无线自组织网络低时延高吞吐MAC协议研究

摘要

无线自组织网络可以在无基础设施支持的情况下，传输具有一定通信质量的多媒体信息流，在一些网络场景有着极高的应用价值。MAC协议控制了网络的信道接入，为网络的通信质量提供重要保证。因此，对于节点快速移动、拓扑变化明显的无线自组织网络而言，MAC协议的设计与研究有着极其重要的意义。本文研究了基于TDMA 技术的MAC 协议，设计能够适应无线自组织网络场景的分布式时隙分配算法，同时保证了网络低时延、高吞吐的特性。 本文对TDMA技术产生的延时进行了深入研究，从理论上对一些能够降低TDMA 延时的方法进行分析。传统动态时隙分配算法往往只考虑在分布式场景中完成无冲突的时隙分配，但并没有对时隙分配的顺序作明确规定，最终给每个节点分配的时隙顺序与数据流的传播顺序并不相同。针对时隙分配顺序与数据流顺序不一致而造成的调度时延问题，提出了采用主时隙自适应时隙交换技术的SAOPPS-TDMA协议。协议设计了相应的超帧结构，实现了邻居节点发现策略以及基于优先级列表的时隙分配，同时利用时隙交换技术调整时隙顺序，使其趋于数据流顺序。设计了基于数据流价值的交换准则，解决网络中多条数据流时隙优化问题。通过仿真结果显示，SAOPPS-TDMA 协议具有较好的延时与吞吐量特性。 本文研究了网络吞吐量计算模型，发现在TDMA协议中通过提升节点的时隙利用率可以有效提升网络吞吐量。传统时隙分配算法会因为暴露终端或者不对称拓扑竞争的因素，放弃了本来可以占用的时隙，从而导致时隙复用度不够，针对这种时隙复用不足的情况，本文提出了时隙修正算法。该算法可以通过动态时隙发现过程复用更多的时隙，提升节点的时隙利用率。同时，时隙修正算法还能检测网络中存在的时隙冲突情况，并能修复冲突的时隙，提升网络的通信质量。通过仿真结果表明，时隙修正算法能很好地复用时隙，在数据负载较小的情况下，时隙修正算法可以为节点增加平均1.8个时隙左右的占用，在数据负载较高的情况下，时隙修正算法也可以为节点增加平均0.9个时隙的占用。通过时隙修正算法，可以提升网络吞吐量，降低数据延时。

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