无线自组网定向载波检测接入协议建模研究

摘要

无线自组织网络不依赖于固定基础设施，具有组网灵活，抗毁性强，可靠性高的优势。进一步采用定向天线技术，不仅可以增大节点传输范围，而且可以有效提高网络饱和吞吐量、降低数据包接入时延。如何针对无线自组织网络定向链路饱和吞吐量和MAC接入时延进行数学建模与分析，从而为协议性能优化提供理论依据，成为了该领域的研究重点。本文的研究工作即围绕上述问题展开，主要研究成果概述如下： （1）分析了传统的基于不定长时隙的马尔可夫链在定向随机接入协议建模中应用存在的局限性。在全向无线自组织网络中，研究人员已经提出了适用于随机信道接入协议的马尔可夫链建模方法。该类方法针对协议的退避和重传机制进行建模，通过每一个不定长时隙的非空一步状态转移概率和概率归一化条件，得出饱和吞吐量和接入时延的理论表达式。然而，在定向无线自组织网络中，随机信道接入条件下产生的“聋节点”、“定向隐藏终端”会对邻居数据业务流的吞吐量和接入时延产生影响。针对这一影响，本文通过仿真实验，分析了传统的基于不定长时隙的马尔可夫链不适用于定向随机接入协议建模的本质原因。 （2）提出了基于定长时隙的定向载波检测接入协议四维马尔可夫链模型。该模型以固定长度的时隙作为状态转移的时间单位。模型的非空一步状态转移过程可分为退避、传输和挂起三个阶段。定向传输条件下的冲突概率计算和节点退避计数器挂起状态分析是建模的两个难点问题。本文针对“聋节点”、“定向隐藏终端”等问题对MAC帧冲突概率的影响，将定向无线自组织网络的节点冲突区域分为瞬时冲突区域和持续冲突区域两部分，分别考虑了这两类冲突对网络性能的影响。在信道遇忙，节点退避计数器保持挂起状态的过程中，本文采用了连续时间与离散时间马尔可夫链模型循环迭代的方法计算节点的挂起概率和挂起时间期望。 （3）采用上述四维马尔可夫链模型，对定向无线自组织网络单链路饱和吞吐量和MAC接入时延性能进行了深入分析。通过模型求解，得出了一定网络拓扑条件下，网络中各条定向单链路的发送概率、冲突概率以及饱和吞吐量性能。将接入时延的计算分为数据包传输成功（含重传）和数据包传输失败（重传次数达到上限后被丢弃）两种情况，得到了单链路接入时延的数学期望值。详细分析了定向波束宽度、竞争窗口大小等参数对单链路饱和吞吐量和MAC接入时延性能的影响。最后，通过将模型求解获得的性能指标数值结果与网络仿真环境中得到的仿真结果相对比，证明了模型的有效性。

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