基于定向天线的无线自组织网络吞吐量建模与分析研究

摘要

无线自组织网络不依赖于固定基础设施，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。基于定向天线的无线自组织网络具有单跳定向传输距离远，数据传输抗干扰能力强，空分复用度和网络饱和吞吐量高等优势，近年来受到了研究人员广泛的关注。然而，如何针对波束宽度与MAC吞吐量之间的关系进行定量分析？在不同的网络拓扑条件下，MAC吞吐量的上限是什么？对于具体的定向信道接入控制协议，如何通过理论建模的方法对其饱和吞吐量性能进行分析？现有研究工作均无法给出令人满意的答案。本文探索了单跳定向无线自组织网络吞吐量的建模与分析方法，为网络协议性能优化提供理论依据。主要创新工作包括：
　　（1）针对MAC吞吐量理想上界分析展开研究。提出了定向链路并发图的方法描述定向并发传输的约束条件，并将定向无线自组织网络MAC吞吐量最大化的问题描述成带约束的多商品流问题。该优化问题是一个典型的NP难问题，因而需要提出合理的启发式算法寻找满足约束条件的解。本文分别在不考虑业务流公平性和业务流间公平性因子为1的两类条件下，提出了四种求解算法，并针对算法的复杂度进行了分析。通过算法求解，定量分析了不同网络拓扑条件下，天线波束宽度与MAC吞吐量理想上界之间的关系。
　　（2）针对典型定向随机接入协议（D-MAC）饱和吞吐量建模展开研究。结合仿真实验分析，指出了由于定向隐藏终端和定向暴露终端的存在，导致网络中不同业务流的饱和吞吐量存在较大差异。因此，在单跳全向网络中针对网络总饱和吞吐量进行建模的传统方法不适用于单跳定向网络。本文针对D-MAC协议中的节点退避过程，建立了三维马尔科夫链模型，并通过分析定向无线自组织网络中三种不同类型的冲突，分别求解网络中不同业务流的发送概率和冲突概率，并推导出每一条业务流的饱和吞吐量。不同网络拓扑条件下的仿真结果证明了模型的有效性。同时，将D-MAC协议的饱和吞吐量的理论值、仿真值与MAC吞吐量的理想上界进行比较和分析，揭示协议开销对网络吞吐量的影响。

目录

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究思路和主要创新点

1.3 论文组织结构

第二章 定向无线自组织网络吞吐量建模难点分析

2.1 引言

2.2 吞吐量建模相关工作

2.3 定向无线自组织网络吞吐量建模难点问题

2.4 本章小结

第三章 基于定向链路并发图的定向MAC吞吐量理想上界求解

3.1 引言

3.2定向链路并发图

3.3 非公平条件下MAC吞吐量理想上界

3.4 公平条件下MAC吞吐量理想上界

3.5 本章小结

第四章 基于马尔科夫链的定向随机接入协议饱和吞吐量建模

4.1 引言

4.2 D-MAC协议概述

4.3 定向冲突分析

4.4 网络业务流吞吐量建模与推导

4.5 仿真与结果分析

4.6 D-MAC协议饱和吞吐量与理想上界对比分析

4.7 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