多跳Ad Hoc网络中时分多址接入协议研究

摘要

Ad hoc 网络是一种非常具有发展潜力的网络，也是一个复杂的系统，所涉及的研究内容非常广泛，目前仍然存在一些需要彻底研究的问题，新的应用也对它的研究和发展不断提出新的挑战。另一方面，通信和微电子技术的迅速发展又为Ad hoc 网络的发展创造了新的契机。本文从Ad hoc 网络研究领域中的研究热点出发，分别研究了多跳Ad hoc 网络中的拓扑未知预约时分多址接入、支持MIMO 的时分多址接入、支持智能天线的时分多址接入以及临界传输半径等问题。 本文的主要内容和贡献包括以下几个方面： 1. 深入研究了多跳ad hoc 网络中时分多址接入技术。将拓扑未知时分多址接入协议和预约相结合，提出了拓扑未知预约时分多址接入协议TTR-TDMA 。该协议基于时分多址的帧结构，每个时隙分为预约阶段和数据传输阶段。每个节点在其分配的时隙，通过预约的方法占用时隙以解决可能的冲突；并且在其未分配时隙通过载波侦听来竞争使用该时隙。通过理论分析我们推导出网络的最佳性能及其最佳参数。并且我们通过仿真验证了我们的理论分析。网络拓扑和业务负载对通过率的影响也在本文加以研究。仿真结果表明该协议具有稳定性和公平性。此外，该协议的性能也优于其他拓扑未知协议。 2. 基于当前支持MIMO的多址协议需要知道全网拓扑，本文将TTR-TDMA与MIMO 相结合，提出了适合多跳ad hoc 网络的支持MIMO 的拓扑未知预约时分多址接入协议MIMO-TTR 。MIMO-TTR 同样不需要知道全网的拓扑信息，并且通过平衡MIMO 链路的传输容量和抗干扰能力来分解冲突。当一个时隙仅被一个用户占用时，该用户可以以最大传输速率占用该时隙。当一个时隙必需由多个用户共享时，我们可以减小每个用户的数据速率，并增强它的抗干扰能力，以使这些用户可以同时成功地发送减小速率后的数据流。因为该协议不需知道全网的拓扑结构，因而便于实现和适合于分布式应用。通过理论分析我们推导出节点最小通过率及最佳帧长。 3. 针对当前支持MIMO的多址协议仅支持点对点传输，本文提出多跳Ad Hoc网络中支持MIMO 的广播传输时分多址接入协议，其核心算法是保证每个节点无冲突传输广播业务且保证最小帧长的时隙调度算法。该算法充分利用了MIMO 系统并行数据流传输的特性，该特性可使发生传输冲突的节点集可能由两跳范围内的邻节点减小到一跳范围内的邻节点，从而提高网络容量。结果表明该协议可以较大地提高网络容量和减小平均分组时延。 4. 针对智能天线已经成为当前相对成熟和开始应用的技术，本文介绍和分析了ad hoc 网络中自适应波束形成时分多址接入协议ABF-TDMA 。ABF-TDMA 是基于TDMA 和智能天线技术来实现无冲突预约和波束形成。ABF-TDMA 允许每对通信节点在每个时隙预约和训练来保证存在隐藏终端情况下的无冲突的预约和波束形成，成功预约和训练后，数据分组可以以自适应波束方式发送。本文分析了ABF-TDMA 的通过率和时延。仿真结果显示ABF-TDMA 可以获得高通过率，低时延，较小的时延抖动和丢包率,特别是分组长度较长和节点数较多情况下。 5. 临界传输半径不仅保证了网络的连通性，而且减小了能量消耗和多址干扰，并最大化网络容量。同时，临界传输半径直接影响网络最大度，对TTR-TDMA 协议和MIMO-TTR 协议也显得非常重要的。为了研究如何选择移动Ad hoc 网络保持连通的临界传输半径，本文定义了反映随机路点运动模型对临界传输半径影响的本质参量停留概率。该参量反映了网络趋于静止的趋势，并由更新理论推导出停留概率与随机路点运动模型的运动参数停留时间，最小速度和最大速度之间的关系式。仿真结果表明，运动参数通过本质参量停留概率而影响临界传输半径。给定运动参数，便可确定停留概率，通过停留概率可以大致确定运动下的临界传输半径。

目录

文摘

英文文摘

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插图目录、表格目录

缩略词、符号定义表

第一章 绪论

第二章 适于多跳ad hoc 网络的拓扑未知预约时分多址接入协议

第三章 多跳ad hoc 网络中支持MIMO 的时分多址接入协议

第四章 ad hoc 网络中支持智能天线的TDMA 多址接入协议

第五章 运动对ad hoc 网络中临界传输半径的影响

第六章 总结和展望

致 谢

作者在读期间的研究成果