AdHoc網(wǎng)絡(luò)中支持QoS的MAC機(jī)制與算法：理論、實(shí)踐與創(chuàng)新一、引言1.1AdHoc網(wǎng)絡(luò)概述AdHoc網(wǎng)絡(luò)，又稱自組織網(wǎng)絡(luò)或無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，是一種由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)兼具通信終端與路由器功能，無需依賴固定通信設(shè)施，可在臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下自由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其核心特征在于多跳、無中心與自組織，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)設(shè)的固定基礎(chǔ)設(shè)施，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能自由移動(dòng)，且可任意動(dòng)態(tài)地與其他節(jié)點(diǎn)保持聯(lián)系。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在彼此的無線通信覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，可直接通信；若相距較遠(yuǎn)，則需借助其他中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能完成路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)功能。AdHoc網(wǎng)絡(luò)具備一系列獨(dú)特優(yōu)勢。首先，具有高度的自主性與獨(dú)立性，無需現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施支持，可在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)快速搭建起移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，例如在偏遠(yuǎn)地區(qū)或有線通信設(shè)施遭受破壞的區(qū)域，能夠迅速建立起應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，滿足人們的通信需求。其次，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，移動(dòng)主機(jī)的隨意移動(dòng)雖會使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷且不可預(yù)測地變化，但這種動(dòng)態(tài)特性也使其能適應(yīng)各種復(fù)雜多變的環(huán)境，如在軍事作戰(zhàn)場景中，士兵們攜帶的移動(dòng)設(shè)備可隨時(shí)根據(jù)戰(zhàn)場形勢組成AdHoc網(wǎng)絡(luò)，確保通信的順暢。再者，AdHoc網(wǎng)絡(luò)采用分布式控制方式，不存在中心控制節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)通過分布式協(xié)議互聯(lián)，這使得網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性，個(gè)別節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。然而，AdHoc網(wǎng)絡(luò)也面臨諸多挑戰(zhàn)。無線信道的帶寬限制和鏈路容量的變化是其面臨的主要問題之一，無線信道的物理特性決定了其提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道較低，且多路訪問、多徑衰落、噪聲和信號干擾等因素，會使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際可獲得的帶寬遠(yuǎn)小于理論最大帶寬值，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。此外，節(jié)點(diǎn)的能量限制也不容忽視，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通常依靠電池供電，能源有限，這對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了很高要求，需要盡可能減少功耗以延長節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。同時(shí)，多跳通信帶來的隱藏終端、暴露終端和公平性等問題，也增加了網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜性和管理難度。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)，AdHoc網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在軍事通信領(lǐng)域，AdHoc網(wǎng)絡(luò)可在戰(zhàn)場上快速部署，為士兵提供實(shí)時(shí)的通信支持，使他們能夠及時(shí)共享戰(zhàn)場信息，協(xié)同作戰(zhàn)。在緊急救援場景中，如地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)氐耐ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施可能遭到嚴(yán)重破壞，此時(shí)AdHoc網(wǎng)絡(luò)能夠迅速搭建，實(shí)現(xiàn)救援人員之間以及救援人員與指揮中心之間的通信，提高救援效率。在智能交通系統(tǒng)中，車輛可通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)相互通信，實(shí)現(xiàn)交通信息的共享，如路況、車速等，從而優(yōu)化交通流量，減少擁堵，提高道路安全性。此外，AdHoc網(wǎng)絡(luò)還可應(yīng)用于臨時(shí)會議會場、無線家庭網(wǎng)絡(luò)等民用通信領(lǐng)域，滿足人們在不同場景下的通信需求。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，通信技術(shù)飛速發(fā)展，AdHoc網(wǎng)絡(luò)作為一種重要的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在現(xiàn)代通信中扮演著不可或缺的角色。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，AdHoc網(wǎng)絡(luò)將與這些技術(shù)深度融合，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景，為人們的生活和工作帶來更多便利和創(chuàng)新。因此，對AdHoc網(wǎng)絡(luò)的深入研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而其中支持QoS的MAC機(jī)制與算法的研究，更是提高AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。1.2QoS與MAC機(jī)制的重要性在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）對于保障各類應(yīng)用的正常運(yùn)行和用戶體驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用。隨著AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的不斷拓展，如軍事通信中的實(shí)時(shí)指揮與情報(bào)傳輸、緊急救援中的生命體征監(jiān)測與應(yīng)急通信、智能交通中的車輛間通信與自動(dòng)駕駛輔助等，不同的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)性能提出了多樣化且嚴(yán)格的要求。對于實(shí)時(shí)性要求極高的語音和視頻通信應(yīng)用，它們需要網(wǎng)絡(luò)能夠提供穩(wěn)定且低延遲的傳輸服務(wù)，以確保語音的清晰連貫和視頻的流暢播放。例如在遠(yuǎn)程醫(yī)療會診中，醫(yī)生需要通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看患者的高清影像資料并進(jìn)行語音交流，任何較大的延遲或抖動(dòng)都可能影響診斷的準(zhǔn)確性。在智能交通系統(tǒng)中，車輛之間需要快速準(zhǔn)確地交換速度、位置等信息，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的安全決策，這就要求網(wǎng)絡(luò)具有極低的傳輸延遲和高可靠性，否則可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。而對于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，雖然實(shí)時(shí)性要求相對較低，但對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和完整性有著嚴(yán)格要求，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不丟失、不損壞。如在金融交易場景中，AdHoc網(wǎng)絡(luò)用于移動(dòng)支付和交易信息傳輸，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性直接關(guān)系到交易的安全和用戶的資金安全。在企業(yè)移動(dòng)辦公中，員工通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)訪問公司的數(shù)據(jù)庫和文件服務(wù)器，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是保證工作正常進(jìn)行的基礎(chǔ)。MAC（MediumAccessControl）機(jī)制作為AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，在保障QoS方面發(fā)揮著不可或缺的作用。MAC機(jī)制主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對共享無線信道的訪問，合理分配信道資源，就如同交通警察指揮車輛在道路上有序行駛一樣，確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠公平、高效地使用信道。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，無線信道資源十分有限，且具有廣播特性，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭信道容易引發(fā)沖突和干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗或延遲增加。MAC機(jī)制通過制定一系列規(guī)則和算法，如時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）和載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）等，來解決這些問題。以CSMA/CA機(jī)制為例，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道，若信道空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，并在發(fā)送過程中持續(xù)監(jiān)聽以避免沖突；若信道忙，則按照一定的退避算法等待一段時(shí)間后再次嘗試發(fā)送。有效的MAC機(jī)制能夠顯著提高信道利用率，減少?zèng)_突和重傳次數(shù)，從而降低傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯掏铝?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)不同類型的業(yè)務(wù)流時(shí)，如同時(shí)有語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持QoS的MAC機(jī)制可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS需求，為其分配不同的優(yōu)先級和信道資源。對于實(shí)時(shí)性要求高的語音和視頻業(yè)務(wù)，給予較高的優(yōu)先級，確保它們能夠優(yōu)先訪問信道，獲得足夠的帶寬和較低的延遲；對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則分配相對較低的優(yōu)先級，在保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求的前提下，充分利用剩余的信道資源進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)，滿足各類應(yīng)用的QoS要求。QoS與MAC機(jī)制緊密聯(lián)系、相互影響。一方面，QoS需求是設(shè)計(jì)和優(yōu)化MAC機(jī)制的重要依據(jù)。不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)類型對QoS的要求各異，這就促使研究人員不斷改進(jìn)和創(chuàng)新MAC機(jī)制，以更好地滿足這些多樣化的QoS需求。為了滿足實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)對低延遲和高帶寬的要求，研究人員提出了基于優(yōu)先級的MAC協(xié)議，通過為不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)分配不同的競爭窗口和退避時(shí)間，來保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的優(yōu)先傳輸。另一方面，MAC機(jī)制的性能直接影響著QoS的實(shí)現(xiàn)效果。如果MAC機(jī)制不合理，導(dǎo)致信道利用率低下、沖突頻繁，那么即使上層協(xié)議有完善的QoS保障措施，也難以實(shí)現(xiàn)良好的服務(wù)質(zhì)量。例如，若MAC機(jī)制不能有效地協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對信道的訪問，使得實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包在等待信道時(shí)超時(shí)，就會導(dǎo)致語音或視頻出現(xiàn)卡頓、中斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。綜上所述，QoS對于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用至關(guān)重要，而MAC機(jī)制則是實(shí)現(xiàn)QoS的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深入研究和優(yōu)化支持QoS的MAC機(jī)制與算法，對于提高AdHoc網(wǎng)絡(luò)的性能、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)近年來，隨著AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷拓展，支持QoS的MAC機(jī)制與算法成為了研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域展開了深入研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。在MAC協(xié)議研究方面，經(jīng)典的IEEE802.11系列協(xié)議中的DCF（DistributedCoordinationFunction）和PCF（PointCoordinationFunction）是基礎(chǔ)。DCF采用CSMA/CA機(jī)制，通過載波監(jiān)聽和隨機(jī)退避來減少?zèng)_突，實(shí)現(xiàn)對無線信道的分布式訪問。但在負(fù)載較重時(shí)，沖突加劇，導(dǎo)致信道利用率降低，無法滿足QoS要求。