无线网络中多信道MAC协议的研究与实现

论文摘要

目前,关于群机器人系统中机器人之间的通讯的研究,大多数采用无线广播的通讯方式。实际上,由于群机器人系统中的机器人数量多、网络拓扑变化快,群机器人的通讯还存在很多瓶颈问题。比如,随着网络中机器人数目的增加,采用单信道广播的通讯方式存在报文冲突概率增加、通讯速度和网络吞吐量降低的情况。无线网络的MAC层协议决定了物理层无线信道的使用方式,是保证网络通信实时性和高效性的关键点和难点之一。因此,针对无线MAC协议的研究具有重要的实际意义。本课题提出、设计和实现了一种基于CC2430通讯模块的多信道MAC层协议。该多信道方案的基本思路是:利用CC2430提供的16个互不重叠的子信道,相邻的机器人节点尽量选择不同的子信道发送数据,实现多个信道并行传输报文。本文在研究国内外相关无线MAC协议的发展现状基础上,进一步分析了一些典型的无线MAC协议的特点,随后使用Matlab验证了两种MAC协议退避算法的性能。通过汲取其中几种MAC协议的思想,设计和实现了一种多信道的MAC协议RobotNet,并在我们的机器人系统中对该多信道通讯方案进行了测试。主要研究工作包括:（1）使用MATLAB分析退避算法的公平性:对二进制指数退避算法和倍数增线性减退避算法进行了对比分析,结果表明,退避算法的性能将很大程度影响网络中的节点接入信道的公平性。（2）提出一种多信道通讯协议方案:每个机器人携带一个基于IEEE 802.15.4标准的CC2430通讯模块,设计一种兼容IEEE 802.15.4物理层的多信道MAC协议。协议约定将N个信道中的1个信道作为控制信道,N-1个信道作为数据信道。机器人节点在控制信道上采取单跳广播的通讯方式预约数据信道,在数据信道上采取单跳单播的方式传输数据。（3）多信道协议RobotNet的实现:针对所提出的多信道MAC协议方案,确定RobotNet协议的设计目标和各种帧结构的设计,采用基于随机竞争的信道接入、冲突退避机制、信道动态分配和信道准预留机制。我们使用ANSI C语言在CC2430通讯模块上实现了该多信道协议RobotNet,相邻的机器人尽量选择不同的子信道发送数据实现并行通讯。（4）多信道协议RobotNet的性能测试:利用课题组自主研发的机器人,我们搭建了一个最多由10个机器人组成的测试环境,借助一个串口通讯处理程序,采集和分析该多信道协议运行的实测数据。实验结果表明,相比基于随机竞争的单信道CSMA协议,该多信道方案的丢包率较低、吞吐量较高,增强了网络抗干扰能力。通过对无线网络MAC协议的学习和研究,在本论文中提出、设计和实现了一种基于CC2430通讯模块的多信道MAC协议RobotNet。通过在真实的多机器人系统中运行RobotNet协议并采集数据,研究结果表明,该协议实现了报文的并行传输,降低了报文冲突概率,提高了网络的吞吐量性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.1.1 群机器人概述
• 1.1.2 群机器人网络的特点
• 1.1.3 群机器人通讯的关键问题
• 1.2 国内外相关领域无线MAC 协议研究现状
• 1.2.1 无线MAC 协议的研究关键技术点
• 1.2.2 无线MAC 协议的研究现状
• 1.3 研究目标
• 1.4 论文结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 无线MAC 协议及退避算法研究
• 2.1 无线网络MAC 协议的分类
• 2.2 几种典型的无线MAC 协议
• 2.2.1 单信道协议
• 2.2.2 多信道协议
• 2.3 典型的无线MAC 协议退避算法
• 2.3.1 二进制指数退避算法
• 2.3.2 倍数增线性减退避算法
• 2.4 基于MATLAB 验证退避算法的公平性
• 2.5 本章小结
• 第三章 ROBOTNET 多信道MAC 协议的设计
• 3.1 IEEE 802.15.4 标准
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 网络拓扑结构
• 3.1.3 物理层
• 3.1.4 MAC 层
• 3.2 ROBOTNET 协议的设计目标
• 3.3 ROBOTNET 协议的主要机制
• 3.3.1 动态分配信道策略
• 3.3.2 基于RTS/CTS 协议的信道协商
• 3.3.3 信道竞争接入及退避机制
• 3.3.4 多信道虚拟监听技术
• 3.3.5 信道列表过期修复策略
• 3.4 ROBOTNET 协议的帧结构
• 3.4.1 MAC 帧结构
• 3.4.2 数据帧
• 3.4.3 控制帧
• 3.4.4 广播帧
• 3.4.5 帧间间隔
• 3.5 ROBOTNET 协议执行流程图
• 3.6 本章小结
• 第四章 ROBOTNET 多信道协议的实现
• 4.1 ROBOTNET 协议的实现平台
• 4.1.1 无线模块CC2430 简介
• 4.1.2 软件开发环境
• 4.2 ROBOTNET 协议的程序实现
• 4.2.1 频率和信道编程设置
• 4.2.2 部分重要数据结构
• 4.2.3 MAC 层接口函数
• 4.2.4 MAC 层握手实现函数
• 4.2.5 数据发送和接收函数
• 4.3 本章小结
• 第五章 实验测试与结果分析
• 5.1 实验设备与平台
• 5.1.1 硬件设备环境
• 5.1.2 软件测试平台
• 5.2 实验设计与数据分析
• 5.2.1 点对多点信道竞争测试
• 5.2.2 吞吐量测试
• 5.2.3 通讯延迟测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录