定向无线自组网吞吐量建模与忙音辅助接入协议设计

摘要

无线自组织网络不需要固定基础设施支撑，组网快速灵活，抗毁性强，在军事和民用领域均有广阔的应用前景。研究人员将定向天线技术引入无线自组网，有效降低了信号冲突，提高了网络空分复用度和网络饱和吞吐量。然而，定向传输引起的“聋”问题和定向隐藏终端问题造成的数据冲突会对业务流的饱和吞吐量产生什么样的影响？如何针对定向无线自组网随机接入协议的饱和吞吐量进行建模与分析？如何进一步降低冲突，提升定向饱和吞吐量性能？现有的研究工作尚未能给出令人完全满意的答案。本文的研究工作即紧密围绕上述问题展开，取得的主要创新性成果包括：
　　（1）提出了一种定向随机接入协议饱和吞吐量模型。本文首先分析了“聋”问题和定向隐藏终端问题导致的定向无线自组织网络数据传输冲突。然后，针对典型定向无线自组织网络随机接入协议 D-MAC，提出了基于马尔可夫链的定向随机接入协议饱和吞吐量模型，为定向接入协议性能优化提供了理论依据。该模型通过计算任一时隙中节点向任一波束方向发送数据的概率及定向冲突概率，得出了网络饱和吞吐量的理论值。以该模型为基础，本文分析了定向天线波束数量、网络节点数量、随机退避竞争窗口等参数对网络总吞吐量的影响，并重点研究了给定网络拓扑条件下，由于数据传输冲突导致的不同业务流饱和吞吐量的差异性。仿真结果与数值结果的对比证明了模型的有效性。
　　（2）设计了一种基于忙音辅助的定向无线自组织网络接入协议。该协议采用了忙音辅助策略避免“聋”问题和定向隐藏终端问题导致的数据传输冲突。节点通过发送全向RTS帧和定向CTS帧完成邻居之间的定向波束对准；在数据交互过程中，发送节点和接收节点通过定向发送“发忙音信号”和“收忙音信号”避免数据帧冲突，通过多波束定向发送“聋忙音信号”避免“聋”问题导致的数据帧的重传以及多条链路吞吐量之间的不公平性问题，并实现了网络中其余节点基于忙音侦听的并发定向数据传输。多种网络拓扑条件下的仿真结果证明，本文提出的忙音辅助策略能有效避免“聋”问题和定向隐藏终端问题导致的数据传输冲突，链路公平性和网络吞吐量性能优于传统的定向忙音辅助信道接入控制协议。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究工作思路及意义

1.4 本文组织结构

第二章 无线自组网定向数据传输冲突分析

2.1 引言

2.2 定向天线简介

2.3 定向天线引起的冲突分析

2.4 本章小结

第三章 定向传输饱和吞吐量建模与分析

3.1 引言

3.2 D-MAC协议概述

3.3 定向随机接入协议饱和吞吐量建模与推导

3.4 模型求解与分析

3.5 不同业务流差异性分析

3.6 本章小结

第四章 基于忙音辅助/冲突避免的定向接入协议设计

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 TBTMA/DA协议基本思想

4.4 仿真与结果分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文