PCF是基于集中控制的MAC協(xié)議，由接入點(diǎn)（AP）輪詢各節(jié)點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)分配信道訪問機(jī)會，能提供一定的實(shí)時(shí)性保障，但它依賴中心節(jié)點(diǎn)，不適用于無中心的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。為了改進(jìn)IEEE802.11協(xié)議對QoS的支持，IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)引入了EDCA（EnhancedDistributedChannelAccess）機(jī)制，它通過為不同類型的業(yè)務(wù)分配不同的接入類別（AC），每個(gè)AC對應(yīng)不同的仲裁幀間隔（AIFS）、競爭窗口（CW）和傳輸機(jī)會（TXOP），實(shí)現(xiàn)了一定程度的QoS區(qū)分。在語音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，為其分配較小的AIFS和較大的TXOP，使其能優(yōu)先接入信道，獲得更好的傳輸性能。一些學(xué)者針對EDCA機(jī)制的不足提出了改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[X]提出了一種基于優(yōu)先級的自適應(yīng)EDCA算法，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整各AC的參數(shù)，如競爭窗口大小和退避時(shí)間。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)增多時(shí)，算法自動(dòng)減小實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)AC的競爭窗口，增加其獲取信道的機(jī)會，從而提高實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸性能，減少延遲和丟包率。文獻(xiàn)[Y]則從帶寬分配角度對EDCA進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于帶寬預(yù)留的EDCA擴(kuò)展協(xié)議，該協(xié)議在EDCA的基礎(chǔ)上，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)留一定比例的帶寬，確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)也能獲得足夠的帶寬資源，保證其QoS需求。在支持資源預(yù)約的MAC機(jī)制研究中，一些協(xié)議通過建立預(yù)約機(jī)制，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)留信道資源，以保證其帶寬和時(shí)延要求。如文獻(xiàn)[Z]提出的RMAC（ReservationMAC）協(xié)議，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先通過控制幀向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送資源預(yù)約請求，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身資源情況進(jìn)行響應(yīng)。若預(yù)約成功，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在預(yù)約的時(shí)間段內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免了與其他節(jié)點(diǎn)的沖突，有效保證了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS。但這種預(yù)約機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁時(shí)，可能會導(dǎo)致預(yù)約失敗或資源浪費(fèi)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)移動(dòng)可能使原來的預(yù)約關(guān)系失效，而重新預(yù)約又需要消耗額外的時(shí)間和資源。在支持QoS的MAC算法研究方面，自適應(yīng)算法成為了重要的研究方向。自適應(yīng)MAC算法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，如節(jié)點(diǎn)密度、業(yè)務(wù)負(fù)載、信道質(zhì)量等，動(dòng)態(tài)調(diào)整協(xié)議參數(shù)，以提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)性能。一種基于負(fù)載感知的自適應(yīng)MAC算法，該算法通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長度和信道繁忙程度來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，增大節(jié)點(diǎn)的發(fā)送概率，減少退避時(shí)間，提高信道利用率；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)送概率，增加退避時(shí)間，避免沖突加劇，從而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求。盡管在支持QoS的MAC機(jī)制與算法研究上取得了一定進(jìn)展，但目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。隱藏終端和暴露終端問題一直是困擾AdHoc網(wǎng)絡(luò)MAC機(jī)制的難題。在隱藏終端問題中，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C都能與節(jié)點(diǎn)B通信，但A和C彼此不在對方的通信范圍內(nèi)。當(dāng)A和C同時(shí)向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會在B處產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。這不僅降低了信道利用率，還影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，尤其是對于?shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，如語音和視頻通信，沖突可能導(dǎo)致語音中斷、視頻卡頓等問題。而暴露終端問題則是指節(jié)點(diǎn)A正在向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C能聽到A的發(fā)送，但C與B之間并無通信沖突。然而，由于CSMA/CA機(jī)制的限制，C誤以為信道被占用而不敢向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，造成了信道資源的浪費(fèi)，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入和離開而頻繁變化，這給MAC機(jī)制帶來了巨大挑戰(zhàn)。在拓?fù)渥兓瘯r(shí)，原有的信道分配和預(yù)約關(guān)系可能失效，需要重新進(jìn)行信道資源的分配和協(xié)調(diào)。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)可能導(dǎo)致鏈路質(zhì)量下降或中斷，MAC機(jī)制需要及時(shí)感知并調(diào)整傳輸策略，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。但目前的MAC協(xié)議在快速適應(yīng)拓?fù)渥兓矫孢€存在不足，往往會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t增加、丟包率上升，難以滿足對實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的應(yīng)用場景。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的無線信道資源十分有限，且具有時(shí)變特性，受到噪聲、干擾和多徑衰落等因素的影響，信道質(zhì)量不穩(wěn)定。在這種情況下，如何有效地分配帶寬資源，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求是一個(gè)關(guān)鍵問題。對于實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，需要保證其在信道質(zhì)量較差時(shí)也能獲得足夠的帶寬和較低的延遲；而對于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，要在不影響實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的前提下，合理利用剩余帶寬。但現(xiàn)有的MAC機(jī)制在復(fù)雜的信道環(huán)境下，很難實(shí)現(xiàn)對帶寬資源的精確分配和高效利用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。此外，不同業(yè)務(wù)對QoS的需求差異很大，如語音業(yè)務(wù)對延遲和抖動(dòng)非常敏感，要求延遲在幾十毫秒以內(nèi)，抖動(dòng)不超過一定范圍；而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則更關(guān)注傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和吞吐量。如何在一個(gè)統(tǒng)一的MAC機(jī)制中，同時(shí)滿足多種業(yè)務(wù)的不同QoS需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)，也是當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)之一?，F(xiàn)有的MAC協(xié)議大多只能提供有限的QoS區(qū)分能力，難以滿足日益增長的多樣化業(yè)務(wù)需求。支持QoS的MAC機(jī)制與算法在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的研究雖然取得了一定成果，但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步深入研究和探索，以提高AdHoc網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量，滿足不斷發(fā)展的應(yīng)用需求。二、AdHoc網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與QoS需求2.1AdHoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约熬W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧共同構(gòu)成，各個(gè)部分相互協(xié)作，賦予了AdHoc網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的功能和特性。在節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)方面，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要涵蓋主機(jī)、路由器和電臺這三個(gè)關(guān)鍵部分。主機(jī)部分主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的各項(xiàng)功能，包括人機(jī)接口的交互以及數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，它是用戶與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的直接界面，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的輸入輸出和初步處理工作，如同人的大腦和五官，接收外界信息并進(jìn)行初步的分析和判斷。路由器部分則肩負(fù)著關(guān)鍵的路由功能，負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中選擇合適的路徑，將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。在一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A需要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，路由器會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)，選擇從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B，再從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C，最后從節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)D的最佳路徑，確保數(shù)據(jù)能夠高效、準(zhǔn)確地傳輸。電臺部分作為無線通信的核心組件，承擔(dān)著信號的發(fā)送和接收任務(wù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的無線通信連接。它通過特定的頻段和調(diào)制解調(diào)技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無線信號進(jìn)行傳輸，并在接收端將接收到的信號還原為數(shù)據(jù)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包含平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)這兩種類型，每種結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景。平面結(jié)構(gòu)是一種較為簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在這種結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)控制、路由選擇和流量管理等方面都處于平等的地位，不存在特定的中心控制節(jié)點(diǎn)。這使得網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的健壯性，因?yàn)榧词鼓硞€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其他節(jié)點(diǎn)仍能正常工作，不會對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行造成致命影響。同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間通常存在多條路徑可供選擇，能夠較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡和選擇最優(yōu)路由。在一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的平面結(jié)構(gòu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1需要向節(jié)點(diǎn)5發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可能存在從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2再到節(jié)點(diǎn)5，以及從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3再到節(jié)點(diǎn)4最后到節(jié)點(diǎn)5等多條路徑，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)實(shí)時(shí)的鏈路狀態(tài)和流量情況，選擇最優(yōu)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然而，平面結(jié)構(gòu)也存在一些明顯的局限性，由于無法實(shí)施集中式的網(wǎng)絡(luò)管理和控制，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由信息。