隐藏与暴露终端问题

关于隐藏与暴露终端问题的研究

一、隐藏终端与暴露终端的定义 隐藏终端

隐藏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。隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点冲突。冲突后发送节点要重传冲突的分组，降低了信道的利用率。隐藏终端可以分为隐发送终端和隐接收终端两种。 暴露终端

暴露终端是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送。但是，它其实在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突，这就引入了不必要的时延。暴露终端又分为暴露发送终端与暴露接收终端两种。 二、隐藏终端和暴露终端问题产生的原因 由于 ad hoc网络具有动态变化的网络拓扑结构，且工作在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享一个通信信道，存在信道的分配和竞争问题；为了提高信道利用率，移动节点的频率和发射功率都比较低；并且信号受到无线信道中的噪声、衰落和障碍物等的影响，因此移动节点的通信距离受到限制，一个节点发出的信号，网络中的其他节点不一定都能受到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题。 三、隐藏终端和暴露终端问题对ad hoc网络的影响

“隐藏终端”和“暴露终端”的存在，会造成 ad hoc网络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。在ad hoc网络中，当终端在某一时隙内传送信息时，若其隐藏终端在此时隙发生的同时传送信息，就会产生时隙争用冲突。受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞而不能正确的接收信息，造成发送端的有效信息的丢失和大量的时间浪费（数据帧较长时尤为严重），从而降低了网络的吞吐量。当某个终端成为暴露终端后，由于它侦听到另外的终端对某一时隙的占用信息，从而放弃了预约该时隙进行信息传送。其实，因为源终端节点和目的终端节点都不一样，暴露终端是可以占用这个时隙来传送信息的。这样就造成了时隙资源的浪费。 四、隐藏终端与暴露终端问题的解决办法 (1)基于802．11的方法

Ad Hoc网络基于IEEE 802．11的协议采用了物理载波侦听和虚拟载波侦听相结合的方式来预约信道。在发送数据之前，发送节点S先物理载波侦听物理信道上是否有信号正在传送．如信道空闲则采用虚拟载波侦听的方式．先发送RTS给接收节点R．R收到后回送一个CTS给S。S和R的邻居节点接收到RTS或CTS后．分别设置自己的NAV(Network Allo．cation Vector)值延迟自己的发送。由于NAV时长为S和R的DATA/ACK发送完成时间。因此S和R就可以安全地发送完DATA／ACK。而邻居的NAV定时器到时后，各节点进入信道竞争窗口，重新竞争信道，发起新一轮的通信。

该协议设置的NAV有效地抑制了隐藏终端问题，能使收发节点对在没有冲突的情况下完成数据交换，但所有监听到RTS／CTS的节点均通过设置NAV值来阻塞自己的发送或接收．因此并没有解决暴露终端问题，仍然浪费了系统带宽。之后提出的Ad Hoc网络MAC协议一般都是基于802．11协议的RTS／CTS／DATA／ACK四路握手和邻节点设置NAV的机制，只是通过另外附加多信道、功率控制或定向天线的方式对MAC协议进行了改进．来消除隐藏终端和暴露终端问题。

(2)基于多信道或忙音信道的方法

双信道是将信道分为控制信道和数据信道，控制报文和数据报文分别在各自的信道上传输，因此首先就消除了控制报文和数据报文的冲突。如图1，节点C要向隐藏终端A发送数据时，

先在控制信道上发送RTS，A也在控制信道上回复CTS，C接下来就可以使用数据信道向A发送数据。这样，C和A之间的RTS／CTS交换就没有干扰到S和R之间的数据通信，达到了s和R以及C和A之间的同时通信，解决了隐藏终端同时接收的问题。同样，暴露终端B使用控制信道与D完成RTS／CTS交换，接着B在数据信道上向D发送数据，使S和R以及B和D之间能同时通信，解决了暴露终端同时发送的问题。在多信道情况下，通常把信道划分为控制信道、数据发送信道和数据接收信道。忙音信道是在数据信道和控制信道分开的情况下，再增加忙音信道。在发送和接收数据的同时开启忙音信道，让邻居节点知道本节点有数据正在发送或接收，从而达到有效解决隐藏终端和暴露终端问题的目的。双忙音多址接人协议(DBTMAC）利用RTS／CTS进行信道预约，有发送忙音BTt(Busy Tone transmit)和接收忙音BTr(Busy Tone receive）两个带外忙音，它可以很好地解决隐藏终端和暴露终端问题。发送节点首先监听信道是否有BTr，如有，则表示有邻节点正在接收数据，于是延缓自己的发送；否则发送自己的RTS并同时监听BTr，在此过程中若监听到BTr，即使RTS发送成功也放弃发送数据。接收节点接收到RTS后，监听信道上是否有BTt音，若没有，则回复CTS并开启BTr．否则将保持沉默，不回复CTS。利用该忙音检测的方法，所有收到BTr忙音的节点均不能发送数据，所有收到BTt忙音的节点不能接收数据，从而理论上完全消除了隐藏终端和暴露终端问题。

图1

虽然增加信道的方法很好地解决了隐藏终端和暴露终端问题，但是必须进行信道的划分，增加了控制信道和忙音信道，使得算法复杂化，而且忙音的发送和检测也都需要硬件的支持。 (3)功率控制方法

基于功率控制的方法是根据通信双方的距离、能量损失因子等因素，决定最佳发送功率，控制发送范围，使受干扰范围减到最小程度，从而消除部分隐藏终端和暴露终端问题的一种策略。在通信过程中，发送节点的发送功率经过传输过程中的种种损耗，到达接收节点时，如果接收节点的接收功率不小于信干比SINR （Signal to Interference plus Noise Ratio）．则正确接收数据，否则丢弃。一种基于802．11的功率控制MAC协议，数据发送者在RTS包中包含自己的发送功率和容许接收功率，接收者通过计算接收到的RTS包的功率，参照自己的剩余功率，将信息反馈给发送节点。通过两个通信节点之间的控制信息的交换来决定数据包的实际发送功率和限制其他邻节点的发送功率，这样邻节点可以使用低于正在通信节点对之间能忍受的功率进行数据收发，达到与正在通信节点对之间的并行通信，有效地降低隐藏终端和暴露终端问题。

功率控制方法有效地节省了发送能量，但控制帧必须携带功率信息，增加了帧长度，功率的计算也增加了计算量。 (4)基于定向天线的方法

由于全向发送接收模式对天线覆盖范围内的其他节点产生了不同程度的干扰，而定向天线由于天线的导向功能、自适应波束形成、零陷形成等优势，能把发送接收波束限制在一定宽度(不同于全向天线的360度覆盖)，使主波束直接对准通信节点，在其他方向则形成零陷，因此增大节点之间的连通度，使得干扰范围变小，隐藏终端和暴露终端问题也得以大大减轻。但是由于天线的定向性。也带来了定向隐藏终端和聋节点等新的问题．而且会大大增加系统的复杂性及成本。 五、结束语

在本文中提到了除RTS/CTS之外的四种解决隐藏和暴露终端问题的方法，这些方法虽然都有些许不足，但在今后的继续改进及实际工程中有很重要的参考价值。