基于定向和全向天线的混合式无线Ad Hoc网络中MAC协议的研究

论文摘要

作为21世纪重要的技术之一,无线Ad Hoc网络受到了广大研究者的关注,并得到了广泛应用。天线技术的发展给无线Ad Hoc网络带来众多好处的同时,又使其面临诸多挑战,作为网络协议栈中重要组成部分的MAC协议尤为突出。相比于传统的基于全向天线的MAC协议,定向MAC协议充分利用定向天线的方向性增大网络节点的传输范围,减少节点间的干扰,进而提高整个网络的性能。在基于定向和全向天线的混合式无线Ad Hoc网络中,定向MAC协议面临新的隐藏终端问题和“聋”问题。针对这些问题,本文提出了基于多跳RTS/CTS和天线嵌套循环旋转的混合式MAC协议-NCDMAC。NCDMAC协议利用RTS/多跳CTS+多跳RTS/CTS机制解决通信不对称问题,减少隐藏终端问题的产生,并采用天线嵌套旋转两周的方式减少“聋”问题的产生。同时,NCDMAC协议还采用新的退避机制,使转发节点和非转发节点能正确设置NAV或DNAV,以解决转发节点如何退避的问题。为验证NCDMAC协议的正确性,文中利用马尔可夫链对混合式DCF进行建模,推导出NCDMAC协议在理想信道状态下的饱和吞吐量、饱和时延和饱和丢包率,并利用数学工具Matlab计算出在不同节点数目的网络中这三种参数的分布情况。计算和分析结果表明:NCDMAC协议在理想信道条件下的饱和吞吐量和MMAC以及Circular-MAC相当,饱和时延则会偏大,饱和丢包率偏小。文中还在NS-2下实现了NCDMAC协议,并和DMAC、MMAC以及Circular-MAC协议进行了比较。模拟测试表明:NCDMAC协议在增加一定通信时延的情况下,能够解决混合网络下的“聋”问题和隐藏终端问题,并带来比DMAC、MMAC和Circular-MAC协议更大的网络吞吐量,适合于对吞吐量要求高而对时延要求低的网络。总之,我们为基于定向和全向天线的混合式无线Ad Hoc网络设计了一种MAC协议-NCDMAC,并且做了大量实验。研究结果具有较好的理论和实践价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线Ad Hoc网络概述
• 1.1.2 无线Ad Hoc网络中的MAC（Media Access Control）协议
• 1.2 定向天线技术
• 1.2.1 定向天线的基本概念
• 1.2.2 定向天线的基本概念
• 1.2.3 定向天线的天线模型
• 1.2.4 定向天线的工作模式
• 1.2.5 定向天线的传输和接收模型
• 1.2.6 基于定向天线和全向天线的混合式无线Ad Hoc网络
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 基于定向天线技术的MAC协议
• 2.1 定向天线对MAC协议的影响
• 2.1.1 原有的隐藏终端问题
• 2.1.2 天线不同工作模式引起的新的隐藏终端问题
• 2.1.3 未收到RTS/CTS引起的隐藏终端问题
• 2.1.4 “聋”问题
• 2.2 基于定向天线的MAC协议
• 2.2.1 基于RTS/CTS的协议
• 2.2.2 基于忙音的DMAC协议
• 2.2.3 其他DMAC协议
• 2.3 混合式无线Ad Hoc网络中MAC协议面临的问题
• 2.3.1 隐藏终端问题
• 2.3.2 “聋”问题
• 2.3.3 对网络整体吞吐量的影响
• 2.4 小结
• 第三章 基于定向和全向天线的MAC协议NCDMAC（Nested Circular Directional MAC）
• 3.1 NCDMAC解决方案描述
• 3.1.1 隐藏终端问题的解决方法
• 3.1.2 “聋”问题的解决办法
• 3.1.3 转发节点问题
• 3.2 NCDMAC协议细节描述
• 3.2.1 协议握手机制
• 3.2.2 DVCS与DNAV
• 3.2.3 AoA （Angle of Arrival） Caching
• 3.2.4 BO（Back Off）机制
• 3.2.5 多跳RTS/CTS
• 3.2.6 天线嵌套循环旋转
• 3.3 NCDMAC控制流程
• 3.3.1 定向节点发送数据的流程
• 3.3.2 全向节点发送数据的流程
• 3.3.3 定向/全向节点接收数据的流程
• 3.4 小结
• 第四章 NCDMAC的性能分析
• 4.1 马尔可夫链
• 4.1.1 马尔科夫链定义
• 4.1.2 马尔科夫链的基本知识
• 4.1.3 马尔科夫链在无线网络中的应用
• 4.2 NCDMAC的性能分析
• 4.3 NCDMAC的分析结果
• 4.3.1 Matlab介绍
• 4.3.2 参数设置
• 4.3.3 分析结果
• 4.4 小结
• 第五章 NCDMAC的模拟验证和评测分析
• 5.1 NCDMAC实现与实验环境设置
• 5.1.1 NCDMAC实现
• 5.1.2 实验环境设置
• 5.2 模拟与结果分析
• 5.2.1 天线波瓣数对性能的影响
• 5.2.2 网络节点密度对性能的影响
• 5.2.3 定向节点和全向节点比例对性能的影响
• 5.3 NCDMAC理论值与模拟值的比较
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果