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息會產(chǎn)生大量的控制消息，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷急劇增大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加到一定程度時(shí)，甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)的“癱瘓”，因此平面結(jié)構(gòu)通常主要應(yīng)用于中小型網(wǎng)絡(luò)。分級結(jié)構(gòu)，又被稱為分層分布式控制結(jié)構(gòu)，它巧妙地借鑒了完全分布式和分層中心式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。在分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分成多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成。簇頭在簇內(nèi)發(fā)揮著核心的管理和協(xié)調(diào)作用，負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，與其他簇頭進(jìn)行通信，以及為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配資源等任務(wù)。分級結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步細(xì)分為單頻分級和多頻分級兩種形式。在單頻分級網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率進(jìn)行通信。簇頭之間的通信需要借助網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來完成，這些網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)位于兩個(gè)簇頭的通信范圍內(nèi)，起到連接不同簇的橋梁作用。簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共同形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)，即虛擬骨干網(wǎng)絡(luò)。在一個(gè)包含多個(gè)簇的單頻分級AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，簇1的簇頭要與簇3的簇頭通信，就需要通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。而在多頻率分級網(wǎng)絡(luò)中，簇頭一般預(yù)先設(shè)定，不同級采用不同的通信頻率。低級節(jié)點(diǎn)的通信范圍相對較小，而高級節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍較大。高級節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級中，可以使用不同的頻率來實(shí)現(xiàn)不同級的通信。在一個(gè)兩級多頻率分級網(wǎng)絡(luò)中，簇頭可能具有兩個(gè)頻率，頻率1用于簇頭與簇成員間的通信，頻率2用于簇頭之間的通信。分級結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于其出色的可擴(kuò)充性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎不受限制，并且可以通過增加簇的個(gè)數(shù)或網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)來有效提高網(wǎng)絡(luò)的容量。在相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的條件下，分級結(jié)構(gòu)的路由和控制開銷要比平面結(jié)構(gòu)小得多，同時(shí)該結(jié)構(gòu)也更容易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理和網(wǎng)絡(luò)的局部同步。因此，當(dāng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)，分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是更為合適的選擇。AdHoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧遵循分層結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧類似，但也有其自身的特點(diǎn)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化和無線通信環(huán)境。物理層主要負(fù)責(zé)信道的區(qū)分和選擇、無線信號的監(jiān)測、調(diào)制解調(diào)等關(guān)鍵功能，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是以相對低的能量消耗，克服無線媒體的傳輸損失，從而獲得較大的鏈路容量。在復(fù)雜的無線通信環(huán)境中，物理層需要根據(jù)信號的強(qiáng)度、干擾情況等因素，選擇合適的信道進(jìn)行通信，并通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為適合在無線信道中傳輸?shù)男问健?shù)據(jù)鏈路層承擔(dān)著將物理層接收到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行錯(cuò)誤檢測和糾正的任務(wù)，同時(shí)還負(fù)責(zé)解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)對共享信道的訪問沖突問題，MAC機(jī)制就位于這一層，它是AdHoc網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層主要包括鄰居發(fā)現(xiàn)、分組路由、擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)互連等重要功能。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使得鄰居節(jié)點(diǎn)不斷變化，網(wǎng)絡(luò)層需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的鄰居節(jié)點(diǎn)，并更新路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層要采取相應(yīng)的擁塞控制措施，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。傳輸層負(fù)責(zé)端到端的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的可靠交付，它為應(yīng)用層提供了一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)傳輸接口。應(yīng)用層則主要提供面向用戶的各種應(yīng)用服務(wù)，包括具有嚴(yán)格延時(shí)和丟失率限制的實(shí)時(shí)應(yīng)用，如語音通話、視頻會議等；基于RTP/RTCP的自適應(yīng)應(yīng)用，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)；以及沒有任何服務(wù)質(zhì)量保障的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如普通的文件傳輸?shù)?。AdHoc網(wǎng)絡(luò)具備一系列顯著的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。首先是自組織和無中心特性，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)無需依賴預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，能夠自主地通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為。當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會自動(dòng)與周圍的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信和協(xié)商，獲取網(wǎng)絡(luò)信息并融入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，這使得網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗毀性，個(gè)別節(jié)點(diǎn)的故障不會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化也是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、設(shè)備的故障以及外界信號的干擾等因素，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨時(shí)發(fā)生不可預(yù)測的變化。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)可能導(dǎo)致鏈路的中斷或建立，這就要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠快速適應(yīng)這種變化，重新計(jì)算路由，確保通信的連續(xù)性。多跳組網(wǎng)方式是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的典型特征，由于節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間并非直接可達(dá)時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能完成通信。在一個(gè)廣闊的區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以通過多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這種多跳方式增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和靈活性。AdHoc網(wǎng)絡(luò)采用分布式控制方式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過分布式協(xié)議相互協(xié)作，共同完成網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，不存在單一的控制節(jié)點(diǎn)，避免了中心節(jié)點(diǎn)的瓶頸問題和單點(diǎn)故障。無線通信帶寬受限也是AdHoc網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，無線信道的物理特性決定了其帶寬相對有限，并且競爭共享無線信道會產(chǎn)生碰撞、信號衰減、噪音干擾及信道干擾等問題，使得節(jié)點(diǎn)實(shí)際可獲得的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。在一個(gè)密集的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭信道，會導(dǎo)致信道沖突加劇，數(shù)據(jù)傳輸速率降低。安全性受限也是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)，由于無線通信的開放性，網(wǎng)絡(luò)容易受到竊聽、篡改、假冒等攻擊。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和分布式結(jié)構(gòu)也增加了安全管理的難度，傳統(tǒng)的安全機(jī)制難以直接應(yīng)用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備受限也是需要考慮的因素，AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端通常具有電源有限、內(nèi)存小、CPU性能低等特點(diǎn)，這對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要在資源有限的情況下實(shí)現(xiàn)高效的通信和數(shù)據(jù)處理。2.2QoS指標(biāo)體系與應(yīng)用需求分析在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)體系涵蓋多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)從不同維度反映了網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)水平，對于評估網(wǎng)絡(luò)能否滿足各類應(yīng)用的需求起著至關(guān)重要的作用。時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，它是衡量網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)延主要由傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延組成。傳輸時(shí)延是指將數(shù)據(jù)包的比特流推送到傳輸鏈路所需的時(shí)間，與數(shù)據(jù)包的大小和鏈路帶寬有關(guān)。傳播時(shí)延是信號在傳輸介質(zhì)中傳播所花費(fèi)的時(shí)間，取決于傳輸介質(zhì)的特性和距離。處理時(shí)延是節(jié)點(diǎn)對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理（如解析、路由查找等）所需的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延是數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列中等待傳輸?shù)臅r(shí)間，它受到網(wǎng)絡(luò)擁塞程度的影響。在實(shí)時(shí)性要求極高的語音通話應(yīng)用中，時(shí)延必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，一般要求端到端時(shí)延不超過150毫秒，否則通話雙方會明顯感覺到延遲，影響通話的流暢性和交互性。在視頻會議應(yīng)用中，時(shí)延也需要控制在較低水平，以保證參會者能夠?qū)崟r(shí)看到和聽到對方的畫面和聲音，實(shí)現(xiàn)高效的溝通和協(xié)作。帶寬是指在單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以比特每秒（bps）為單位，它反映了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，由于無線信道資源有限，帶寬成為一種稀缺資源。不同的應(yīng)用對帶寬的需求差異很大，對于高清視頻會議，為了保證視頻的清晰度和流暢度，通常需要至少1Mbps的帶寬。在高清視頻會議中，視頻分辨率較高，色彩豐富，幀率穩(wěn)定，這些都需要大量的數(shù)據(jù)來支撐，只有足夠的帶寬才能確保視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸，避免出現(xiàn)卡頓、模糊等現(xiàn)象。而對于普通的數(shù)據(jù)傳輸，如文件下載，帶寬需求相對靈活，但帶寬越高，下載速度就越快，用戶等待的時(shí)間就越短。丟包率是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)的比例，它體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，丟包可能由多種原因引起，如信號干擾、鏈路中斷、網(wǎng)絡(luò)擁塞等。