基于PETRI网的无线链状网MAC协议与路由算法研究

摘要

随着列车重载运输的高速发展,国家对货物列车的安全运行提出了更高的要求。针对货物列车的特点,本文提出了一种利用无线传感器对重载货物列车危险状态进行在线监测的新网络--无线链状网(Wireless Chain Network,WCN)。虽然无线传感器网络的研究已取得一定成果,但其特殊性使得无线传感器网络中的通信协议不适合这种网络结构。
　　 在分析无线传感器网络相关领域的研究成果及应用情况之后,结合863课题的研究内容,并针对无线链状网络的结构特点和多跳中继通信的特点,将方向定在设计新的结合路由信息的MAC协议和相关的路由协议。本文主要做了以下几个方面研究工作:
　　 首先,本文在当前无线传感器网络通信协议IEEE802.11的基础上,根据跨层设计思想,将网络层和MAC层信息结合起来设计出一种结合主动路由和多信道的MAC协议(MC-MAC),以解决无线传感器网络当前信道容量不足的问题。并依据有色Petri网理论,使用CPNtools工具对该多信道MAC协议建模和仿真,从可达图和线性代数两个方面论证该模型的正确性。
　　 其次,基于无线链状网的拓扑结构特点,选择OLSR协议作为基础协议,一方面修改HELLO和TC消息的设定,使其能为MC-MAC协议有效地分配信道,另一方面改进MPR集的设定,快速的寻找合适的路由而非最优路径。改进后的协议称之为EOLSR协议。
　　 最后,利用NS2分别对多信道MAC协议和改进的OLSR路由协议进行性能仿真分析,并与标准MAC协议IEEE802.11和OLSR协议的性能分析比较。仿真结果表明,MC-MAC协议性能明显高于IEEE802.11协议,EOLSR协议在各方面的表现均比OLSR协议要好。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 本课题的研究背景及意义

1.2.1 本课题的研究背景

1.2.2 本课题的研究目的及意义

1.3 国内外研究现状与水平

1.3.1 PETRI网技术的研究与发展

1.3.2 无线链状网络的研究与发展

1.4 本文主要研究内容

1.5 本文的整体结构及章节安排

第二章 无线链状网的MAC及路由分析

2.1 无线链状网概述

2.1.1 无线链状网的特点

2.1.2 无线链状网的技术挑战

2.2 无线链状网的MAC协议

2.2.1 传统MAC协议问题

2.2.2 MAC协议要求

2.3 无线链状网的路由协议

2.3.1 传统路由协议问题

2.3.2 路由协议要求

2.4 本章总结

第三章 有色PETRI网的网络协议建模理论基础

3.1 有色PETRI网的定义和性质

3.1.1 有色PETRI网的定义

3.1.2 有色PETRI网的基本性质

3.2 有色PETRI网的建模步骤

3.3 有色PETRI网的分析方法

3.3.1 可达树方法

3.3.2 线性代数方法

3.4 本章总结

第四章 基于PETRI网的多信道MAC协议分析

4.1 无线链状网的多信道MAC协议

4.1.1 关于多信道协议

4.1.2 面临的问题

4.1.3 MC-MAC协议

4.2 多信道MAC协议模型及分析

4.2.1 多信道MAC协议的CPN网模型

4.2.2 多信道MAC协议的模型分析

4.3 多信道MAC协议的性能仿真

4.3.1 仿真场景设置

4.3.2 仿真结果分析

4.4 本章总结

第五章 无线链状网的路由协议研究

5.1 路由协议的选择

5.2 0LSR路由协议

5.2.1 0LSR的基本原理

5.2.2 0LSR路由协议分组格式

5.3 改进的OLSR路由协议

5.3.1 信道分配最优链路状态路由(CA-OLSR)协议

5.3.2 CA-OLSR算法的CPN模型

5.3.3 MPR集的最优选择

5.4 路由性能评估与仿真

5.4.1 性能评估指标

5.4.2 仿真场景设置

5.4.3 仿真结果分析

5.5 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间科研及论文完成情况