无线自组网时间/功率二维随机退避协议设计与建模研究

摘要

无线自组织网络不依赖于固定的基础设施，组网快速灵活，当部分节点出现故障或被摧毁而停止工作后，整个网络的运行不会受到影响，因而网络具有很强的抗毁和自愈能力。近年来，无线自组织的组网方式已被广泛应用于物联网、无线网状网、车联网、无人机蜂群网络等多种网络形式，受到了人们广泛的关注。分布式功率控制机制是提高无线自组织网络空分复用度，降低节点平均能耗的关键，一直是无线自组织网络领域的热点研究问题。然而，分布式功率控制机制使得全网节点采用异构功率发送信号，容易引起网络整体冲突加剧，进而导致网络饱和吞吐量性能严重下降。发送功率异构条件下的数据冲突是如何引起的？如何实现功率控制和冲突避免机制的联合设计与优化？如何针对功率异构条件下的网络饱和吞吐量进行建模与分析？针对上述问题，现有的研究工作尚无法给出完整的答案。本文的研究工作即紧密围绕上述问题展开，完成的主要创新性工作包括： （1）结合仿真实验，深入分析了功率异构条件下的数据帧冲突问题，然后在载波检测/冲突避免（CSMA/CA）信道接入控制机制的框架内，提出了三种基于时间/功率的二维随机退避协议。该协议根据节点当前数据帧传输的成功情况，通过二进制指数退避算法联合调整节点的退避窗口和发送功率大小。三种协议分别采用了时间和功率退避交替进行（PB-MAC-T），功率退避和时间退避的先后进行（PB-MAC-P）及功率退避和时间退避同时进行（PB-MAC-TP）的策略。节点发送数据帧失败时，通过增大退避窗口降低节点在时间维度上参与竞争信道的概率，通过降低发送功率减少节点在空间维度上的干扰信号强度。本文通过仿真实验，综合分析和比较了上述三种退避协议的特点。仿真结果证明，本文所提出的时间/功率二维随机退避协议能够同时在网络吞吐量、数据分组时延和平均能耗等方面获得更优的性能。 （2）研究了功率异构条件下的网络饱和吞吐量建模方法。针对本文设计的时间/功率二维随机退避协议（采用PB-MAC-T策略），提出了一种基于三维马尔可夫链的网络饱和吞吐量模型，为协议性能分析提供了理论基础。该模型首先将异构功率条件下的信号冲突划分为“持续冲突”和“瞬时冲突”两大类，然后采用“伪状态”区分异构功率条件下控制帧冲突和数据帧冲突引起的不同二维退避过程，并计算了MAC层捕获概率和节点冲突概率，最后通过非空一步状态转移概率和概率归一化条件，得到了网络饱和吞吐量的表达式。通过模型求解，进一步分析了节点发送功率对数据包冲突概率和网络饱和吞吐量的影响。仿真结果和数值结果的对比证明了该模型的正确性。

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第一章绪论

1.1.1 无线自组网概述

1.1.2 无线自组网的应用领域

1.3 本文研究工作思路及意义

第二章无线自组网MAC层功率控制技术的演化和发展

2.1引言

2.2功率控制MAC协议

2.2.1 面向节能的功率控制MAC协议

2.2.2面向冲突避免的功率控制MAC协议

2.3功率控制技术对网络性能的影响

2.4 异构功率条件下MAC协议建模的意义

2.5 本章小结

第三章基于时间/功率的二维退避协议设计

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3功率退避算法

3.4基于时间/功率的二维退避协议

3.5 仿真结果与分析

3.5.1链状拓扑

3.5.2 簇状拓扑

3.5.3 同心圆拓扑

3.5.4 随机均匀拓扑

3.6本章小结

第四章时间/功率退避协议PB-MAC-T建模与分析

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 建模难点

4.3.1 MAC层捕获分析

4.3.2 持续冲突和瞬时冲突分析

4.4 PB-MAC-T协议的吞吐量建模与分析

4.4.1 三维马尔科夫链建模推导

4.4.2 MAC层捕获概率分析

4.4.3 持续冲突和瞬时冲突概率分析

4.4.4 网络吞吐量分析

4.5 模型有效性验证

4.6 本章小结

第五章总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文