在實(shí)時(shí)性應(yīng)用中，少量的丟包可能會導(dǎo)致語音或視頻的短暫中斷、卡頓，影響用戶體驗(yàn)。在語音通話中，如果丟包率過高，會出現(xiàn)聲音斷斷續(xù)續(xù)、模糊不清的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至無法正常通話。而對于對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求極高的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，如金融交易數(shù)據(jù)的傳輸，丟包可能導(dǎo)致交易信息錯(cuò)誤，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，這類應(yīng)用通常要求丟包率極低，接近零。抖動(dòng)是指數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延的變化程度，即最大時(shí)延與最小時(shí)延之間的差值，它對實(shí)時(shí)性應(yīng)用的影響較大。在語音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中，數(shù)據(jù)包需要按照一定的時(shí)間間隔到達(dá)接收端，以保證播放的連續(xù)性和穩(wěn)定性。如果抖動(dòng)過大，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間間隔不均勻，從而使語音出現(xiàn)卡頓、視頻畫面不流暢。在觀看在線視頻時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)較大，視頻畫面會出現(xiàn)頻繁的停頓、跳幀現(xiàn)象，嚴(yán)重影響觀看體驗(yàn)。為了保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的質(zhì)量，抖動(dòng)通常需要控制在幾十毫秒以內(nèi)。不同的應(yīng)用場景對QoS有著不同的具體需求，這些需求直接影響著網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方向。在語音通話應(yīng)用中，對時(shí)延和抖動(dòng)非常敏感，要求時(shí)延盡可能低，抖動(dòng)控制在極小的范圍內(nèi)。一般來說，語音通話的端到端時(shí)延應(yīng)不超過150毫秒，抖動(dòng)不超過30毫秒，以確保通話的自然流暢，讓通話雙方感覺如同面對面交流。同時(shí)，為了保證語音的清晰度和可懂度，丟包率也需要控制在較低水平，通常要求丟包率不超過1%。在緊急救援場景中，救援人員之間的語音通話至關(guān)重要，低時(shí)延和低丟包率能夠確保信息的準(zhǔn)確傳達(dá)，及時(shí)協(xié)調(diào)救援行動(dòng)，提高救援效率。視頻會議應(yīng)用不僅對時(shí)延和抖動(dòng)有嚴(yán)格要求，還需要較高的帶寬來保證視頻的質(zhì)量。高清視頻會議一般需要1Mbps-2Mbps的帶寬，以支持高分辨率、高幀率的視頻傳輸。時(shí)延應(yīng)控制在200毫秒以內(nèi)，抖動(dòng)不超過50毫秒，這樣才能保證參會者能夠清晰地看到和聽到對方的畫面和聲音，實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程協(xié)作。在企業(yè)遠(yuǎn)程辦公中，視頻會議成為重要的溝通工具，高質(zhì)量的視頻會議能夠提高工作效率，減少溝通成本。數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用則更注重傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和完整性，對丟包率的要求極高。對于普通文件傳輸，雖然對時(shí)延和帶寬的要求相對較低，但丟包率也不能過高，否則會導(dǎo)致文件傳輸錯(cuò)誤或不完整。在金融交易中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性直接關(guān)系到交易的安全和用戶的資金安全，任何數(shù)據(jù)的丟失或錯(cuò)誤都可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。因此，金融交易數(shù)據(jù)傳輸要求丟包率幾乎為零，同時(shí)需要保證數(shù)據(jù)的傳輸速度和穩(wěn)定性。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的QoS指標(biāo)體系與應(yīng)用需求密切相關(guān)，不同的應(yīng)用對時(shí)延、帶寬、丟包率和抖動(dòng)等指標(biāo)有著不同的要求。在設(shè)計(jì)和優(yōu)化支持QoS的MAC機(jī)制與算法時(shí)，必須充分考慮這些應(yīng)用需求，以提供滿足各類應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。2.3現(xiàn)有MAC協(xié)議綜述2.3.1基于競爭的MAC協(xié)議IEEE802.11DCF（DistributedCoordinationFunction）協(xié)議是基于競爭的MAC協(xié)議的典型代表，被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)（WLAN）中，也是AdHoc網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)的MAC協(xié)議之一。其工作原理基于帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA/CA,CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）機(jī)制。在CSMA/CA機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先要進(jìn)行載波偵聽。載波偵聽分為物理載波偵聽和虛擬載波偵聽。物理載波偵聽通過物理層的信道空閑評估（CCA,ClearChannelAssessment）算法來判斷信道是否空閑，例如通過檢測接收信號的能量大?。芰繖z測）、是否存在高速PHY信號（載波檢測）或者兩者結(jié)合（能量載波混合檢測）等方式。當(dāng)接收的功率大于物理層規(guī)定的閾值ED_threshold時(shí)，或者檢測到信道中存在高速PHY信號且信號質(zhì)量超過設(shè)定閾值時(shí)，就認(rèn)為信道被占用。虛擬載波偵聽則由MAC層的網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV,NetworkAllocationVector）實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)在接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀時(shí)，會根據(jù)幀中的Dur/ID字段（存放著“持續(xù)時(shí)間”）來更新自身的NAV定時(shí)器。NAV定時(shí)器表示信道將被占用的剩余時(shí)間，只有當(dāng)NAV值為0且物理載波監(jiān)聽表明信道空閑時(shí)，才認(rèn)為當(dāng)前鏈路為空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)才可以嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到信道空閑時(shí)，并不會立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是要等待一個(gè)DCF幀間間隔（DIFS,DCFInter-FrameSpace）。DIFS的時(shí)長取決于物理層所定義的比特速率和介質(zhì)定義的時(shí)間空隙。等待DIFS后，節(jié)點(diǎn)還要進(jìn)入隨機(jī)退避階段。隨機(jī)退避機(jī)制是為了進(jìn)一步減少?zèng)_突的發(fā)生，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會在一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間內(nèi)等待，退避時(shí)間由多個(gè)時(shí)隙組成，時(shí)隙長度也與物理層相關(guān)。節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)都會檢測信道，如果信道空閑，則退避計(jì)數(shù)器減1；如果信道被占用，則退避計(jì)數(shù)器暫停，直到信道再次空閑DIFS時(shí)間后，繼續(xù)遞減。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。為了更好地解決隱藏終端問題，IEEE802.11DCF還引入了請求發(fā)送/允許發(fā)送（RTS/CTS,RequesttoSend/CleartoSend）機(jī)制，這是一種可選方式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送一個(gè)較長的數(shù)據(jù)幀時(shí)，先發(fā)送一個(gè)短的RTS幀，RTS幀中包含了將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度等信息。接收節(jié)點(diǎn)收到RTS幀后，如果同意發(fā)送，則回復(fù)一個(gè)CTS幀。CTS幀會被周圍的節(jié)點(diǎn)接收到，這些節(jié)點(diǎn)根據(jù)CTS幀中的信息更新自己的NAV，從而在數(shù)據(jù)幀傳輸期間不會發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了隱藏終端可能導(dǎo)致的沖突。發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS幀后，才開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)在正確接收數(shù)據(jù)幀后，會回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀（ACK）。IEEE802.11DCF協(xié)議具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。它的實(shí)現(xiàn)相對簡單，不需要復(fù)雜的同步機(jī)制和集中控制，適合AdHoc網(wǎng)絡(luò)這種分布式、無中心的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于采用了競爭機(jī)制，它能夠較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量和業(yè)務(wù)量的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)較少、業(yè)務(wù)量較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠快速地競爭到信道資源，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)臨時(shí)搭建的小型AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳輸，DCF協(xié)議能夠讓節(jié)點(diǎn)迅速地接入信道，完成數(shù)據(jù)交互。然而，IEEE802.11DCF協(xié)議也存在一些明顯的缺點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，大量節(jié)點(diǎn)競爭信道，沖突的概率會大大增加。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測到信道空閑并開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會發(fā)生沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，需要重傳。這不僅會降低信道利用率，還會增加傳輸延遲。在一個(gè)擁擠的公共場所，如大型商場或演唱會現(xiàn)場，大量用戶的移動(dòng)設(shè)備組成AdHoc網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)DCF協(xié)議下的沖突現(xiàn)象會非常頻繁，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。DCF協(xié)議對不同類型的業(yè)務(wù)缺乏有效的區(qū)分能力，無法滿足QoS保障的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的業(yè)務(wù)對時(shí)延、帶寬、丟包率等QoS指標(biāo)有著不同的要求。語音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對時(shí)延和抖動(dòng)非常敏感，需要低延遲和穩(wěn)定的傳輸；而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則更關(guān)注傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和吞吐量。但DCF協(xié)議采用統(tǒng)一的競爭方式，所有業(yè)務(wù)都平等競爭信道資源，無法為不同業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)。在一個(gè)同時(shí)存在語音通話和文件下載的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，語音通話可能會因?yàn)槲募螺d業(yè)務(wù)大量占用信道資源而出現(xiàn)卡頓、中斷等現(xiàn)象，無法保證其QoS需求。2.3.2基于預(yù)約的MAC協(xié)議基于預(yù)約的MAC協(xié)議，如動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DSR,DynamicSourceRouting）和按需距離矢量路由協(xié)議（AODV,Ad-hocOn-DemandDistanceVectorRouting）等，通過在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行信道資源的預(yù)約，來避免沖突，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。以DSR協(xié)議為例，它是一種源路由協(xié)議，其工作方式基于源路由和路由緩存機(jī)制。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查自己的路由緩存中是否存在到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果存在，則直接使用該路由發(fā)送數(shù)據(jù)。若路由緩存中沒有有效路由，源節(jié)點(diǎn)就會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點(diǎn)向所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請求（RREQ,RouteRequest）分組，RREQ分組中包含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址等信息。鄰居節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組后，如果不是目的節(jié)點(diǎn)，且自己也不知道到目的節(jié)點(diǎn)的路由，則將該RREQ分組轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會記錄RREQ分組經(jīng)過的路徑。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組后，會根據(jù)記錄的路徑信息，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)路由回復(fù)（RREP,RouteReply）分組。源節(jié)點(diǎn)收到RREP分組后，就獲得了到目的節(jié)點(diǎn)的路由，同時(shí)將該路由信息存儲到路由緩存中，以便后續(xù)使用。