免隐发送终端问题。

若采用这种通信前握手的方案，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此时不能发送任何消息，所以D就无法收到C回应的CTS。这被称为隐接收终端(隐终端C作为接收者)。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是隐藏终端。D只能认为RTS控制报文发生了冲突，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，这就造成了不必要的重发。可见，隐藏终端问题可能会引起报文冲突从而影响信道的利用率。

暴露终端是指在发送者的通信范围内，而在接收者的通信范围之外的终端。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。暴露终端也可以被分为暴露发送终端(暴露终端作为发送者)和暴露接收终端(暴露终端作为接收者)两种。如图2所示：

当节点B向节点A发送报文时，节点C处在B的覆盖范围内而处在A的覆盖范围外，C是暴露终端。C因监测到了B的发送而可能会延迟向D的发送报文，但实际上C向D发送并不会影响B向A的发送，因为它的发送不会对节点B的接收造成碰撞，这就是暴露终端问题。

如果仍采用握手机制，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控制报文。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。

在B向A发送数据时，C只听到了RTS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控制报文。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RTS。这是暴露发送终端问题(暴露终端C作为发送者)。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发送报文。