论文摘要
无线网络的飞速发展和多媒体业务的广泛应用,彻底改变了人们的生活和社会形态,同时人们对无线网络服务质量的要求也越来越高,因此对无线网络的研究具有挑战性和实用性。MAC层是实现无线网络信道稳定、高效共享的基础,对网络整体性能起着决定性的影响,因此对无线网络MAC层的研究具有实际意义和应用前景。本文围绕无线网络MAC层接入进行展开,主要从无线局域网和认知无线电网络MAC层的性能特征,拥塞控制,模型分析及跨层设计等几个方面进行了深入的研究。本文的主要贡献如下：1.对现有DCF和EDCA协议的性能仿真和模型分析针对现有无线基站瓶颈带宽的问题,在不改变现有IEEE802.11DCF协议前提下,本文提出基于无线网络MAC层参数的TCP/AQM跨层流体模型,并通过2-DLaplace-z变换进行时滞系统的稳定性分析,得到了系统稳定的充分条件。通过稳定条件计算网络稳定时的最佳用户数范围。仿真结果表明根据本文所给定理可计算出最佳用户数范围,保证了TCP流的稳定性和公平性,提高了网络性能。针对参数设置所导致的现有EDCA机制失效问题,本文深入研究了IEEE802.11e EDCA机制重要参数及性能模型,主要从CFB模式、能量及混合流等性能对现有EDCA机制进行了模型分析与仿真,通过实验验证了网络参数对不同优先级用户流的影响,合理的网络参数取值才能保障不同优先级业务的服务质量。2.对DCF协议混合流接入的改进设计方案针对IEEE802.11DCF协议混合流接入时出现的转发延迟和系统缓存开销较大问题,本文提出一种TCP/UDP混合流的IEEE802.11DCF协议改进方案及理论模型。改进的DCF协议根据TCP/UDP包长调整MAC帧大小为包长的整数倍,避免TCP/UDP混合流转发时因丢包重发而导致的延迟增加问题。仿真结果表明改进的DCF协议可提高无线基站对TCP/UDP混合流的接入吞吐量,减小TCP/UDP混合流转发的延时。3.对认知无线电网络MAC层接入协议的研究针对带宽频繁变化导致的认知用户性能低下问题,本文提出了认知退避算法,即认知用户可根据信道繁忙率实时调整退避窗口。首先给出了基于信道繁忙率的认知无线电网络MAC层数学模型,再通过网络吞吐量最大值计算最佳退避窗口,最后每个认知用户可根据信道拥塞状态自适应调整退避窗口。该方法大大减少了因二进制指数退避带来的等待和碰撞问题,提高了认知用户性能。NS2仿真结果证明该方法可明显提高认知用户性能。针对信道切换或中断引起的认知用户性能低下问题,本文基于DCF机制提出在链路切换或中断时采用冻结缓存机制,即冻结节点当前退避计时器并缓存当前状态信息。当认知用户重新获得信道接入机会时,可直接读取缓存的信息继续之前的操作,减少因重新竞争信道所带来的碰撞和延时问题,并提高系统吞吐量。NS2仿真结果验证了该方法的有效性。4.基于认知无线电网络MAC层的跨层设计针对有线网络不支持认知功能、授权用户的端到端QoS得不到保证问题,本文首先结合认知无线电网络的特点,提出认知无线电网络的网络架构及MAC层接入控制协议（CRMAC）;然后匹配CRMAC与DiffServ的优先级及相关参数,所提出的认知缘路由器采用授权用户和认知用户区分丢包机制。这种跨层设计的系统结构为认知无线电网络提供端到端的分级服务,保护授权用户及其实时业务的同时,提高网络整体性能。NS2仿真结果表明该方法能够真正保证认知无线电网络的端到端QoS。