在數(shù)據(jù)傳輸階段，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的路由，將數(shù)據(jù)分組按照路由路徑逐跳發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，源節(jié)點(diǎn)會通過控制幀向沿途的節(jié)點(diǎn)發(fā)送資源預(yù)約請求，告知它們自己即將發(fā)送數(shù)據(jù)以及所需的資源（如帶寬、時(shí)間片等）。沿途節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身資源情況進(jìn)行響應(yīng)，如果同意預(yù)約，則為源節(jié)點(diǎn)預(yù)留相應(yīng)的資源，確保數(shù)據(jù)傳輸過程中不會受到其他節(jié)點(diǎn)的干擾。AODV協(xié)議是一種按需距離矢量路由協(xié)議，它的工作方式與DSR有一些相似之處，但也有其獨(dú)特特點(diǎn)。AODV同樣在需要時(shí)才進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送且沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，它會廣播RREQ分組。鄰居節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組后，若不是目的節(jié)點(diǎn)，會檢查自己是否有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果有，則向源節(jié)點(diǎn)單播一個(gè)RREP分組；如果沒有，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組。與DSR不同的是，AODV使用序列號來確保路由的新鮮性和無環(huán)性。目的節(jié)點(diǎn)在收到RREQ分組后，會生成一個(gè)新的序列號，并將其包含在RREP分組中發(fā)送回源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)收到RREP分組后，根據(jù)序列號判斷路由的有效性，然后建立到目的節(jié)點(diǎn)的路由。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，AODV也采用資源預(yù)約機(jī)制，源節(jié)點(diǎn)向沿途節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)約請求，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源需求得到滿足?；陬A(yù)約的MAC協(xié)議具有明顯的優(yōu)勢。通過資源預(yù)約，能夠有效避免沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。因?yàn)樵陬A(yù)約過程中，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行了協(xié)調(diào)，確保了在數(shù)據(jù)傳輸期間不會有其他節(jié)點(diǎn)干擾，從而減少了重傳次數(shù)，提高了傳輸效率。對于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)，如語音和視頻通信，基于預(yù)約的MAC協(xié)議能夠提供較好的QoS保障。通過預(yù)約帶寬和時(shí)間片等資源，可以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的低延遲和穩(wěn)定傳輸，滿足其對時(shí)延和抖動(dòng)的嚴(yán)格要求。在視頻會議中，通過預(yù)約機(jī)制可以確保視頻數(shù)據(jù)能夠按時(shí)、穩(wěn)定地傳輸，避免出現(xiàn)卡頓、中斷等現(xiàn)象，保證會議的順利進(jìn)行。然而，這類協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。路由維護(hù)開銷較大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，如節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入或離開，需要及時(shí)更新路由信息。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使得拓?fù)渥兓l繁，這就導(dǎo)致路由更新的頻率增加，產(chǎn)生大量的控制消息，消耗網(wǎng)絡(luò)資源，增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新的位置，其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致原來的路由失效，此時(shí)就需要重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和更新，這個(gè)過程會占用大量的帶寬和能量。資源預(yù)約的準(zhǔn)確性和靈活性也是一個(gè)問題。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，業(yè)務(wù)的需求可能會動(dòng)態(tài)變化，而預(yù)約機(jī)制往往是基于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行的，難以實(shí)時(shí)適應(yīng)這些變化。如果預(yù)約的資源過多，會造成資源浪費(fèi)；如果預(yù)約的資源不足，則無法滿足業(yè)務(wù)的QoS需求。在一個(gè)多媒體應(yīng)用中，視頻的分辨率和幀率可能會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，此時(shí)預(yù)先預(yù)約的帶寬資源可能無法滿足變化后的需求，影響視頻的播放質(zhì)量。2.3.3混合MAC協(xié)議混合MAC協(xié)議巧妙地融合了基于競爭和基于預(yù)約的機(jī)制，旨在充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高網(wǎng)絡(luò)在不同場景下的性能和適應(yīng)性?；旌螹AC協(xié)議的工作原理是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)地選擇合適的接入方式。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以采用基于競爭的方式訪問信道，這樣能夠充分利用信道資源，提高信道利用率，減少傳輸延遲。因?yàn)樵谪?fù)載較輕的情況下，節(jié)點(diǎn)競爭信道的沖突概率較低，基于競爭的方式可以讓節(jié)點(diǎn)快速地接入信道，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的通信量較小，此時(shí)采用基于競爭的方式，節(jié)點(diǎn)可以迅速地競爭到信道資源，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重或者存在對實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)時(shí)，混合MAC協(xié)議會切換到基于預(yù)約的機(jī)制。通過資源預(yù)約，可以有效地避免沖突，保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS需求。在一個(gè)同時(shí)存在語音通話和大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，語音通話對實(shí)時(shí)性要求很高，不能容忍較大的延遲和抖動(dòng)。此時(shí)，對于語音業(yè)務(wù)，采用基于預(yù)約的機(jī)制，為其預(yù)留帶寬和時(shí)間片等資源，確保語音數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、低延遲地傳輸；而對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則可以在保證語音業(yè)務(wù)QoS的前提下，采用基于競爭的方式，利用剩余的信道資源進(jìn)行傳輸。在不同場景下，混合MAC協(xié)議展現(xiàn)出了良好的性能表現(xiàn)和適應(yīng)性。在軍事通信場景中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁，同時(shí)存在對實(shí)時(shí)性要求極高的指揮控制信息和大量的數(shù)據(jù)傳輸?；旌螹AC協(xié)議可以根據(jù)戰(zhàn)場的實(shí)時(shí)情況，靈活地調(diào)整接入方式。在戰(zhàn)斗激烈、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁且業(yè)務(wù)量較大時(shí)，采用基于預(yù)約的機(jī)制，確保指揮控制信息的可靠傳輸；在戰(zhàn)斗間隙或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，采用基于競爭的方式，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。在?yīng)急救援場景中，如地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害發(fā)生后，救援人員需要快速建立通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)要保證生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)、救援指令等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸?；旌螹AC協(xié)議可以根據(jù)救援現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)狀況和業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)地選擇接入方式。在救援初期，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少，業(yè)務(wù)量相對較小，采用基于競爭的方式，讓救援人員的設(shè)備能夠快速接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的交互；隨著救援工作的展開，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，業(yè)務(wù)量增大，且對生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的可靠性要求提高，此時(shí)切換到基于預(yù)約的機(jī)制，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)留資源，保障救援工作的順利進(jìn)行?；旌螹AC協(xié)議通過融合競爭與預(yù)約機(jī)制，在不同場景下都能較好地平衡信道利用率、傳輸延遲和QoS保障等性能指標(biāo)，具有較高的適應(yīng)性和靈活性。然而，它也面臨一些挑戰(zhàn)，如協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性增加，需要更多的計(jì)算資源和存儲資源來支持動(dòng)態(tài)的接入方式切換和資源管理。三、支持QoS的MAC機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)3.1信道分配與復(fù)用技術(shù)3.1.1固定信道分配固定信道分配是一種較為基礎(chǔ)的信道分配策略，其原理是在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，預(yù)先將無線信道劃分為多個(gè)固定的子信道，并將這些子信道靜態(tài)地分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)組。在一個(gè)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)總共有10個(gè)信道，可將其中的信道1-3分配給區(qū)域A的節(jié)點(diǎn)，信道4-6分配給區(qū)域B的節(jié)點(diǎn)，信道7-10分配給區(qū)域C的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)通信過程中始終使用分配給自己的固定信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如同在一條多車道的公路上，每個(gè)車輛都被預(yù)先指定在某一條車道上行駛，不會隨意變更。在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，固定信道分配具有一定的性能特點(diǎn)。從優(yōu)點(diǎn)方面來看，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有固定的信道，通信過程中不存在信道競爭和沖突的問題，這使得通信過程相對穩(wěn)定，能夠保證一定的傳輸可靠性。在一個(gè)對實(shí)時(shí)性要求不是特別高，但對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高的文件傳輸場景中，固定信道分配可以確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會因?yàn)樾诺罌_突而丟失或損壞。固定信道分配的實(shí)現(xiàn)相對簡單，不需要復(fù)雜的信道調(diào)度算法和實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)監(jiān)測，降低了網(wǎng)絡(luò)的管理和控制復(fù)雜度。然而，固定信道分配也存在明顯的局限性，對QoS的保障能力有限。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)組的業(yè)務(wù)量突然增加時(shí)，由于其使用的信道固定，無法從其他空閑信道獲取資源，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)組的業(yè)務(wù)傳輸受到限制，可能出現(xiàn)延遲增加、丟包率上升等問題。在一個(gè)視頻監(jiān)控的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè)區(qū)域的監(jiān)控?cái)z像頭突然捕捉到重要事件，產(chǎn)生大量的視頻數(shù)據(jù)需要傳輸，而該區(qū)域節(jié)點(diǎn)分配的信道帶寬有限，無法滿足突然增加的業(yè)務(wù)需求，就會導(dǎo)致視頻卡頓、數(shù)據(jù)丟失等情況，嚴(yán)重影響視頻監(jiān)控的效果。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量較少，而其他節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，空閑的信道資源無法被有效利用，造成信道資源的浪費(fèi)，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體利用率。在一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，部分節(jié)點(diǎn)處于低負(fù)載狀態(tài)，其分配的信道大部分時(shí)間空閑，而其他節(jié)點(diǎn)卻因?yàn)闃I(yè)務(wù)繁忙而面臨信道資源不足的問題，這就使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能無法得到充分發(fā)揮。固定信道分配無法適應(yīng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致原有的信道分配關(guān)系不再適用時(shí)，很難進(jìn)行靈活的調(diào)整。在軍事作戰(zhàn)場景中，士兵攜帶的移動(dòng)設(shè)備組成AdHoc網(wǎng)絡(luò)，隨著戰(zhàn)斗的進(jìn)行，士兵的位置不斷變化，原有的固定信道分配可能會導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)通信中斷，而重新分配信道又面臨很大的困難。3.1.2動(dòng)態(tài)信道分配動(dòng)態(tài)信道分配算法旨在根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如信號強(qiáng)度、流量負(fù)載、信道質(zhì)量等因素，動(dòng)態(tài)地為節(jié)點(diǎn)分配信道，以提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)性能?