基于IEEE802.11的无线Ad Hoc网络MAC层功率控制算法研究

摘要

传统的有中心式无线网络结构(典型的有蜂窝移动系统及无线局域网WLAN中的AP组网等)正在一定程度上受到无中心式组网形式(典型的有无线AdHoc网络、无线传感网和无线网状网等)的挑战。在长距离无线通信中，有中心式组网可以发挥其覆盖范围广、集中式管理、能量不受限(基站由电源进行供电)等优点；但在中、短距离的无线通信中，由于无中心式网络组网灵活、无需固定网络设施、便于临时铺设等优点，因此得到了广泛的关注与研究，尤其在一些特定的应用场合，如抢险救灾、展览会议、军事战争中正在发挥着越来越大的作用。 随着对无线网络研究的不断深入，无线宽带化已经不是梦想：采用OFDM调制技术的IEEE802.11a，峰值速率可达54Mbps；目前成立的IEEE802.11n工作组，采用MIMO-OFDM技术，计划将无线局域网的传输速率由54Mbps提高到108Mbps，最高可达320Mbps；而未来4G的候选技术——超宽带(UWB)技术更是将无线传输的速率提高到500Mbps以上。虽然无线网络在传输速率上取得了飞速的进步，但由于无线节点本身多采用便携式的电池进行供电，而电池技术近几十年来却发展缓慢，因此如何节省无线节点的电池能量成为制约无线网络(特别是无中心式网络)发展的关键问题。 目前无线网络的节能措施主要采用两种方式：一种方式是通过动态关闭无线网卡、让节点周期性地进入休眠状态来节省不必要的能量开销；另一种方式是采用功率控制，通过调整节点传输功率来降低能耗。功率控制方式不仅可以有效地降低节点能耗，还可以增加无线信道的空间复用程度、降低节点间的共道干扰，从而提高整个网络的吞吐量。然而在无线AdHoc网络中引入功率控制，势必造成节点之间各有不同的发送功率，产生所谓的非对称链路问题(ALP，AsymmetricLinkProblem)，如果不能很好地处理该问题，将有可能导致网络中碰撞加剧，造成信息大量重传、消耗大量节点能量，从而抵消由于引入功率控制所带来的能耗的节省。 本论文旨在研究如何在无线AdHoc网络中正确有效地实现功率控制，首先研究了无线AdHoc网络功率控制设计思路与设计原则，然后重点讨论并解决了引入功率控制后所带来的非对称链路问题。由于基于载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)机制的IEEE802.11x标准是目前无线局域网的事实标准，是迄今为止唯一己经赢得市场的标准，也是发展最快、应用最广的无线通信网络协议之一。因此本论文选取IEEE802.11协议作为MAC层功率控制算法研究的对象，提出了一种基于IEEE802.11功率控制模型SIMPLE的改进模型ADVANCED，解决了引入功率控制后出现的非对称链路问题，从而既保证了网络能耗的节省，同时又提高网络的吞吐量并改善了数据端到端的平均时延；最后通过建模与仿真，验证了所提算法确实能优化网络性能。

目录

文摘

英文文摘

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第1 章 绪论

1.1无线通信发展概述

1.2研究目的和意义

1.3论文结构和内容

第2章 Ad Hoc网络功率控制

2.1Ad Hoc网络概述

2.1.1定义和特点

2.1.2发展和应用

2.2功率控制研究现状

2.2.1各协议层功率控制研究现状

2.2.2网络层功率控制研究现状

2.2.3无线网卡动态关闭机制

2.2.4MAC层功率控制研究现状

2.3功率控制设计原则

2.3.1传输功率对各协议层的影响

2.3.2功率控制设计原则

2.3.3功率控制仿真分析

2.4本章小结

第3章 IEEE802.11MAC层协议

3.1MAC信道接入简介

3.2Ad Hoc 网络MAC 层协议

3.3IEEE802.11MAC层协议

3.3.1CSMA/CA机制

3.3.2四次握手机制

3.3.3帧间间隔

3.3.4退避机制

3.4MAC 层需要解决的问题

3.4.1隐终端

3.4.2暴露终端

3.4.3非对称链路问题

3.5IEEE802.11性能分析

3.6本章小结

第4章 基于IEEE802.11MAC 层功率控制算法研究

4.1SIMPLE 模型

4.1.1算法描述

4.1.2研究现状及存在的问题

4.2ADVANCED模型

4.3MATLAB仿真模型

4.4仿真结果分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1本论文工作总结

5.2下一步研究方向

攻读硕士学位期间发表的论文、参与翻译的著作及参加的科研项目

[参考文献]

附录 缩约语

致谢