802.11协议精读5：隐藏终端和暴露终端

序言

在无线通信中，有两个典型的问题，即隐藏终端和暴露终端问题。在802.11中，这些问题也是存在，同时也衍生出了一些新类型的隐藏和暴露终端问题。在前面描述DCF模式中，我们已经谈论了的隐藏终端问题。

实际上，隐藏终端和暴露终端都是由于CSMA/CA中所采用的LBT机制所引起。隐藏终端是由于监听到的信道空闲而不是真的空闲，故引发冲突。而暴露终端是由于监听到的信道忙而不是真的忙，故其可以传输而不传输。

在这里，综合之前的论述，我们对一般性的隐藏终端和暴露终端做一个简单的整理。

隐藏终端问题

隐藏终端问题可以简单定义为：节点之间无法互相监听对方。但当其不可以同时传输时，其同时传输，从而导致冲突发生。隐藏终端在单个AP（或者单个Receiver）时就有可能发生。

我们基于以上拓扑讨论基本的隐藏终端问题，在该拓扑中，STA 1与STA 2为两个节点，这两个节点都是关联在AP身上。图中蓝色虚线代表STA 1的发送范围，绿色虚线代表STA 2的发送范围。

由于图中STA 1与STA 2发送范围无法互相覆盖，即无法通过物理载波监听的方法，探测对方是否有发送数据。从而STA 1与STA 2可能会误以为信道空闲，从而同时发送，继而造成冲突。



如上图所述，根据DCF中CSMA/CA的工作机制，STA 1与STA 2在等待DIFS之后，分别选取一个随机数进行Backoff。STA 2由于随机数选择较少，从而首先倒数至0，并发送数据。当STA 2发送数据后，由于STA 1监听不到STA 2已经占用信道，其依旧误以为信道是空闲的，从而继续进行backoff。当STA 1的随机回退计数值倒数至0时，STA 1也会发送数据。

由于STA 1与STA 2的同时发送，即AP接收时存在重叠区域，即也是发生了冲突，最终这一轮传输失败。当这一轮传输失败之后，STA 1与STA 2采用BEB算法重新选择随机数进行回退，但后续过程中两者依旧无法互相监听，所以很容易再次出现同时传输的现象。在隐藏终端的情况下，网络是近似瘫痪的，换言之，STA 1与STA 2的吞吐量都趋近于0。

暴露终端问题

暴露终端问题可以简单定义为：节点之间能够互相监听对方。但其可以同时传输时，其不传输，从而造成浪费。暴露终端在多个AP（或者多个Receiver）时才有可能发生。



我们基于以上拓扑讨论基本的隐藏终端问题，在该拓扑中，STA 1与STA 2为两个节点，其中STA 1关联在AP1上，STA 2关联在AP2上。图中蓝色虚线代表STA 1的发送范围，绿色虚线代表STA 2的发送范围。

图中AP1处于STA 1的覆盖范围内，而不再STA 2的覆盖范围内。AP2处于STA 2的覆盖范围，而不在STA 1的覆盖范围内。换言之，AP1只能接受到STA 1的数据，AP2也只能接收到STA 2的数据。当STA 1与STA 2同时发送时，接受节点AP1或者AP2处均不会发生冲突，故其是可以同时传输的。但是由于这样的拓扑特殊性以及DCF中CSMA/CA的工作机制，造成STA 1与STA 2无法同时传输，该问题则是暴露终端问题。

在CSMA/CA中，接入是遵守LBT（Listen Before Talk）机制的。我们在DCF的介绍中所述，每一个节点在接入信道之前需要进行backoff。在该过程内，若信道空闲，则每经过1个slot，随机倒数计数器进行一次倒数。若信道非空闲，则节点不会对随机倒数计数器进行倒数，并对其进行悬挂。只有当其倒数至0时，才可以发起传输。其中信道空闲与否是通过载波监听机制进行判断的，而在DCF中，存在物理载波监听和虚拟载波监听两种模式，这两种监听方式都有可能引起暴露终端问题，以下我们分两种情况进行讨论。（有关DCF的接入过程，详细内容请查阅之前的文档）

物理载波监听引起的暴露终端



如上图所示，由于STA 1与STA 2可以互相监听。由于STA 2选择了较小的随机数进行倒数，从而其最先倒数至0，并进行发送。当STA 2首先发送数据包给STA 2后，STA 1监听信道为忙状态，从而无法发送信息。故根据拓扑而言，STA 1是可以传数据给AP1的，但是由于监听STA 2正在传输，导致信道忙，故STA1悬挂随机倒数计数器，无法继续倒数，从而无法传输。

这里实际上我们还可以更深入了解一下，实际上STA1为什么需要在别人传输的时候，悬挂自己的随机倒数计数器。在CSMA/CD中，实际上是没有悬挂过程的，只有在CSMA/CA中才存在。在CSMA/CD中，若信道忙，节点就不停的去监听信道，一旦发现空闲就传输。而在CSMA/CA中，节点在中间实际上不是监听信道，而是接收数据。其主要原因在于，STA 1在检测到STA 2正在传输造成信道忙时，其立刻开始接收该STA 2的数据，因为STA
1不知道该数据是否是发给自己的。只有当完整接收数据，CRC校验通过后，STA 1才可以检查帧MAC头部所对应的目的BSSID地址，看是否是自己的数据包，若不是才可以丢包。换言之，CSMA/CA中，悬挂实际上是为了接收，从而导致的现象是悬挂而已。

虚拟载波监听引起的暴露终端



如上图所示，在暴露终端场景中，若STA 2不仅选择了较小的随机数进行优先倒数，并且其发送的数据包是RTS数据包。当STA 1识别到该RTS数据包后，其就会被设置为NAV状态，无法在后面的过程主动竞争信道，进而无法传输。与之前描述用RTS/CTS解决隐藏终端问题时不同，在解决隐藏终端问题中，NAV是由AP所反馈的CTS帧所进行保护。而这里由于STA 1与STA 2能够互相监听，换言之，在暴露终端情况下，STA 1的NAV是被STA
2所发送的RTS帧进行保护的。在STA 1被NAV保护后，其也无法传输，最终导致暴露终端问题。