；谛盘枏?qiáng)度的動(dòng)態(tài)信道分配策略，節(jié)點(diǎn)會實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍各個(gè)信道的信號強(qiáng)度。當(dāng)需要進(jìn)行通信時(shí)，優(yōu)先選擇信號強(qiáng)度最強(qiáng)的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)室內(nèi)環(huán)境的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，由于建筑物結(jié)構(gòu)和障礙物的影響，不同信道在不同位置的信號強(qiáng)度會有所不同。節(jié)點(diǎn)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，選擇信號強(qiáng)度最佳的信道，能夠有效減少信號衰減和干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退俾?。這種策略的優(yōu)勢在于能夠充分利用信號質(zhì)量好的信道，提高通信質(zhì)量，但實(shí)現(xiàn)時(shí)需要節(jié)點(diǎn)具備較強(qiáng)的信號監(jiān)測和處理能力，且信號強(qiáng)度會受到環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)影響，需要不斷地進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整。基于流量負(fù)載的動(dòng)態(tài)信道分配策略則是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載情況來分配信道。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載較高時(shí)，為其分配空閑或負(fù)載較低的信道，以避免信道擁塞。在一個(gè)由多個(gè)移動(dòng)設(shè)備組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，若某個(gè)設(shè)備正在進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)下載，其流量負(fù)載較大，此時(shí)動(dòng)態(tài)信道分配算法會檢測到其他信道的負(fù)載情況，將空閑或負(fù)載較輕的信道分配給該設(shè)備，確保數(shù)據(jù)能夠快速、穩(wěn)定地傳輸。這種策略能夠有效平衡網(wǎng)絡(luò)中的流量負(fù)載，提高信道利用率，但需要準(zhǔn)確地監(jiān)測和評估節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載，并且在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁時(shí)，流量負(fù)載的監(jiān)測和信道分配的調(diào)整難度較大。動(dòng)態(tài)信道分配具有顯著的優(yōu)勢。它能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行信道分配，有效提高信道利用率。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的情況下，能夠及時(shí)將空閑信道分配給有需求的節(jié)點(diǎn)，避免信道資源的浪費(fèi)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量減少，導(dǎo)致其使用的信道空閑時(shí)，動(dòng)態(tài)信道分配算法可以將這些空閑信道分配給其他業(yè)務(wù)量增加的節(jié)點(diǎn)，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。動(dòng)態(tài)信道分配能夠更好地適應(yīng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致原有的信道分配不再合適時(shí)，算法可以根據(jù)新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)重新分配信道，保證通信的連續(xù)性。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)信道分配算法能夠?qū)崟r(shí)跟蹤節(jié)點(diǎn)的位置變化，及時(shí)調(diào)整信道分配，確保節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中始終能夠保持良好的通信狀態(tài)。然而，動(dòng)態(tài)信道分配也面臨一些實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。準(zhǔn)確地獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行大量的信息交互和復(fù)雜的監(jiān)測。在監(jiān)測信號強(qiáng)度時(shí)，需要考慮到信號的多徑傳播、干擾等因素；在監(jiān)測流量負(fù)載時(shí)，需要準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)和預(yù)測節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量。信道分配算法的計(jì)算復(fù)雜度較高，需要快速地處理大量的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并做出合理的信道分配決策。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多的情況下，算法的計(jì)算壓力會顯著增加，可能導(dǎo)致分配延遲增加，影響網(wǎng)絡(luò)性能。動(dòng)態(tài)信道分配還需要解決節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)問題，避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭同一個(gè)信道，導(dǎo)致分配沖突。在一個(gè)分布式的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都根據(jù)自己的判斷進(jìn)行信道選擇，容易出現(xiàn)沖突，需要設(shè)計(jì)有效的協(xié)調(diào)機(jī)制來解決這個(gè)問題。3.1.3信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)是提高AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道利用率的重要手段，常見的信道復(fù)用技術(shù)包括時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用，它們在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中有著不同的應(yīng)用方式和效果。時(shí)分復(fù)用（TDM,TimeDivisionMultiplexing）是將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙，不同的節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)隙內(nèi)使用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)基于TDM的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)將1秒的時(shí)間劃分為10個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)A被分配在第1個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B被分配在第3個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C被分配在第5個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，以此類推。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在自己被分配的時(shí)隙內(nèi)使用信道，其他時(shí)隙則處于空閑狀態(tài)。在語音通信應(yīng)用中，由于語音信號是時(shí)分離散的，TDM可以很好地滿足其需求。將多個(gè)語音通話的采樣數(shù)據(jù)按照時(shí)隙進(jìn)行交替?zhèn)鬏?，每個(gè)語音通話占用固定的時(shí)隙，這樣可以在一條信道上同時(shí)傳輸多個(gè)語音信號，提高了信道的利用率。TDM的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對簡單，不需要復(fù)雜的信號處理技術(shù)，并且可以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有固定的傳輸時(shí)間，對于一些對時(shí)間確定性要求較高的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，具有較好的適用性。然而，TDM的缺點(diǎn)是對時(shí)隙的分配要求較高，如果時(shí)隙分配不合理，可能會導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)的傳輸需求無法滿足，或者出現(xiàn)時(shí)隙浪費(fèi)的情況。在一個(gè)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)變化的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)先分配的時(shí)隙可能無法適應(yīng)業(yè)務(wù)量的變化，導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)在某些時(shí)間段內(nèi)沒有足夠的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙卻有剩余。頻分復(fù)用（FDM,FrequencyDivisionMultiplexing）是將整個(gè)頻段劃分為多個(gè)子頻段，每個(gè)子頻段分配給不同的節(jié)點(diǎn)或業(yè)務(wù)使用。在一個(gè)基于FDM的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)總頻段為100MHz-200MHz，可以將其劃分為10個(gè)子頻段，每個(gè)子頻段10MHz，節(jié)點(diǎn)A使用100MHz-110MHz的子頻段進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)B使用110MHz-120MHz的子頻段進(jìn)行通信，以此類推。FDM在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較為廣泛，特別是在一些對帶寬需求較大且相對穩(wěn)定的應(yīng)用中，如視頻傳輸。不同的視頻流可以分別占用不同的子頻段進(jìn)行傳輸，互不干擾。FDM的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同頻率的信號，信道利用率較高，并且每個(gè)子頻段可以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，靈活性較好。但FDM也存在一些缺點(diǎn)，由于不同子頻段之間需要有一定的保護(hù)間隔，以防止信號干擾，這會導(dǎo)致部分頻段資源的浪費(fèi)。在高頻段通信中，F(xiàn)DM的設(shè)備成本較高，因?yàn)樾枰_的濾波器和頻率合成器來實(shí)現(xiàn)子頻段的劃分和信號處理。碼分復(fù)用（CDM,CodeDivisionMultiplexing），更常用的是碼分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess），每個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。它通過為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的碼片序列來實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。在CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)比特時(shí)間被劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片。通常m的值為64或128。一個(gè)站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的mbit碼片序列，如果要發(fā)送0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。按照慣例將碼片中的0寫成-1，將1寫成+1。不同站的碼片序列必須各不相同且互相正交。在一個(gè)基于CDMA的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)在相同的頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端通過匹配相應(yīng)的碼片序列來解調(diào)出自己需要的數(shù)據(jù)。在軍事通信中，CDMA技術(shù)因其具有很強(qiáng)的抗干擾能力而被廣泛應(yīng)用。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，即使在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，各用戶之間也不會造成干擾。CDMA還可以提高通信系統(tǒng)的容量，因?yàn)槎鄠€(gè)用戶可以共享同一頻帶。然而，CDMA的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要精確的碼片序列設(shè)計(jì)和同步技術(shù)，并且對節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和信號處理能力要求較高。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和資源限制，實(shí)現(xiàn)精確的同步和碼片序列管理面臨較大的挑戰(zhàn)。這些信道復(fù)用技術(shù)在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中都能夠有效地提高信道利用率，為QoS保障提供支持。通過合理地應(yīng)用這些技術(shù)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的分配，提高網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量。三、支持QoS的MAC機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)3.2優(yōu)先級控制與調(diào)度算法3.2.1優(yōu)先級劃分策略在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)業(yè)務(wù)類型、時(shí)延要求、帶寬需求等因素劃分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先級是實(shí)現(xiàn)QoS保障的關(guān)鍵步驟，合理的優(yōu)先級劃分策略能夠確保不同業(yè)務(wù)獲得與之相匹配的服務(wù)質(zhì)量。從業(yè)務(wù)類型角度來看，實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)如語音通話和視頻會議，對時(shí)延和抖動(dòng)極為敏感，要求數(shù)據(jù)包能夠在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確傳輸，以保證通信的流暢性和實(shí)時(shí)交互性。在視頻會議中，每一幀圖像數(shù)據(jù)都需要及時(shí)傳輸?shù)浇邮斩诉M(jìn)行解碼顯示，任何較大的延遲都可能導(dǎo)致畫面卡頓、聲音與畫面不同步，嚴(yán)重影響會議的效果。因此，這類實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)通常被賦予較高的優(yōu)先級。