中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 水声无线自组织网络隐终端与暴露终端的 解决方法研究# 殷敬伟，王宇* （哈尔滨工程大学水声技术国防重点实验室，哈尔滨 150001） 摘要：无线自组织网络是一个多跳临时性自治系统，适用于水声通信网络，但其存在的隐终 端和暴露终端的问题将严重影响信道接入协议性能及网络吞吐量和公平性。本文将对隐终端 与暴露终端产生原因进行分析，并简要介绍 RTS/CTS 握手法、忙音检测法和空分多址法等 解决方案，最后针对水声特性，对单矢量传感器和单阵元时间反转镜技术进行了介绍，为发 展具有水声特色的空分多址法提出了可行方案。 关键词： 无线自组织网络；水声通信网；隐终端；暴露终端；空分多址 中图分类号：TN911.5 The research on solving the hidden and exposed terminal problems in underwater self-organized network YIN Jingwei, WANG Yu Harbin 150001) (National Laboratory of Underwater Acoustic Technology, Harbin Engineering University, Abstract: Ad Hoc networks is a multi-hop temporary autonomous system for underwater acoustic communication network, but the existence of hidden and exposed terminal problems will seriously affect the MAC protocol performance and network throughput and equity. In this paper, the causes of hidden and exposed terminal were analysed, and RTS/CTS method, busy tone detection and space division multiple access methods such as solution were briefly introduced. At last, single vector sensor and single time reversal mirror technique were described, which presented for the development of acoustic characteristics of the space division multiple access. Key words: self-organized network; underwater acoutic communication network; hidden terminal; exposed terminal; spatial division multiple access 0 引言 常见移动网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现，均是有中心，且需有固定基 础设施支持的，例如在蜂窝网络中，移动终端之间的通信必须借助于基站和（或）移动交换 机的转接完成；在无线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。但在某 些特殊环境或紧急情况下，有中心的移动通信技术并不能胜任，例如战场上部队快速展开和 推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等，这些场合的通信不能依赖于任何 预先架设的网络设施。无线自组织网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的[1]，现已被研 究应用于水声网络中[2]。 无线自组织网络是一个多跳临时性自治系统，其优势是发送节点覆盖范围外的节点不受 发送节点的影响，即使仅用一个通信频率，网络仍可有多对节点同时进行通信，其具有的许 多优良特性使它在民用和军事通信领域占据一席之地，但其多跳共享广播信道方式将产生隐 基金项目：教育部高等学校博士点基金项目(200802171061)；国家自然科学基金项目(60802060)；中央高校 基本科研业务费专项资金资助 作者简介：殷敬伟（1980-），男，副教授，主要研究方向：水声通信，水下信号处理. E-mail: yinjingwei@hrbeu.edu.cn - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 终端和暴露终端的问题[1]，会严重影响信道接入协议性能及网络吞吐量和公平性。本文将对 这一问题进行分析，并介绍几种解决方案，最后针对水声特性，对空分多址法提出了两种可 行方案。 1 隐终端与暴露终端问题 1.1 隐终端与暴露终端产生原因 在普通的通信网络中，信道共享方式一般有三种：点对点、点对多点和多点共享。多点 共享指多个终端共享一个广播信道，一终端发送，所有终端都可听到，如图 1(a)所示。称为 一跳共享广播信道。 而无线自组织网络的信道共享方式与它们不同，如图 1(b)所示。它不是一跳共享的，其 优势是发送节点覆盖范围外的节点不受发送节点的影响，可同时发送报文，即使仅用一个通 信频率，网络仍可有多对节点同时进行通信，提高了频率的空间复用度。称这种共享信道为 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报文冲突与节点所处的地理位置相关[1]。在一跳 共享的广播信道中，报文冲突是全局事件。所有节点要么都收到正确的报文，要么都会感知 到报文冲突。而在无线自组织网络中，报文冲突只是局部事件，即发送节点和接收节点感知 到的信道状况不一定相同，这会带来隐终端、暴露终端等一系列的问题。 （a）一跳共享广播信道 （b）多跳共享广播信道 图 1 信道共享方式 Fig.1 Wireless channel sharing 1.2 隐终端与暴露终端问题分析 隐终端[1]是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点覆盖范围外的节点。