基于机会网络编码感知的无线局域网增强MAC协议分析与研究

摘要

网络编码技术是近年来通信研究领域中的一项重要突破，该思想突破了传统数据传输的固定模式，为改善无线通信协议的传输效率提供了新的技术途径。无线链路的不可靠性和物理层广播特性为发挥网络编码在无线网络中的性能优势奠定了良好的基础，然而无线AdHoc网络的带宽受限、拓扑易变、丢包率高等不利因素又给网络编码在无线环境中的应用带来一定的阻碍。如何结合无线网络的优势找到能够最大程度发挥网络编码优势的结合点，是当前无线AdHoc网络中网络编码应用研究的关键核心。其中，如何合理设计MAC协议来支持网络编码在无线AdHoc网络中的应用是主要挑战之一。
　　 本文首先对终端访问共享信道时采用的DCF接入机制和退避机制进行详细阐述和分析。采用二维马尔科夫链模型构建IEEE802.11DCF协议的性能分析模型，并在分析模型的基础上分别对X形和随机型网络分析系统饱和吞吐量。由分析结果可知，在X形网络结构下，传输速率越大，数据包长度越长，退避窗口越小，那么系统的饱和吞吐量越大。在随机拓扑网络场景下，网络节点数越多，发生碰撞的概率越大，系统吞吐量明显降低。当网络节点数较少时，最小退避窗口对系统吞吐量的影响不大，然而随着网络节点数的增多，若最小退避窗口较小，站点之间随机选择的退避时间相同的概率越大，发生碰撞的概率越大，从而系统吞吐量降低。
　　 接下来本文主要介绍了网络编码的基本原理并对基于机会侦听网络编码机制和编/译码算法进行详细阐述。在802.11DCF协议的性能分析模型的基础上，建立基于机会式网络编码感知的MAC协议性能分析模型，分析中间节点的编码机会，对引入机会网络编码前后的DCF协议下系统饱和吞吐量进行分析比较。论文分析表明中间节点的编码概率随着阈值增大而减小，但是阈值取值过大或极小都会降低系统性能。为计算阈值的合理取值，本文引入节点容量提升(NCI)性能指标，分析表明最佳阈值的选择与该节点的编码机会无关。根据模型分析结果表明网络节点的发射功率取值不宜过大，增大到一定值后，发射功率对系统吞吐量并无太大影响。另外本文还分析了无线站点的缓存大小对机会式网络编码的编码机会和系统吞吐量带来的影响。由分析结果可知，缓存越大，性能指标越高，然而当缓存增大达到一定值时，平均编码包数和吞吐量基本不变。
　　 最后论文以仿真软件OPNET为基础搭建基于机会侦听网络编码的系统仿真平台。论文详细介绍OPNET中802.11无线节点的节点层和进程层中各模块的作用，并在此仿真软件中实现了802.11DCF协议和机会式网络编码感知MAC协议，通过仿真实验对两种协议进行对比分析，从而验证了两种协议建模分析的结果，分别在X形拓扑结构和随机拓扑结构下证明了802.11DCF协议在引入机会式网络编码之后可以有效提高网络吞吐量，减少中间节点的传输次数，减少传输时延。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究现状

1．2．1 无线网络中的网络编码技术

1．2．2 基于网络编码的MAC技术

1．3 论文的主要研究内容及工作结论

1．4 论文的结构和章节安排

第2章 无线局域网802．11 MAC协议分析

2．1 IEEE 802．11 MAC协议介绍

2．2 分布式控制DCF访问机制

2．2．1 RTS／CTS工作方式

2．2．2 CSMA／CA机制

2．2．3 二进制指数退避算法

2．3 基于IEEE 802．11的MAC协议性能分析

2．4 本章小结

第3章 基于机会网络编码感知的增强MAC协议分析

3．1 网络编码简介

3．2 机会网络编码机制

3．2．1 机会式网络编码技术

3．2．2 网络编／译码算法

3．3 基于机会网络编码感知的增强MAC协议性能分析

3．4 缓存分析

3．5 本章小结

第4章 机会网络编码感知MAC协议仿真实现

4．1 OPNET MODELER网络仿真平台概述

4．2 基于机会式网络编码感知的IEEE 802．11 DCF协议仿真设计

4．2．1 IEEE 802．11节点域模型

4．2．2 MAC层进程域模型

4．2．3 网络编码功能模块实现

4．2．4 仿真验证

4．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间完成的论文和参与的科研项目