无线Mesh网络MAC协议及路由协议跨层优化的研究

论文摘要

无线Mesh网络是一种动态自组织、具有自我配置的路由和转发功能的多跳无线网络,与传统的固定无线接入系统相比,无线Mesh网络具有频谱效率高、系统容量大、覆盖能力强、兼容性好、可靠性高、初期建设成本低等许多优点,是一种有竞争力的宽带接入方式,具有广泛的应用前景。目前无线Mesh网络在MAC协议和路由协议方面有很多相关的技术问题需要研究和解决。同时,跨层优化技术作为近期的研究热点,也正在成为设计MAC协议和路由协议的新的发展方向。本文主要对无线Mesh网络MAC协议建立数学模型和进行分析并基于MAC模型提取相关参数进行跨层优化的路由协议设计。首先概述了无线Mesh网络的背景、概念特点、组成部分和三种组网类型模式;其次详细的阐述了应用于无线Mesh网络的MAC协议和路由协议,对各类型的MAC协议和路由协议的工作方式以及优缺点进行了分析,并详细介绍了这两方面近期的研究热点和发展方向;然后,基于IEEE 802.11单节点MAC协议退避时间模型,建立了无线Mesh网络中无线路由器节点到网关节点的多跳网络包传输延迟数学模型。通过分析各层节点的实际包到达率和平均服务时间,建立M/G/1的排队系统模型,准确地分析无线Mesh网络中饱和状态下数据包传输延迟。仿真实验表明,仿真结果与模型分析基本吻合,达到了预期目的,并能为多判据跨层设计提供很好的方案;最后,提出一种基于MAC模型的多判据路由跨层设计优化机制的新方法。通过对MAC协议进行数学建模,从模型中提取能够反应路由链路质量的参数,作为路由选择的判据,既达到将底层信息反馈到高层的跨层设计思路,又照顾到各层之间的透明性和设计开发的独立性,是一种易于实现的跨层设计方案。文中针对传统的AODV协议以跳数作为单一路由判据存在的问题,基于IEEE 802.11 DCF标准,分析了单节点退避时间模型,提取信道条件冲突概率作为参数,提出了新的跨层路由协议优化机制AODV-MLP（Ad hoc On-demand Distance Vector with MAC Link Probability）。通过定期发送AODV中的HELLO包来更新自己的邻居节点数量,计算出信道条件冲突概率,在发送路由建立广播包RREQ时更新路由判据,通过单播回复包RREP进行路由判决,并且修改了AODV的路由表,达到路由选择和更新的目的。仿真结果表明,AODV-MLP在系统吞吐量、包成功转发率、平均端到端时延上相对于AODV有较大程度的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 本文的内容与结构
• 第二章 无线MESH 网络综述
• 2.1 无线MESH 网络结构
• 2.1.1 骨干网结构无线Mesh 网络
• 2.1.2 客户端无线Mesh 网络
• 2.1.3 混合结构无线Mesh 网络
• 2.2 无线MESH 网络的特点和优势
• 2.3 无线MESH 网络的关键技术
• 2.3.1 物理层无线电技术
• 2.3.2 MAC 层资源管理技术
• 2.3.3 路由选择技术
• 2.4 无线MESH 网络的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线MESH 网络MAC 协议和路由协议
• 3.1 无线MESH 网络MAC 协议
• 3.1.1 IEEE 802.11 MAC 协议
• 3.1.2 IEEE 802.16 MAC 协议
• 3.1.3 无线Mesh 网络MAC 协议研究热点和方向
• 3.2 无线MESH 网络路由协议
• 3.2.1 无线Mesh 网络路由协议特点
• 3.2.2 无线Mesh 网络路由协议分析
• 3.2.3 无线Mesh 网络协议研究热点和方向
• 3.3 本章小结
• 第四章 无线MESH 网络饱和状态下多跳数据包传输延迟模型
• 4.1 平均服务时间
• 4.1.1 网络分层模型
• 4.2 平均服务时间
• 4.2.1 多跳网络MAC 模型
• 4.2.2 平均服务时间
• 4.3 数据包传输延迟
• 4.4 模型仿真
• 4.4.1 NS2 网络仿真平台
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 一种基于MAC 模型的跨层AODV 路由优化机制
• 5.1 跨层设计
• 5.1.1 传统的跨层设计方法
• 5.1.2 本章提出的跨层设计方法
• 5.2 基于MAC 模型的跨层AODV 路由优化机制
• 5.2.1 新的MAC 层参数
• 5.2.2 新路由判据的设计
• 5.3 计算机仿真实验
• 5.3.1 路由协议性能指标
• 5.3.2 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来研究工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文