隐终端因听不 到发送节点的发送而可能向同样的接收节点发送报文，造成报文在接收节点处冲突。如图 2(a)所示。 暴露终端[1]是指在发送节点覆盖范围之内而在接收节点覆盖范围之外的节点。暴露终端 因能够听到发送节点的发送而可能延迟发送，这就引入了不必要的延迟。如图 2(b)所示。 （a）隐终端问题 （b）暴露终端问题 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （c）隐/暴露终端问题分析图 图 2 隐终端与暴露终端问题 Fig.2 Hidden and exposed terminal problems 隐终端和暴露终端的存在，会造成自组织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。 1.3 隐终端和暴露终端的解决方法 解决隐终端和暴露终端问题的方法有多种[1]，简要归纳如下。 ①RTS/CTS 握手法 握手机制是解决隐终端和暴露终端问题的最基本方法，被很多 MAC 协议采用。但在单 信道条件下，无法彻底解决隐接收终端和暴露终端问题；若应用于双／多信道条件下可解决。 ②忙音检测法 在控制信道上多传输两个频带彼此分开的窄带忙音 BTr(接收忙音)和 BTt(发送忙音)信 号，分别用来指示某站正在数据信道上接收和发送数据。在通信期间，所有收听到 BTr 信 号的其它站必须延迟发送，所有收到 BTt 信号的其它站不能接收数据。由于忙音 BT 信号在 数据通信期间一直有效存在，可以确保不存在用户数据帧之间的冲突，彻底解决了隐终端和 暴露终端问题。 ③空分多址法 采用相控阵天线，通过窄波束获得高增益，且可定向通信。其实现过程是通过收、发天 线阵通过波束角对准，从而将其它节点的通信置为阻塞状态，即利用定向通信特性消除隐/ 暴露终端问题。 2 水声空分多址方案 从上述分析可知，空分多址是可有效的解决隐终端和暴露终端问题，但其阵处理增加了 系统的复杂性，难以满足水声通信节点追求结构简单、低功耗的要求。下面讨论两种水声空 分多址实现方案。 2.1 单矢量传感器 单矢量传感器的偶极子指向性及指向性电子旋转技术使其应用备受关注。若将其应用于 水声通信网络，即可利用该特性为实现空分多址服务。另外，单矢量水听器的检测能力、目 标方位估计能力、多目标分辨能力、抗各向同性干扰能力等在水声传感器网络中均具有广泛 应用空间[3-5]。 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2]2/) 的指向性图 图 3 传感器 cvp ± 2]2/) [( Fig.3 Directivity of sensor cvp ± [( 矢量传感器的声压和振速存在多种灵活的组合方式，从而可获得不同性能的极性指向性 和单边指向性，其中极性指向性可抑制各向同性干扰，单边指向性可抑制其反方向的各向异 性干扰。图 3 为引导方位 时，声压 p 与合成振速 cv 的某组合指向性图。 o60=ψ 2.2 单阵元时间反转镜 时间反转镜技术在没有任何先验知识的情况下具有自适应匹配声信道的特性[6-8]。被动 式时间反转镜只需要具有接收功能、单向传输即可实现，回避了主动式时间反转镜阵元需要 收发合置并需要双向传输才能实现的繁琐性，而单阵元则进一步减弱了阵处理系统的复杂 性，适于满足水声通信节点追求结构简单、低功耗的要求。利用不同节点间信道冲激响应函 数的弱相关性，从而可通过 TRM 聚焦期望用户信号而屏蔽其他多用户干扰，即可基于时间 反转镜技术实现空分多址。 对于单阵元 TRM 在点对点通信中的应用，本课题组已通过湖试验证了其在时变、空变 声信道中的稳健性[8]，对于应用于水下多节点组网通信，将具有一定实用价值。 图 4 时间反转镜聚焦特性 Fig.4 TRM focusing character 图 4 为单阵元 VTRM 聚焦效果图，通过期望用户与主节点间信道冲激响应和扫描空间 各点与主节点间信道冲激响应的互相关求得。图中水平距离扫描步距为 50m，垂直深度扫描 步距为 2m。主节点水平距离坐标 0r =0km，垂直深度坐标 0z =31m。 从图 4 中可以看到，通过时间反转镜处理后，在主节点位置实现了聚焦。由于该过程是 可逆的，所以意味着不同节点发送的信息同时到达主节点时，可实现分离。VTRM 聚焦区 域在水平方向约为±50m，垂直方向约为±2m，在此范围内信道归一化互相关衰落在 1dB 左右；除此范围之外均有 3dB 至 8dB 的互相关衰落，而信干比对应于互相关衰落的功率， 即互相关衰落分贝相反数的 2 倍，则 SIR ≥ 6dB。 - 4 - 

中国科技论文在线 3 结论 http://www.paper.edu.cn 本文在分析隐终端和暴露终端问题及几种解决方案的基础上，讨论了单矢量水听器及单 阵元 TRM 在水声通信网络中的应用前景，指出进一步开展深入研究有重要意义和广阔应用 空间。 [参考文献] (References) [1] 郑少仁, 王海涛. Ad Hoc 网络技术[M]. 北京：人民邮电出版社, 2005 [2] Joe Rice, et al. Evolution of seaweb underwater acoustic networking[J]. IEEE Oceans Conf, 2000: 2007-2018 [3] 姚直象，惠俊英，殷敬伟，杨娟. 基于单矢量水听器四种方位估计方法[J]. 海洋工程，2006，24(1)：122~127 [4] 惠俊英，李春旭，梁国龙，刘宏. 声压、振速联合信息处理抗相干干扰[J]. 声学学报，2000，25(5)：389~394 [5] 孙贵青，李启虎. 声矢量传感器技术的当前进展[J]. 声学学报，2004，29(6)：481~490 [6] Kuperman W A, Hodgkiss W S, Hee Chun Song, et al. Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror [J]. J. Acoust. Soc. Am., 1998, 103(1): 25~40 [7] 殷敬伟，惠俊英.时间反转镜分类研究及其在水声通信中的应用[J].系统仿真学报，2008，20(9)：2449~2453 [8] 殷敬伟, 惠俊英.点对点移动水声通信技术研究[J]. 物理学报, 2008, 57(3): 1753~1758 - 5 -