而對于非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，如文件傳輸和電子郵件，雖然對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求很高，但對傳輸時(shí)間的要求相對寬松，允許一定的延遲。在企業(yè)內(nèi)部通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大文件傳輸時(shí)，即使傳輸過程可能需要較長時(shí)間，只要最終文件能夠完整無誤地到達(dá)接收方，就不會影響業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。所以，非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)一般被劃分為較低的優(yōu)先級。時(shí)延要求也是劃分優(yōu)先級的重要依據(jù)。對于那些對時(shí)延要求嚴(yán)格，如時(shí)延需控制在幾十毫秒以內(nèi)的業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程醫(yī)療中的實(shí)時(shí)會診，醫(yī)生需要實(shí)時(shí)觀察患者的生命體征數(shù)據(jù)并進(jìn)行診斷，數(shù)據(jù)的延遲可能導(dǎo)致診斷失誤，危及患者生命。這類業(yè)務(wù)應(yīng)被賦予高優(yōu)先級，以確保其能夠優(yōu)先獲取信道資源，減少傳輸延遲。而對于時(shí)延要求相對較低，允許幾百毫秒甚至幾秒延遲的業(yè)務(wù)，如普通的網(wǎng)頁瀏覽，用戶在瀏覽網(wǎng)頁時(shí)，雖然希望頁面能夠快速加載，但幾秒鐘的延遲在可接受范圍內(nèi)，不會對用戶體驗(yàn)造成太大影響。這類業(yè)務(wù)可被劃分為較低優(yōu)先級。帶寬需求同樣不可忽視。高帶寬需求的業(yè)務(wù)，如高清視頻流傳輸，為了保證視頻的清晰度和流暢度，需要大量的帶寬資源。在觀看4K高清視頻時(shí)，視頻的數(shù)據(jù)量巨大，只有足夠的帶寬才能確保視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸，避免出現(xiàn)卡頓、模糊等現(xiàn)象。因此，這類業(yè)務(wù)通常需要較高的優(yōu)先級，以便在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，優(yōu)先獲得足夠的帶寬。而對于帶寬需求較低的業(yè)務(wù)，如文本消息傳輸，只需要少量的帶寬就能完成數(shù)據(jù)傳輸，可被劃分為較低優(yōu)先級。在實(shí)際應(yīng)用中，存在許多成功的案例。在軍事通信中，AdHoc網(wǎng)絡(luò)用于戰(zhàn)場指揮和情報(bào)傳輸。實(shí)時(shí)的語音指揮信息和關(guān)鍵的情報(bào)數(shù)據(jù)，由于對時(shí)延和準(zhǔn)確性要求極高，一旦延遲或丟失可能導(dǎo)致作戰(zhàn)失敗，所以被賦予最高優(yōu)先級。在一次軍事行動(dòng)中，前線士兵通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)向指揮中心匯報(bào)戰(zhàn)場情況，這些語音和數(shù)據(jù)信息能夠優(yōu)先傳輸，確保指揮中心及時(shí)掌握戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)，做出正確的決策。而一些后勤保障相關(guān)的文件傳輸?shù)确菍?shí)時(shí)業(yè)務(wù)，則被賦予較低優(yōu)先級，在不影響關(guān)鍵業(yè)務(wù)的前提下進(jìn)行傳輸。在智能交通系統(tǒng)中，車輛之間通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。車輛的實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)信息，如速度、位置、方向等，對于保障交通安全至關(guān)重要，需要低延遲、高可靠的傳輸，因此被賦予高優(yōu)先級。當(dāng)車輛檢測到前方有危險(xiǎn)情況時(shí)，通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)向周圍車輛發(fā)送緊急制動(dòng)信息，這些信息能夠優(yōu)先傳輸，使周圍車輛及時(shí)做出反應(yīng)，避免交通事故的發(fā)生。而車輛的娛樂信息，如音樂播放列表更新等，對實(shí)時(shí)性要求較低，被劃分為低優(yōu)先級。3.2.2調(diào)度算法設(shè)計(jì)在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)度算法對于保障不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸起著關(guān)鍵作用，不同的調(diào)度算法在性能表現(xiàn)和對QoS的支持能力上各有特點(diǎn)。SP（StrictPriority，嚴(yán)格優(yōu)先級）調(diào)度算法是一種簡單直接的調(diào)度方式。它根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)總是優(yōu)先被傳輸，只有當(dāng)高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)時(shí)，才會調(diào)度低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。在一個(gè)同時(shí)存在語音通話和文件傳輸業(yè)務(wù)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，語音通話數(shù)據(jù)被賦予高優(yōu)先級，文件傳輸數(shù)據(jù)被賦予低優(yōu)先級。SP調(diào)度算法會始終優(yōu)先傳輸語音通話數(shù)據(jù)，確保語音的實(shí)時(shí)性和流暢性。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠嚴(yán)格保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS，對于對時(shí)延和實(shí)時(shí)性要求極高的業(yè)務(wù)，如實(shí)時(shí)語音和視頻通信，能夠提供可靠的保障。但SP調(diào)度算法也存在明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)持續(xù)存在時(shí)，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)可能會被長時(shí)間阻塞，導(dǎo)致“餓死”現(xiàn)象。在網(wǎng)絡(luò)中如果有大量的高優(yōu)先級語音業(yè)務(wù)，文件傳輸業(yè)務(wù)可能會長時(shí)間無法得到調(diào)度，嚴(yán)重影響低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。WRR（WeightedRoundRobin，加權(quán)輪詢）調(diào)度算法則是一種更為公平的調(diào)度方式。它為每個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列分配一個(gè)權(quán)重，調(diào)度器按照權(quán)重比例依次從各個(gè)隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有三個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列，高優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重為3，中優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重為2，低優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重為1。調(diào)度器會按照3:2:1的比例依次從高、中、低優(yōu)先級隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。這樣可以在一定程度上保證不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)都能得到一定的服務(wù)機(jī)會，避免低優(yōu)先級業(yè)務(wù)被餓死。WRR調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)QoS的同時(shí)，兼顧低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的公平性。在一個(gè)既有實(shí)時(shí)視頻會議，又有普通數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，視頻會議數(shù)據(jù)具有較高優(yōu)先級，普通數(shù)據(jù)傳輸具有較低優(yōu)先級。WRR調(diào)度算法可以根據(jù)權(quán)重分配，在優(yōu)先保障視頻會議流暢進(jìn)行的同時(shí)，也能讓普通數(shù)據(jù)傳輸有機(jī)會進(jìn)行，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的整體利用率。然而，WRR調(diào)度算法的缺點(diǎn)是不能像SP調(diào)度算法那樣絕對保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的嚴(yán)格優(yōu)先性，在高優(yōu)先級業(yè)務(wù)突發(fā)大量數(shù)據(jù)時(shí)，可能無法及時(shí)滿足其需求。EDF（EarliestDeadlineFirst，最早截止時(shí)間優(yōu)先）調(diào)度算法主要適用于有嚴(yán)格時(shí)間限制的業(yè)務(wù)。它根據(jù)數(shù)據(jù)包的截止時(shí)間來進(jìn)行調(diào)度，截止時(shí)間越早的數(shù)據(jù)包越優(yōu)先被傳輸。在一個(gè)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中用于實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程，傳感器節(jié)點(diǎn)會不斷采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳輸給控制中心。每個(gè)數(shù)據(jù)都有一個(gè)嚴(yán)格的截止時(shí)間，用于保證控制中心能夠及時(shí)獲取最新的設(shè)備狀態(tài)信息。EDF調(diào)度算法會根據(jù)這些數(shù)據(jù)的截止時(shí)間，優(yōu)先傳輸那些即將到達(dá)截止時(shí)間的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠很好地滿足有嚴(yán)格時(shí)間限制業(yè)務(wù)的QoS需求，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性。但EDF調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜，需要準(zhǔn)確地獲取和管理每個(gè)數(shù)據(jù)包的截止時(shí)間信息，并且對系統(tǒng)的時(shí)鐘同步要求較高。如果時(shí)鐘不同步，可能會導(dǎo)致調(diào)度錯(cuò)誤，影響業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。這些調(diào)度算法在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中各有優(yōu)劣，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體需求和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，選擇合適的調(diào)度算法，以實(shí)現(xiàn)對不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ПＵ希岣呔W(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)質(zhì)量。3.3沖突避免與解決機(jī)制3.3.1RTS/CTS機(jī)制優(yōu)化傳統(tǒng)的RTS/CTS（RequesttoSend/CleartoSend）機(jī)制在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中對于解決隱藏終端和暴露終端問題起到了一定的作用，但也存在明顯的不足。在隱藏終端問題場景中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C都能與節(jié)點(diǎn)B通信，但A和C彼此不在對方的通信范圍內(nèi)。當(dāng)A向B發(fā)送RTS幀時(shí)，C無法感知到，若此時(shí)C也向B發(fā)送數(shù)據(jù)，就會在B處產(chǎn)生沖突。這是因?yàn)镽TS/CTS機(jī)制雖然通過發(fā)送RTS和CTS幀來預(yù)約信道，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布較為復(fù)雜時(shí)，無法完全覆蓋所有潛在的沖突節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)分布在不同的區(qū)域，存在一些被障礙物遮擋的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)之間可能存在隱藏終端問題，傳統(tǒng)RTS/CTS機(jī)制難以有效解決。對于暴露終端問題，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A正在向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)C能聽到A的發(fā)送，即使C與B之間并無通信沖突，但由于C檢測到信道忙，會誤以為不能向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，造成了信道資源的浪費(fèi)。這是因?yàn)镽TS/CTS機(jī)制在判斷信道可用性時(shí)，過于簡單地依據(jù)信號的監(jiān)聽，沒有充分考慮節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際通信關(guān)系。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)密集的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，暴露終端問題會頻繁出現(xiàn)，降低網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量。為了優(yōu)化RTS/CTS機(jī)制，一些改進(jìn)方案被提出。一種基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的RTS/CTS優(yōu)化方案，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RTS幀之前，先收集鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的位置、通信狀態(tài)等。通過分析這些信息，節(jié)點(diǎn)可以更準(zhǔn)確地判斷潛在的沖突節(jié)點(diǎn)，并在RTS幀中攜帶相關(guān)的避讓信息。在發(fā)送RTS幀時(shí)，將可能受到影響的鄰居節(jié)點(diǎn)的地址信息包含在幀中，接收節(jié)點(diǎn)在回復(fù)CTS幀時(shí)，也將這些信息廣播出去，使?jié)撛诘臎_突節(jié)點(diǎn)能夠提前得知并避讓。這樣可以有效減少隱藏終端和暴露終端問題導(dǎo)致的沖突。還有一種自適應(yīng)RTS/CTS閾值調(diào)整方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整RTS/CTS的發(fā)送閾值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，適當(dāng)提高RTS/CTS的發(fā)送閾值，減少不必要的控制幀開銷，提高信道利用率。因?yàn)樵谪?fù)載較輕時(shí)，沖突的概率較低，過多地發(fā)送RTS/CTS幀會占用信道資源。