Ad Hoc网络MAC协议模型分析及路由协议问题研究

论文摘要

Ad Hoc网络是由一组带有无线射频的可移动终端组建的多跳自治系统。由于其具有易部署、自组织、无需借助基础设施等特点,可广泛用于军事、灾后救援、环境监测等领域,然而网络受带宽资源有限、分布式的竞争接入、动态拓扑特性等影响,使得信道接入协议与路由协议的设计受到极大挑战。论文分别从Ad Hoc网络MAC层DCF协议建模、信道接入协议设计、路由度量、备份路由协议以及适用于多射频多信道Ad Hoc网络路由算法等问题展开深入分析和探讨,主要研究贡献归纳如下:当前,对于802.11的DCF非饱和性能分析大多是采用二维马尔可夫链进行数学建模。根据协议补充版本提出的Post-backoff过程,同时考虑到DCF机制对竞争节点的具有公平服务特征,推导出节点相邻两个包服务的时间间隔,从而求出节点工作在非饱和态下的传输周期,并得到吞吐量的数学表达式,这就大大简化了模型的复杂性。仿真验证了该方法能够有效地预测网络性能。随着网络节点数目的增多,每次传输碰撞的概率随之增大,导致DCF机制的性能下降。在最佳窗口机制OCB（Optimal Constant Backoff）的基础上,为降低传输冲突概率,提出一个新的信道接入协议OCB-VCS。如果多个节点的退避计数器同时递减到0,它们应进入一个包含多个竞争周期的虚拟冲突解决阶段;在每个竞争周期内,各竞争节点通过发送突发分组来声明对信道的占有,如果节点在此期间发现信道繁忙,它将退出竞争;最后,通过对该过程的数学建模,表明OCB-VCS具有较高的接入成功效率,仿真也证实了与DCF和OCB相比,OCB-VCS能够有效降低冲突概率,并提高网络吞吐量。基于802.11协议MAC层重传策略,提出一个衡量节点接入能力的参数CAM,以体现节点周围信道的繁忙程度及其抢占信道能力。在此基础上,联合MAC层和网络层进行跨层设计,提出了一个拥塞感知路由CAOR（Congestion Aware On-demand Routing）协议。仿真表明,该协议能够在降低开销的前提下,显著增加网络吞吐量,并降低平均端到端的时延传统Ad Hoc网络路由协议中,路由回复RREP包的丢失或者已建立路由的失效,都会使源节点再次洪泛RREQ包以重建路由,这在加剧网络负载的同时增加了节点能量、带宽等资源的消耗。在综合采用路由侦听和MAC层缓存技术的基础上,联合网络层和媒介访问控制层进行跨层设计,提出了按需网状路由ODMR（On Demand Mesh Routing）协议。通过路由回复阶段BRREP包的传递,构建多条到达目的节点的旁路路由来增加协议的鲁棒性,从而降低了路由重建频率以提高网络性能。路由维护过程中,通过在节点的MAC层构建邻居节点表来实时监测与周围节点的连通性,能够避免广播HELLO包与有效数据传输的冲突。模拟实验表明,与AODV、AOMDV、AODV-BR相比,该协议能够在不增加网络开销的情况下显著降低网络端到端的时延、路由发现频率以及提高网络吞吐量。Ad Hoc网络的性能受限于节点之间的传输干扰,通过给不同节点分配相互正交的信道,这些节点能够同时在不同的信道上进行传输,这就有效消除了节点之间的干扰。首先提出信道利用率CUP（Channel Utilization Percentage）概念,它能有效地衡量当前节点所在区域各信道的竞争激烈程度,并推导出以判断信道是否过载的临界值。然后提出一个信道选择度量CSM（Channel Selection Metric）,该度量不仅能够反映信道状态,还能体现相应节点获取该信道的能力,在此基础上,提出一个适用于多射频多信道Ad Hoc网络的路由协议,它综合考虑了CSM值和路径上的信道多样性,仿真显示该协议的时延、包投递率、路由开销等性能指标优于WCETT。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ad Hoc网络概述
• 1.2.1 Ad Hoc网络概念
• 1.2.2 发展历程
• 1.2.3 特点
• 1.3 Ad Hoc网络协议体系结构
• 1.4 研究意义与方向
• 1.5 论文主要贡献
• 1.6 论文组织
• 第2章 相关技术与研究工作
• 2.1 引言
• 2.2 MAC协议概述
• 2.2.1 MAC协议分类
• 2.2.2 IEEE802.11的DCF
• 2.3 路由协议概述
• 2.4 多射频多信道Ad Hoc网络信道分配
• 2.4.1 信道分配目标及相关问题
• 2.4.2 MR-MC网络信道分配研究现状
• 2.4.3 典型算法分析
• 2.4.4 需要继续研究的问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 802.11 DCF机制非饱和分析模型
• 3.1 引言
• 3.2 DCF性能分析
• 3.2.1 基于Markov链的模型
• 3.2.2 基于更新过程的模型
• 3.3 802.11 DCF机制非饱和分析模型
• 3.3.1 系统模型
• 3.3.2 分析模型
• 3.3.3 仿真验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于最佳窗口的信道接入协议
• 4.1 引言
• 4.2 DCF机制改进
• 4.3 EY-NPMA协议
• 4.4 协议描述
• 4.5 VCS的数学描述与分析
• 4.5.1 单个竞争周期分析
• 4.5.2 多个竞争周期分析
• 4.5.3 吞吐量分析
• 4.6 仿真验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于节点接入能力的路由度量研究
• 5.1 引言
• 5.2 路由度量研究现状
• 5.3 基于节点接入能力的路由度量
• 5.4 协议实现
• 5.5 协议仿真与分析
• 5.5.1 仿真场景设置
• 5.5.2 性能评价参数
• 5.5.3 α取值仿真分析
• 5.5.4 CAOR与AODV性能比较
• 5.6 本章小结
• 第6章 Ad Hoc网络的按需网状路由协议
• 6.1 引言
• 6.2 备份路由协议研究
• 6.2.1 基于中间节点的备份路由协议
• 6.2.2 基于源节点的备份路由协议
• 6.3 ODMR路由协议描述
• 6.3.1 干路路由发现
• 6.3.2 旁路路由发现
• 6.3.3 干路路由出错修复
• 6.3.4 路由替换规则
• 6.3.5 旁路路由维护
• 6.3.6 数据传输规则
• 6.4 ODMR协议无环路说明
• 6.5 协议仿真
• 6.6 本章小结
• 第7章 具有信道分配功能的MR-MC Ad Hoc网络路由协议
• 7.1 引言
• 7.2 信道利用率分析
• 7.3 信道分配策略中判定信道质量的参数
• 7.4 信道分配路由协议
• 7.4.1 路由度量
• 7.4.2 路由协议
• 7.4.3 信道切换
• 7.5 性能分析
• 7.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的项目