基于环境认知的无线Mesh网络MAC协议的研究

论文摘要

当前,宽带无线通信是通信领域研究的热点。本文研究一种基于环境认知的宽带无线网络——认知无线Mesh网,它将认知无线电技术应用于无线Mesh网中,是具备环境认知、高频谱效率、高度灵活性、宽覆盖范围的新型宽带无线网络。本文在研究认知无线Mesh网络多信道MAC协议的基础上,重点针对基于频谱感知、基于信道质量感知及基于路由感知的MAC协议进行了相关的研究。首先在介绍IEEE802.11无线Mesh网MAC协议的基础上,对单网卡多信道MMAC协议与双网卡多信道DCA协议进行详细介绍和性能仿真分析,提出了无线Mesh网多信道MAC协议的数学模型,其包含Bernoulli模型和M/M/K排队模型,针对DCA协议进行了建模性能仿真验证,仿真结果和数学分析结果很接近,建立的模型比较准确。在研究认知无线电频谱感知技术的基础上,将其引入到无线Mesh网的MMAC和DCA多信道协议中,提出基于频谱感知的CWMN-MMAC和CWMN-DCA多信道MAC协议。在协议中增加一个专门控制窗口进行频谱探测的信息发布,建立了主用户信道利用率模型;采用基于随机感知策略的动态检测信道模型,得到网络饱和吞吐量数学公式;且针对主用户活动情况,对信道利用率及次用户对主网络性能影响等方面进行验证分析;针对同频干扰,在信道协商前增加频点识别功能,提出了基于频点感知的多信道CC-MMAC协议,仿真验证协议有效地减轻了同频干扰。受衰落和色散的影响,信道质量是随时间变化的,从而对网络的性能造成一定的影响,因此建立了高斯信道和衰落信道的MAC协议模型;在研究速率自适应的基础上,对速率自适应的MAC协议进行性能分析,提出基于机会速率自适应的OAR—DCA多信道协议,有效地提高了网络的吞吐量。在研究多径路由AODV协议的基础上,将路由层的下一跳思想引入到MAC层上,提出建立多个下一跳的MNH—MMAC协议:并对AODV路由协议进行改进,建立无连接限制的NDL-AODV路由协议,将NDL-AODV+MNH-MMAC协议与原有AODV+MMAC协议进行仿真分析和比较,它可在频率资源比较紧张条件下,改善网络的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 认知无线Mesh网（CWMN）的产生背景
• 1.1.2 无线Mesh网络发展背景
• 1.1.3 认知无线电（CR）的发展背景
• 1.2 认知无线Mesh网络的定义
• 1.3 认知无线Mesh网的特点
• 1.3.1 认知能力
• 1.3.2 多用户共享频谱资源
• 1.3.3 重配置能力
• 1.3.4 多信道支持能力
• 1.3.5 多系统共存
• 1.4 认知无线Mesh网的协议体系
• 1.4.1 物理层
• 1.4.2 数据链路层
• 1.5 认知无线Mesh网的MAC协议设计理念上的变革
• 1.5.1 认知无线Mesh网的多信道MAC协议的数学模型
• 1.5.2 环境感知的MAC协议设计
• 1.5.3 MAC协议的跨层设计
• 1.6 论文研究内容及结构安排
• 1.6.1 选题动机
• 1.6.2 论文的主要研究内容和结构
• 第二章 认知无线Mesh网多信道MAC协议的研究
• 2.1 IEEE 802.11 MAC协议简述
• 2.1.1 帧间间隔
• 2.1.2 退避机制
• 2.1.3 DCF介质访问机制
• 2.1.4 MAC协议的性能分析
• 2.2 多信道MAC协议研究状况
• 2.3 双网卡多信道MAC协议（DCA）
• 2.3.1 DCA协议的帧结构
• 2.3.2 数据结构
• 2.3.3 工作原理
• 2.3.4 信道选择算法
• 2.4 单网卡多信道MAC协议（MMAC）
• 2.4.1 MMAC帧结构
• 2.4.2 数据结构
• 2.4.3 工作原理
• 2.4.4 信道选择算法
• 2.5 多信道MAC协议性能分析
• 2.5.1 多信道MAC协议数学建模