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，降低RTS/CTS的發(fā)送閾值，增加信道預(yù)約的頻率，減少?zèng)_突。在一個(gè)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)變化的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，這種自適應(yīng)的閾值調(diào)整可以更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)性能。這些優(yōu)化方案在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的改進(jìn)效果。通過基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)化方案，能夠有效減少隱藏終端和暴露終端問題導(dǎo)致的沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省Ｔ谝粋€(gè)復(fù)雜的AdHoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，采用該方案后，沖突次數(shù)明顯減少，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅孙@著提升。自適應(yīng)RTS/CTS閾值調(diào)整方案則可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整信道預(yù)約策略，提高信道利用率。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化頻繁的場景中，采用該方案后，信道利用率提高了[X]%，網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到了有效提升。3.3.2基于功率控制的沖突避免功率控制在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中對于減少信號干擾、避免沖突具有重要的作用，其原理基于無線信號的傳播特性和節(jié)點(diǎn)間的干擾關(guān)系。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過無線信號進(jìn)行通信，信號的傳播范圍與發(fā)射功率密切相關(guān)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率過高時(shí)，信號的傳播范圍會擴(kuò)大，可能會干擾到其他原本不應(yīng)該受到干擾的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點(diǎn)A的發(fā)射功率過大，其信號可能會覆蓋到距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)C，而節(jié)點(diǎn)C此時(shí)正在與節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信，這樣就會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)A的信號對節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)B之間的通信產(chǎn)生干擾，增加沖突的概率。通過功率控制，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身的通信需求和周圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要與距離較近的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，可以降低發(fā)射功率，使信號僅在必要的范圍內(nèi)傳播，減少對其他節(jié)點(diǎn)的干擾。在一個(gè)室內(nèi)環(huán)境的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)相鄰房間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，降低發(fā)射功率可以避免信號干擾到其他房間的節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要與距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，可以適當(dāng)提高發(fā)射功率，確保信號能夠到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)功率控制的方法有多種，一種基于接收信號強(qiáng)度指示（RSSI,ReceivedSignalStrengthIndicator）的功率控制方法。節(jié)點(diǎn)通過測量接收到的信號強(qiáng)度，來判斷與鄰居節(jié)點(diǎn)的距離和信號質(zhì)量。當(dāng)接收到的信號強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，說明與鄰居節(jié)點(diǎn)距離較近，節(jié)點(diǎn)可以降低發(fā)射功率；當(dāng)接收到的信號強(qiáng)度較弱時(shí)，說明與鄰居節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)可以適當(dāng)提高發(fā)射功率。在一個(gè)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測接收到的信號強(qiáng)度，根據(jù)RSSI值動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的發(fā)射功率，以減少信號干擾?；诟蓴_感知的功率控制方法也是常用的方式。節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)測周圍的干擾情況，來調(diào)整發(fā)射功率。當(dāng)檢測到周圍存在較強(qiáng)的干擾時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以降低發(fā)射功率，以避免進(jìn)一步加劇干擾；當(dāng)干擾較弱時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以適當(dāng)提高發(fā)射功率，提高通信質(zhì)量。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)密集的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過監(jiān)聽周圍的信號強(qiáng)度和干擾噪聲，判斷干擾情況，然后根據(jù)干擾程度動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。功率控制對網(wǎng)絡(luò)性能和QoS的提升作用顯著。它能夠有效減少信號干擾，降低沖突的概率，從而提高信道利用率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的干擾減少時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β侍岣撸貍鞔螖?shù)減少，信道能夠更高效地被利用。在一個(gè)同時(shí)存在多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，采用功率控制后，信道利用率提高了[X]%。功率控制還可以延長節(jié)點(diǎn)的電池壽命。由于節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整發(fā)射功率，避免了不必要的高功率發(fā)射，從而減少了能量消耗。在一個(gè)由電池供電的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，采用功率控制可以使節(jié)點(diǎn)的電池壽命延長[X]%，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。對于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，功率控制可以減少干擾導(dǎo)致的延遲和丟包，保證其QoS需求。在視頻會議應(yīng)用中，功率控制可以確保視頻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，避免因干擾而出現(xiàn)卡頓、中斷等現(xiàn)象，提高用戶體驗(yàn)。四、支持QoS的MAC算法設(shè)計(jì)與分析4.1基于優(yōu)化理論的MAC算法4.1.1線性規(guī)劃在MAC算法中的應(yīng)用在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建基于線性規(guī)劃的MAC算法模型，旨在通過優(yōu)化帶寬分配、傳輸功率等參數(shù)，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。以帶寬分配為例，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，m種不同類型的業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)對帶寬的需求為d_{ij}（i=1,2,\cdots,m；j=1,2,\cdots,n），而網(wǎng)絡(luò)總帶寬為B。此時(shí)，可將帶寬分配問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性規(guī)劃問題，目標(biāo)函數(shù)為最大化網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量，即：\max\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{n}r_{ij}其中，r_{ij}表示節(jié)點(diǎn)j為業(yè)務(wù)i分配的實(shí)際傳輸速率。約束條件包括：\sum_{i=1}^{m}r_{ij}\leqB_j,\quadj=1,2,\cdots,n表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配給所有業(yè)務(wù)的帶寬總和不能超過該節(jié)點(diǎn)的可用帶寬B_j；r_{ij}\geqd_{ij},\quadi=1,2,\cdots,m;\quadj=1,2,\cdots,n確保每種業(yè)務(wù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分配到的帶寬不低于其需求。對于傳輸功率的優(yōu)化，假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的傳輸功率為p_i，接收節(jié)點(diǎn)j接收到的信號強(qiáng)度為S_{ij}，信號干擾噪聲比為SINR_{ij}，可通過香農(nóng)公式建立傳輸速率與SINR_{ij}的關(guān)系。為保證通信質(zhì)量，SINR_{ij}需滿足一定的閾值要求，即：SINR_{ij}=\frac{S_{ij}}{\sum_{k\neqi}S_{kj}+N_j}\geq\gamma_{ij}其中，\sum_{k\neqi}S_{kj}表示來自其他干擾節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度總和，N_j為節(jié)點(diǎn)j處的噪聲功率，\gamma_{ij}為業(yè)務(wù)i在節(jié)點(diǎn)j處要求的最小SINR閾值。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的傳輸功率也受到自身能量限制，即p_i\leqP_{max}，P_{max}為節(jié)點(diǎn)的最大傳輸功率。通過這些約束條件，構(gòu)建線性規(guī)劃模型來優(yōu)化傳輸功率，以滿足業(yè)務(wù)的QoS要求。以一個(gè)實(shí)際的AdHoc網(wǎng)絡(luò)場景為例，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為Node_1、Node_2、Node_3、Node_4、Node_5，存在語音、視頻和數(shù)據(jù)三種業(yè)務(wù)。語音業(yè)務(wù)對時(shí)延要求嚴(yán)格，帶寬需求相對較低，假設(shè)為d_{1j}；視頻業(yè)務(wù)對帶寬和時(shí)延都有較高要求，帶寬需求為d_{2j}；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對時(shí)延要求相對寬松，但對帶寬有一定需求，帶寬需求為d_{3j}。通過收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用帶寬B_j以及業(yè)務(wù)的帶寬需求d_{ij}。利用線性規(guī)劃求解工具，如Lingo軟件，將上述線性規(guī)劃模型輸入求解。在求解過程中，Lingo軟件會根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，不斷調(diào)整帶寬分配和傳輸功率等參數(shù)，尋找最優(yōu)解。最終得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)為不同業(yè)務(wù)分配的帶寬r_{ij}以及傳輸功率p_i。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，采用基于線性規(guī)劃的MAC算法后，語音業(yè)務(wù)的時(shí)延降低了[X]%，視頻業(yè)務(wù)的卡頓現(xiàn)象減少了[X]%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率提高了[X]%，有效滿足了不同業(yè)務(wù)的QoS需求，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。4.1.2博弈論在MAC算法中的應(yīng)用博弈論在解決AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)競爭信道資源問題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其原理基于節(jié)點(diǎn)之間的策略交互和利益博弈。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都希望通過合理的策略選擇，最大化自身的利益，如獲得更多的信道資源、提高數(shù)據(jù)傳輸速率等。然而，節(jié)點(diǎn)的策略選擇會相互影響，一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取更多的信道資源可能會導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)的資源減少，從而引發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的競爭和沖突。構(gòu)建博弈模型時(shí)，首先確定博弈的參與者為網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一系列的策略集，例如在基于競爭的MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的策略可以是選擇不同的退避時(shí)間、發(fā)送功率等。以退避時(shí)間為例，節(jié)點(diǎn)可以選擇較短的退避時(shí)間，以增加自己搶占信道的機(jī)會，但同時(shí)也會增加與其他節(jié)點(diǎn)沖突的概率；或者選擇較長的退避時(shí)間，減少?zèng)_突的可能性，但可能會導(dǎo)致自己獲取信道的時(shí)間延遲。節(jié)點(diǎn)的收益函數(shù)是衡量其策略選擇效果的關(guān)鍵指標(biāo)，通常與節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延、丟包率等因素相關(guān)?？梢詫⒐?jié)點(diǎn)的收益定義為成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減去因沖突和退避導(dǎo)致的能量消耗和時(shí)間延遲的綜合指標(biāo)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的成功傳輸數(shù)據(jù)量為D_i，能量消耗為E_i，時(shí)間延遲為T_i，則節(jié)點(diǎn)i的收益函數(shù)可以表示為：U_i=D_i-\alpha