机会网络终端节点的MAC协议设计

摘要

随着近几年短距离无线通信设备的广泛普及，无线自组织网络迅速发展并显现出巨大的应用前景。然而由于节点移动、节点稀疏及外界环境因素的影响，源与目的节点间可能不存在一条完整的连通路径，传统的无线自组网无法在这种间断连通的场景下有效运作，机会网络便应运而生。机会网络具有自组织、多跳转发、延迟容忍、间断连通等特点，利用节点移动所带来的相遇机会，以“存储-携带-转发”的模式进行数据传输，在军事战场、公共交通、地下施工等没有基础设施或基础设施易受破坏的环境极具应用价值。
　　作为机会网络成员主体的机会终端节点，其能否合理使用无线信道资源是关系到上层应用能否有效开展的一个关键因素。因此，设计一种适用于无线机会网络终端节点的介质接入控制(MediaAccess Control，MAC)层接入机制，使之充分发挥机会网络的自身优点，同时有效应对频繁的广播信号、提高网络性能及空间复用率，成为本文的研究重点。本文依据IEEE802.11接入规范，针对井下施工场景提出了一种基于分层混合协调的机会网络MAC层接入机制及其相应改进方案，并从理论和仿真实验两方面验证所提MAC协议的实用性及可行性。
　　本文的主要研究工作如下:
　　1.首先对机会网络终端节点接入机制进行研究。从机会网络自身特性、结构特点出发，参照IEEE802.11接入流程规范，探讨了机会网络MAC协议设计的关键问题，明确了设计方向，也为本文的研究提供理论基础。
　　2.综合考量现有基于竞争、基于调度、基于QoS的三类MAC协议的优缺点，针对机会网络井下应用场景提出了一种分层混合协调接入协议——LHCA(Layered Hybrid Coordination Access，分层混合协调接入)。分层机制符合机会网络的可扩展性要求;混合协调机制有效区别轮询周期与竞争周期，明确节点的两级地位，同时允许突发性业务或高优先级业务可控接入竞争周期，保障了QoS要求。此外，利用系统概率母函数和马尔可夫链对LHCA的分层轮询机制进行数学建模，理论计算表明分层轮询较一般轮询机制而言具有更好的性能，从数学理论上保证了方案合理性。
　　3.从QoS功能和竞争退避机制对LHCA做出进一步改进，提出了一种增强型LHCA协议——LHCA/ECA。在QoS方面，LHCA/ECA中退避窗口的大小将随节点业务量情况动态变化，减少了信道资源的浪费;在退避机制改进方面，LHCA/ECA结合了固定与随机退避机制，降低了碰撞概率，避免了系统“雪崩”现象。
　　4.最后通过OPNET仿真平台搭建了基于分层混合协调接入机制的机会网络系统模型，从网络域、节点域、进程域三个方面对该模型的具体实现细节进行说明。通过对比分析CSMA/CA、LHCA和LHCA/ECA三种协议下的各项性能指标，验证方案的可行性。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 机会网络国内外研究现状

1．3 论文研究内容及结构安排

第二章 机会网络终端节点研究概述

2．1 机会网络概述

2．1．1 机会网络的特点

2．1．2 机会网络的结构

2．1．3 机会网络协议结构

2．2 机会网络的MAC协议概述

2．2．1 IEEE802．11无线局域网系统

2．2．2 IEEE802．11无线局域网用户接入过程

2．2．3 机会网络MAC协议设计的主要问题

2．3 本章小结

第三章 机会网络MAC协议介绍与评析

3．1 基于竞争的MAC协议

3．1．1 IEEE 802．11 MAC协议

3．1．2 CSMA／ECA协议

3．1．3 DBTMA协议

3．2 基于调度的MAC协议

3．2．1 CA-TDMA协议

3．2．2 HAMA协议

3．3 基于QoS的MAC协议

3．3．1 改进的支持QoS的802．11 DCF协议

3．3．2 802．11e EDCF

3．3．3 基于分簇结构的信道接入

3．4 本章小结

第四章 基于分层混合协调的机会网络MAC协议

4．1 网络场景描述

4．2 方案概述

4．2．1 基本思想

4．2．2 协议描述

4．3 LHCA模型概述

4．3．1 LHCA节点接入过程

4．3．2 LHCA控制方式

4．3．3 LHCA数据发送过程

4．3．4 LHCA轮询表建立与维护

4．4 LHCA数学模型

4．4．1 模型相关参量及定义

4．4．2 系统状态方程

4．4．3 系统概率母函数

4．4．4 分层轮询机制性能分析

4．5 本章小结

第五章 基于QoS的LHCA改进机制

5．1 问题的提出

5．2 LHCA改进方案

5．2．1 QoS功能增强

5．2．2 退避机制改进

5．3 本章小结

第六章 基于OPNET的机会网络MAC协议仿真

6．1 仿真工具OPNET介绍

6．2 机会网络MAC协议仿真模型

6．2．1 网络仿真模型

6．2．2 节点仿真模型

6．2．3 进程仿真模型

6．3 协议性能仿真分析

6．3．1 仿真参数设置

6．3．2 QoS性能分析

6．3．3 点对点接入时延分析

6．3．4 信道接入时延分析

6．3．5 网络吞吐量分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文的主要工作内容

7．2 今后的研究方向

致谢

参考文献

科研成果