远距离载波检测无线网络分布式接入协议设计与建模优化

摘要

基于载波检测多点接入/冲突避免机制（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）的信道接入控制（Medium Access Control，MAC）协议已在短距离无线网络中得到广泛应用。其中，最典型的协议即为无线局域网领域的IEEE802.11DCF（Distributed Coordination Function）。该协议通过二进制指数退避的方法避免节点之间的发送冲突，并采用RTS/CTS控制帧握手机制解决隐终端问题，具有灵活、高效、可实现自组织组网等优势。目前，DCF协议的基本接入机制已广泛应用于无线网状网、无线传感网等不同的网络形式中。
　　近年来，随着无线网络技术的快速发展，人们逐渐考虑将基于CSMA/CA机制的DCF协议应用于远距离组网的场景。在民用领域，人们通过DCF协议，构建远距离地面WiFi网络或空中无人机 WiFi网络，以低成本的方式为欠发达地区提供因特网接入服务。在军用领域，CSMA/CA的接入方式也已用于部分航空数据链系统，例如，以色列预警机和战斗机之间的高速信息共享数据链 ACR-740。然而，由于DCF协议本身是为短距离条件应用而设计的，在远距离条件下应用存在组网效率低、吞吐量性能差等一系列问题。产生这些问题的根源是什么？以经典的DCF协议为基本框架，如何设计远距离条件下基于CSMA/CA机制的信道接入协议？本文的研究工作即围绕上述问题展开，主要工作包括：
　　（1）在近距离条件下，载波检测接入协议中的退避时隙长度通常设置为大于信号的最大传播时延，从而保证节点发送的信号均能被其载波检测范围内的任一节点检测到。然而，在远距离条件下，由于信号最大传播时延大，如果将每一个退避时隙的长度均设置为信号最大传播时延，则节点发送前的退避过程将导致网络总吞吐量的严重下降。本文通过马尔科夫链建模的方法，揭示了在远距离传输条件下，节点退避时隙长度与网络总吞吐量之间的关系。通过模型求解，分析了在不同网络规模条件下，通过调整退避时隙长度优化网络总吞吐量的策略，为远距离条件下载波检测无线网络高效分布式接入协议设计提供了参考。
　　（2）以上述建模与分析方法为基础，本文提出了一种基于信道竞争节点感知和竞争窗口优化的远距离载波检测接入协议（DCWLD）。该协议采用分布式随机竞争的方法产生网络中心管理节点。中心管理节点周期性的对当前竞争信道节点的数量进行估计，并以广播的方式告知网络中的全部节点。发送节点在当前网络条件下，以竞争信道节点数量为依据，以提高网络总平均吞吐量为目标，采用马尔科夫链建模的方法，确定当前竞争退避窗口大小的最优取值。不同网络条件下的仿真结果证明，与普通 DCF协议相比，本文提出的DCWLD协议可以在远距离条件下获得更优的网络总平均吞吐量性能。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 远距离载波检测无线网络的应用

1.3 研究思路与贡献

1.4 论文组织结构

第二章 传输距离对载波检测分布式接入协议的影响

2.1 载波检测分布式接入协议概述

2.2 远距离条件下协议参数的设置

2.3 远距离条件下协议优化的关键问题

2.4 远距离条件下DCF协议仿真与分析

2.5 本章小结

第三章 远距离载波检测无线网络发送退避时隙长度优化

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3 远距离分布式无线网络建模思路及难点分析

3.4 远距离分布式网络退避时隙长度建模与优化

3.5 模型有效性验证

3.6 本章小结

第四章 基于竞争节点感知和竞争窗口优化的远距离载波检测接入协议

4.1 引言

4.2 DCWLD协议描述

4.3 退避过程竞争窗口优化

4.4 仿真结果与分析

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