无线自组织网络中协作跨展MAC协议研究

论文摘要

由于无线自组织网络的动态自组织和自配置特性,以及网络的构建不需要任何的基础设施,使得无线自组织网络特别适用于因经济条件或地理位置而不适合建立网络基础设施的地方。此外,未来的无线通信系统不仅需要提供良好的网络覆盖和可靠的数据传输,而且对传输速率以及能量效率也提出了更高的要求。然而,恶劣的无线传输环境以及有限的频谱资源严重地制约了无线通信系统的快速发展。由于无线自组织网络中的节点都共享无线信道,且网络中不存在任何中心控制节点,所以各分布式节点都需要通过随机竞争来占用物理信道。当网络中的节点密度较大时,频繁的竞争冲突就会极大地降低无线自组织网络中的资源利用率。因此,学者们提出了IEEE 802.11 DCF标准来协调无线自组织网络中的各分布式节点有序地接入共享的物理信道,从而有效地减少竞争冲突。尽管实现简单,但是IEEE 802.11 DCF标准中还是存在着空间重用率低和能量效率低等问题。针对IEEE 802.11 DCF标准中存在的这些问题,学者们又引入了多种物理层技术来改善系统性能：利用发送功率控制机制来增强能量效率；利用干扰模型来增加空间重用率；利用速率自适应机制来提高吞吐量。然而,当直接链路的信道状态较差时,这些传统的MAC协议并不能够有效地改善系统性能。因此,学者们近来又提出了协作MAC协议,通过协调网络中的各分布式节点形成虚拟天线阵列来克服无线衰弱信道的不利影响,从而显著提高无线自组织网络中的数据传输速率和能量效率。但是,现有的协作MAC协议大多都只考虑了单跳性能,而没有考虑到无线自组织网络中端到端的多跳性能。通过充分利用多跳网络中的无线广播特性和无线协作特性,本论文引入了新的协作通信模型和跨层设计方法,从而显著提高了无线自组织网络中的吞吐量和能量效率性能,本论文同时还将协议设计的复杂度控制在了比较低的程度上。概括的讲,本论文的主要研究内容为：1)在单个物理信道和单对发送接收天线的约束下,我们提出了一个联合调度机制和发送功率控制机制的跨层MAC协议。在该协议中,调度机制用于消除较强的干扰源,而发送功率控制机制则用于限制干扰的强度。在计算可调度集合时,我们优先选择距离接收节点相对较远的邻居节点,并重新分配接收节点的最大可容忍干扰功率,从而尽可能多地激活并发数据流。此外,我们还提前取消了不必要的数据包和确认报文的传输,从而进一步提高了网络的能量效率。2)通过联合考虑物理层的分布式空时编码机制和自适应调制机制以及数据链路层的截短ARQ机制,我们提出并分析了一个适用于无线多跳网络的协作跨层MAC协议。通过充分利用多跳网络中的无线广播特性和无线协作特性,该协议构建了一个分布式两发两收的协作通信模型,并在单个时隙内实现了协作分集。此外,本论文还给出了该协议在不同的系统模型中采用不同的调制方式时,同时还考虑是否采用截短ARQ机制时,在瑞利衰弱信道下的平均PER和SER性能分析。3)我们提出了一个适用于无线多跳网络的基于链路效用的协作MAC协议。其中发送节点与协作发送节点通过共享天线而形成虚拟天线阵列,同时利用多跳网络的无线广播特性,该协议可以在单个时隙内完成协作数据传输。在该协议中,各节点根据各自特定的发送方式以及瞬时信道状态来联合调整发送速率和发送功率,以达到最大化各自链路效用的目的。此外,我们还提出了一个分布式的退避机制来选择取得最大链路效用的最优合作节点,该退避机制不仅能高效地选出最优合作节点,而且还能有效地避免控制帧的冲突。综上所述,本论文针对现有MAC协议中存在的问题,利用协作通信和跨层设计的方法,来提高无线多跳自组织网络中的吞吐量和能量效率的性能,同时还将协议设计的复杂度控制在比较低的程度上。论文最后总结了该领域尚待解决的问题以及下一步的研究重点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语简表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 无线自组织网络面临的主要问题
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 传统MAC协议
• 1.3.2 协作MAC协议
• 1.4 本论文的研究内容和主要贡献
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 联合调度和发送功率控制的MAC协议
• 2.1 引言
• 2.2 可调度集合及假设
• 2.3 SPCMAC协议
• 2.3.1 邻居信息表
• 2.3.2 握手机制
• 2.3.3 协议讨论
• 2.4 仿真结果和讨论
• 2.4.1 稀疏网络场景
• 2.4.2 密集网络场景
• 2.5 本章小结
• 第三章 两发两收的协作MAC协议:跨层设计及性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 协作跨层MAC协议
• 3.3.1 握手机制
• 3.3.2 协作节点选择机制
• 3.3.3 自适应调制机制
• 3.4 CC-MAC协议性能分析
• 3.4.1 1×1系统模型下的平均PER和SER
• 3.4.2 2×1系统模型下的平均PER和SER
• 3.4.3 2×2系统模型下的平均PER和SER
• 3.5 仿真结果和讨论
• 3.5.1 模型验证
• 3.5.2 仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于链路效用的协作MAC协议
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 接收模型
• 4.2.2 网络模型
• 4.2.3 物理层技术
• 4.3 LC-MAC协议
• 4.3.1 握手机制
• 4.3.2 跨层设计机制
• 4.3.3 退避机制
• 4.4 仿真结果和讨论
• 4.4.1 仿真设置
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表和投出的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表