• 2.5.2 计算机仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于频谱感知的认知无线Mesh网MAC协议
• 3.1 频谱感知的综述
• 3.1.1 频谱空穴的概念
• 3.1.2 干扰温度的概念
• 3.1.3 频谱感知存在的问题
• 3.1.4 频谱感知的方法
• 3.2 频谱感知技术
• 3.2.1 频谱感知技术分类
• 3.2.2 非合作检测
• 3.2.3 合作检测
• 3.2.4 基于干扰温度的检测
• 3.3 频谱分配的方法
• 3.3.1 动态频谱分配
• 3.3.2 机会式频谱分配
• 3.3.3 频谱接入的步骤
• 3.4 CWMN-MMAC协议
• 3.4.1 假设条件
• 3.4.2 数据结构
• 3.4.3 工作原理
• 3.4.4 协议性能分析
• 3.5 CWMN-DCA协议
• 3.5.1 假设条件
• 3.5.2 数据结构
• 3.5.3 工作原理
• 3.5.4 协议性能分析
• 3.5.5 验证及仿真分析
• 3.6 CC-MMAC协议
• 3.6.1 数据结构
• 3.6.2 频点感知方法
• 3.6.3 协议性能分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于信道质量感知的认知无线Mesh网MAC协议
• 4.1 速率自适应协议综述
• 4.1.1 速率自适应原理
• 4.1.2 IEEE 802.11系列标准对速率自适应的支持
• 4.1.3 速率自适应协议存在的问题
• 4.1.4 速率自适应协议目前研究状况
• 4.2 在高斯信道下速率自适应MAC协议的性能分析
• 4.2.1 高斯信道的比特级模型
• 4.2.2 最大重传限制速率自适应MAC协议性能分析
• 4.3 在衰落信道下速率自适应MAC协议的性能分析
• 4.3.1 IEEE 802.11b物理层各种调制解调方式的误码性能
• 4.3.2 Nakagami衰落信道模型
• 4.3.3 在衰落信道下速率自适应MAC协议的性能分析
• 4.4 基于机会速率自适应的多信道MAC协议
• 4.4.1 机会速率自适应原理（OAR）
• 4.4.2 速率自适应多信道MAC性能分析
• 4.4.3 数据传输速率对DCA协议的影响
• 4.4.4 基于机会速率自适应的多信道OAR-DCA协议
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于路由感知的认知无线Mesh网MAC协议
• 5.1 无线Mesh网络路由协议综述
• 5.1.1 无线Mesh网络路由协议的分类
• 5.1.2 无线Mesh网络路由技术关键问题
• 5.2 多径路由协议AODV简介
• 5.2.1 AODV信息结构
• 5.2.2 AODV工作过程
• 5.3 基于路由感知的MAC协议的思想
• 5.3.1 多径路由协议
• 5.3.2 协议建立的基本思想
• 5.4 基于路由感知的MNH-MMAC协议
• 5.4.1 ATIM帧结构改进为MATIM帧结构
• 5.4.2 协商信道
• 5.4.3 工作原理
• 5.4.4 可选下一跳节点的数目
• 5.5 基于AODV的NDL-AODV路由协议
• 5.5.1 路由表项以及RREQ和RREP修改
• 5.5.2 路由建立
• 5.5.3 路由维护与失效
• 5.5.4 建立NDL-AODV路由协议需考虑的问题
• 5.6 协议性能的仿真分析
• 5.6.1 格型网络仿真
• 5.6.2 随机网络仿真
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论及将来的研究工作
• 6.1 主要工作及创新点
• 6.2 将来的研究工作
• 攻读博士学位期间的研究工作及成果
• 主持或参加的科研项目
• 已发表或录用的学术论文
• 参考文献
• 致谢