基于OPNET的MAC协议仿真分析

摘要

随着工业控制技术的快速发展，智能工业控制部署的网络对于实时性要求越来越高，网络时延成为目前研究关注的焦点。虽然有线网络传输技术相对比较成熟，无线传感器网络能耗技术也在不断得到提高，但有限的网络资源还未得到充分地利用，如何通过进一步减少网络时延、抖动，增加网络吞吐量，以间接提高有线和无线网络有限带宽利用率，及无线传感器网络能耗效率仍是传输控制领域研究热点。
　　论文首先论述以太网和无线传感器网络中MAC协议的特点、体系结构和能量管理方法;接着基于网络时延模型分析影响以太网和无线传感器网络时延的关键因素，对现有的MAC协议改进算法进行比较。基于以上的理论基础，可知选择合宜的发送概率p是提高CSMA/CD协议性能的关键。针对此问题，论文提出一种依据网络环境和性能要求动态调整发送概率p的思想，将该思想应用于以太网和无线传感器网络中，设计两种自适应改变发送概率p和最大避退上限的MAC协议算法。基于OPNET仿真软件，对以上两种协议的时延、端到端时延、排队时延、吞吐量和总线利用率进行仿真研究。仿真结果表明，与目前新提出的协议相比，这两种协议算法能有效降低时延、消除抖动。论文的主要工作和创新点如下:
　　1、论文首先论证运用马尔科夫理论的可行性，然后基于离散时间马尔科夫链理论模型，建立网络状态和发送概率p之间的关系，得出影响发送概率p和吞吐量的影响因子，将影响因子映射为四个网络状态监测量，通过联合判断状态监测量来调整p值和最大避退上限，为后面协议的研究仿真奠定理论基础。
　　2、将第一点建立的理论基础应用于有线以太网MAC协议中，提出一种新的自适应CSMA/CD协议算法。该算法根据以太网信道和数据分布概率的特点来设置四个网络状态监测量的阈值，通过联合判断状态监测量来调整p值和最大避退上限。然后基于OPNET仿真平台，对协议的时延、端到端时延、排队时延、吞吐量和总线利用率进行仿真。最后将仿真结果分别与经典的CSMA/CD协议、最新的自适应CSMA/CD协议的仿真结果进行比较。仿真结果表明，在相同网络结构不同的节点数场景中，论文提出新的自适应CSMA/CD协议具有更小的时延、更高的信道利用率。
　　3、减小时延是提高无线传感器网络能耗的有效途径之一。论文提出一种适用于ZigBee网络中的MAC层协议RCA-CSMA/CA。在对比了有线环境和无线环境MAC协议的区别后，根据无线传感器网络信道和数据分布概率的特点设置四个网络状态监测量的阈值，通过联合判断状态监测量来调整p值和最大避退上限。然后基于OPNET仿真平台，分别对簇形、星型和Mesh型三种网络拓扑下，协议的时延、端到端时延、排队时延、吞吐量和总线利用率进行仿真。最后将仿真结果分别与经典的CSMA/CA协议、最新的自适应CSMA/CA协议的仿真结果进行比较。仿真结果表明，在相同网络结构不同的节点数场景中，RCA-CSMA/CA协议能有效减小时延、增加吞吐量，具有良好的可扩展性和适应性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．3．1 OPNET软件仿真平台介绍

1．3．2 CSMA／CD协议研究现状

1．3．3 CSMA／CA协议研究现状

1．4 论文结构及主要研究内容

第二章 以太网和无线传感器网络中MAC层协议分析

2．1 ZigBee协议架构

2．1．1 ZigBee协议总体架构

2．1．2 ZigBee协议的分层架构

2．2 CSMA协议

2．2．1 CSMA／CD协议

2．2．2 CSMA／CA协议

2．2．3 CSMA／CD协议和CSMA／CA协议比较

2．3 本章小结

第三章 以太网中的自适应MAC协议的研究

3．1 CSMA／CD协议的马尔科夫链模型分析

3．2 CSMA／CD自适应MAC协议的设计思想

3．3 自适应CSMA／CD协议中的空间阈值划分分析

3．4 自适应协议仿真模型和实现

3．5 仿真实验与分析

3．5．1 仿真软件环境设置

3．5．2 仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 无线传感器网络中MAC协议的改进与仿真

4．1 无线传感器网络中MAC协议

4．2 无线传感器网络的自适应MAC协议设计

4．3 实验仿真分析

4．3．1 网络域节点模型的建立

4．3．2 节点域模型的建立

4．3．3 节点进程域模型的建立

4．3．4 仿真实验分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目