802.11協議精讀5：隱藏終端和暴露終端

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序言

在無線通訊中，有兩個典型的問題，即隱藏終端和暴露終端問題。在802.11中，這些問題也是存在，同時也衍生出了一些新類型的隱藏和暴露終端問題。在前面描述DCF模式中，我們已經談論了的隱藏終端問題。

實際上，隱藏終端和暴露終端都是由於CSMA/CA中所採用的LBT機制所引起。隱藏終端是由於監聽到的通道空閑而不是真的空閑，故引發衝突。而暴露終端是由於監聽到的通道忙而不是真的忙，故其可以傳輸而不傳輸。

在這裡，綜合之前的論述，我們對一般性的隱藏終端和暴露終端做一個簡單的整理。

隱藏終端問題

隱藏終端問題可以簡單定義為：節點之間無法互相監聽對方。但當其不可以同時傳輸時，其同時傳輸，從而導致衝突發生。隱藏終端在單個AP（或者單個Receiver）時就有可能發生。

我們基於以上拓撲討論基本的隱藏終端問題，在該拓撲中，STA 1與STA 2為兩個節點，這兩個節點都是關聯在AP身上。圖中藍色虛線代表STA 1的發送範圍，綠色虛線代表STA 2的發送範圍。

由於圖中STA 1與STA 2發送範圍無法互相覆蓋，即無法通過物理載波監聽的方法，探測對方是否有發送資料。從而STA 1與STA 2可能會誤以為通道空閑，從而同時發送，繼而造成衝突。

如所述，根據DCF中CSMA/CA的工作機制，STA 1與STA 2在等待DIFS之後，分別選取一個隨機數進行Backoff。STA 2由於隨機數選擇較少，從而首先倒數至0，並發送資料。當STA 2發送資料後，由於STA 1監聽不到STA 2已經佔用通道，其依舊誤以為通道是閒置，從而繼續進行backoff。當STA 1的隨機回退計數值倒數至0時，STA 1也會發送資料。

由於STA 1與STA 2的同時發送，即AP接收時存在重疊地區，即也是發生了衝突，最終這一輪傳輸失敗。當這一輪傳輸失敗之後，STA 1與STA 2採用BEB演算法重新選擇隨機數進行回退，但後續過程中兩者依舊無法互相監聽，所以很容易再次出現同時傳輸的現象。在隱藏終端的情況下，網路是近似癱瘓的，換言之，STA 1與STA 2的輸送量都趨近於0。

暴露終端問題

暴露終端問題可以簡單定義為：節點之間能夠互相監聽對方。但其可以同時傳輸時，其不傳輸，從而造成浪費。暴露終端在多個AP（或者多個Receiver）時才有可能發生。

我們基於以上拓撲討論基本的隱藏終端問題，在該拓撲中，STA 1與STA 2為兩個節點，其中STA 1關聯在AP1上，STA 2關聯在AP2上。圖中藍色虛線代表STA 1的發送範圍，綠色虛線代表STA 2的發送範圍。

圖中AP1處於STA 1的覆蓋範圍內，而不再STA 2的覆蓋範圍內。AP2處於STA 2的覆蓋範圍，而不在STA 1的覆蓋範圍內。換言之，AP1隻能接受到STA 1的資料，AP2也只能接收到STA 2的資料。當STA 1與STA 2同時發送時，接受節點AP1或者AP2處均不會發生衝突，故其是可以同時傳輸的。但是由於這樣的拓撲特殊性以及DCF中CSMA/CA的工作機制，造成STA 1與STA 2無法同時傳輸，該問題則是暴露終端問題。

在CSMA/CA中，接入是遵守LBT（Listen Before Talk）機制的。我們在DCF的介紹中所述，每一個節點在接入通道之前需要進行backoff。在該過程內，若通道空閑，則每經過1個slot，隨機倒數計數器進行一次倒數。若通道非空閑，則節點不會對隨機倒數計數器進行倒數，並對其進行懸掛。只有當其倒數至0時，才可以發起傳輸。其中通道空閑與否是通過載波監聽機制進行判斷的，而在DCF中，存在物理載波監聽和虛擬載波監聽兩種模式，這兩種監聽方式都有可能引起暴露終端問題，以下我們分兩種情況進行討論。（有關DCF的接入過程，詳細內容請查閱之前的文檔）

• 物理載波監聽引起的暴露終端

如所示，由於STA 1與STA 2可以互相監聽。由於STA 2選擇了較小的隨機數進行倒數，從而其最先倒數至0，並進行發送。當STA 2首先發送資料包給STA 2後，STA 1監聽通道為忙狀態，從而無法發送資訊。故根據拓撲而言，STA 1是可以傳資料給AP1的，但是由於監聽STA 2正在傳輸，導致通道忙，故STA1懸掛隨機倒數計數器，無法繼續倒數，從而無法傳輸。

這裡實際上我們還可以更深入瞭解一下，實際上STA1為什麼需要在別人傳輸的時候，懸掛自己的隨機倒數計數器。在CSMA/CD中，實際上是沒有懸掛過程的，只有在CSMA/CA中才存在。在CSMA/CD中，若通道忙，節點就不停的去監聽通道，一旦發現空閑就傳輸。而在CSMA/CA中，節點在中間實際上不是監聽通道，而是接收資料。其主要原因在於，STA 1在檢測到STA 2正在傳輸造成通道忙時，其立刻開始接收該STA 2的資料，因為STA 1不知道該資料是否是發給自己的。只有當完整接收資料，CRC校正通過後，STA 1才可以檢查幀MAC頭部所對應的目的BSSID地址，看是否是自己的資料包，若不是才可以丟包。換言之，CSMA/CA中，懸掛實際上是為了接收，從而導致的現象是懸掛而已。

• 虛擬載波監聽引起的暴露終端

如所示，在暴露終端情境中，若STA 2不僅選擇了較小的隨機數進行優先倒數，並且其發送的資料包是RTS資料包。當STA 1識別到該RTS資料包後，其就會被設定為NAV狀態，無法在後面的過程主動競爭通道，進而無法傳輸。與之前描述用RTS/CTS解決隱藏終端問題時不同，在解決隱藏終端問題中，NAV是由AP所反饋的CTS幀所進行保護。而這裡由於STA 1與STA 2能夠互相監聽，換言之，在暴露終端情況下，STA 1的NAV是被STA 2所發送的RTS幀進行保護的。在STA 1被NAV保護後，其也無法傳輸，最終導致暴露終端問題。

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