多功率无线自组网MAC吞吐量建模研究

摘要

无线自组网作为一种新型的无线通信网络，受到了学术界的广泛关注。由于其具有可靠性高、抗毁性强等特点，无线自组网在军事和民用领域得到了大规模应用。然而无线自组网中的节点主要由电池供电，能量资源有限。如何节省能耗、提高网络吞吐量一直是无线自组网急需解决的问题。功率控制机制是节省能耗、提高网络吞吐量的主要措施之一。目前已有大量研究工作围绕功率控制机制设计展开，这些研究工作在节能方面已取得了重大进展。从 MAC层角度看，功率控制机制即以不同的功率发送数据包。MAC层处于网络协议栈的底层，为网络中各节点提供无线信道的共享方式，功率的选择决定了网络中节点的传输范围、检测范围、冲突干扰等，对网络吞吐量性能有重要影响。本文旨在对多功率环境下无线自组网 MAC层吞吐量进行建模研究，主要内容为：
　　（1）分析了单跳多功率网络中的捕获效应。借助捕获模型计算了单跳场景下捕获一个节点，捕获两个节点的捕获概率，并利用中心极限定理给出了捕获多个节点的概率表达式。然后在G. Bianchi模型的基础上结合多功率，提出了一个三维马尔科夫链模型并给出了捕获效应下节点发送成功的概率表达式。借助模型可以求解出单跳多功率网络的饱和吞吐量。QualNet环境下的仿真结果和数值结果比较证明了模型的有效性。同时引入捕获率的概念，分析了单跳多功率网络的饱和吞吐量性能。
　　（2）分析了多跳多功率网络MAC吞吐量建模中挂起过程和冲突概率这两个难点。然后根据协议规约和信道状态变化提出了一个四维马尔科夫链模型。该模型由退避过程、传输过程和挂起过程三部分构成，传输过程区分了节点以不同概率选择多档功率发送的情况。整个四维马尔科夫链模型的每个时隙长度都是定长的，等于一个退避时隙长度。接着讨论了多功率条件下引起传输失败的多种冲突情况，给出冲突概率的一般表达式，并借助连续时间马尔科夫链模型计算节点的挂起概率以及平均挂起时间。通过建立四维马尔科夫链模型和连续时间马尔科夫链模型之间的联系，迭代计算出每条链路的吞吐量。最后结合仿真结果和数值结果验证了模型的有效性并分析了不同发送功率对每条链路冲突概率、发送概率和饱和吞吐量的影响。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 无线自组网概述

1.2 无线自组网研究热点

1.3 本文研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 功率控制与无线自组网吞吐量

2.1 引言

2.2 功率控制机制

2.3 功率控制与吞吐量

2.4 多功率建模重要性

2.5 本章小结

第三章 单跳多功率无线自组网MAC吞吐量建模与分析

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3 捕获概率分析

3.4 建模与饱和吞吐量分析

3.5 仿真分析

3.7 本章小结

第四章 多跳多功率无线自组网MAC吞吐量建模与分析

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 建模难点

4.4 多跳多功率模型

4.5 仿真分析

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