无线Mesh应急通信网络的TDMA MAC协议研究

摘要

无线网格网（Wireless Mesh Networks，WMN）是由一组带有无线收发设备的通信节点组成，拥有动态自配置、自组织和自修复功能的分布式网状网络。应急通信网络作为 WMN的一种典型应用，在面对重大事故或灾难后的紧急救援中发挥着至关重要的作用。然而，现有关于WMN MAC协议研究及实现主要集中在基于IEEE802.11s的竞争接入协议，该方案存在着资源利用率低、时延大、跳数小等诸多问题。为解决上述问题，本文研究了基于调度的信道接入机制，设计与实现了集中式和分布式两种基于分配的WMN MAC协议。
　　首先，针对跳数较少的小规模WMN设计了集中式的MAC协议。为提高信道资源的利用效率，本协议中采用了紧凑的时隙结构和时隙分配方案。网络中处于主控地位的基站节点根据本节点及所有其它从节点的业务需求，以一个OFDM符号块为单位动态的分配全网各节点的传输时间。文章详细描述了所设计的集中式WMN MAC协议的帧结构以及节点入网、节点离网、时钟同步、带宽请求分配和差错控制等协议运行过程，并在硬件平台上实现验证了所设计协议的有效性。
　　由于集中式MAC在WMN跳数增多时存在较大的控制时延，本论文针对大规模WMN设计了一种分布式的MAC协议。相对于集中式WMN MAC协议而言，分布式WMN MAC协议中所有节点的地位对等，不存在一个主控的基站节点来管理全网的时隙分配。针对该网络拓扑结构，本文提出了一种分布式时隙分配算法，各节点根据两跳邻节点关系动态地分配时隙。该算法不受网络规模限制且能更快的适应网络拓扑结构的变化。
　　最后，论文在OPNET仿真平台上从网络模型、节点模型和进程模型三个层次模拟了所设计的分布式WMN MAC协议。仿真结果表明所提算法比IEEE802.11s、固定分配的时隙分配两种算法拥有更高的吞吐量以及更小的时延。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 无线网格网技术简介

1.3 国内外研究现状

1.4 研究思路与文章结构

第二章 WMN MAC协议设计的关键技术

2.1 WMN网络架构

2.2 网络拓扑控制

2.3 链路调度

第三章 集中式WMN TDMA协议设计与实现

3.1 集中式系统总体设计

3.2 时隙与帧结构设计

3.3 集中式TDMA WMN协议运行过程

3.4 协议实现与测试结果

第四章 分布式WMN TDMA协议设计

4.1 分布式系统总体设计

4.2 协议组网方案设计

4.3 时隙分配算法设计

4.4 仿真实验与结果分析

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果