基于TDMA和网络编码的低时延无线Mesh网络协议研究与节点实现

摘要

无线Mesh网络广泛应用于军事领域和商业民用领域。城域接入网的音频和视频业务、应急通信等对无线Mesh网络的时延特性提出了较高的要求，研究低时延无线Mesh网络具有十分重要的意义和价值。
　　本文对近年来国内外基于无线Mesh网络的TDMA调度算法与网络编码技术进行了归类综述，阐述了无线Mesh网络时延特性研究现状。利用排队论从系统负荷和时隙分配位置对基于TDMA的无线Mesh网络节点时延进行了分析，在此基础上分析了传输跳数和流量分布对无线Mesh网络端到端时延的影响。
　　针对传统时隙分配协议没有考虑时隙分布位置的问题，在分析了不同用于竞争的数据帧长对节点时延的影响的基础上，提出了动态最小帧长均匀时隙分配协议DMFUSAP，利用两跳内主时隙计算本地最小数据帧长，通过主时隙轮换和优先级列表移位，使节点时隙均匀分布。仿真结果表明DMFUSAP协议的7跳传输时延比DP-TDMA协议降低了54.9％；比USAP协议降低了46.5%。
　　考虑到路由与流量分布对无线Mesh网络端到端时延的重要性，在分析了已有协议的情况下，利用网络编码技术，并把编码节点对节点带宽的影响考虑到协议中，提出了低时延编码感知路由协议LDCAR。LDCAR协议在路由发起阶段估算路由路径上的节点时延，能够实时地选择时延较短的路由。仿真结果表明，LDCAR协议的网络平均端到端时延在在请求到达速率为25 session/min时比 DCAR协议低42.3%，比QCAR协议低21.2%。
　　最后，本文在权衡设计指标与设计难度的基础上，选择了本文提出了两种改进协议算法并以 FPGA为平台设计实现节点。本文利用 NIOS处理器设计了基于FPGA的软硬件结合节点系统，能够根据实际网络需求对网络参数进行灵活配置。测试结果表明，数据率为100Kbps时，一跳时延为1.89ms，四跳时延为9.22ms；数据率为300Kbps时，一跳时延为9.31ms，四跳时延为63.52ms。结果表明设计符合项目要求。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的结构安排

第二章 无线Mesh网络时延理论分析

2.1无线Mesh网络概述

2.2基于TDMA的无线Mesh网络节点时延分析

2.3无线Mesh网络端到端时延分析

2.4本章小结

第三章 动态最小帧长均匀时隙分配协议DMFUSAP

3.1传统时隙分配协议的不足

3.2时隙随机分布下不同帧长的时延分析

3.3改进的动态最小帧长均匀时隙分配协议

3.4仿真与性能分析

3.5本章小结

第四章 低时延编码感知路由协议LDCAR

4.1传统网络编码路由的不足

4.2网络编码对编码节点时延的影响分析

4.3改进的低时延编码感知路由LDCAR

4.4仿真与性能分析

4.5本章小结

第五章 基于SoC的无线Mesh节点系统实现与性能分析

5.1节点系统实现方案选择

5.2节点系统总体结构及实现平台选择

5.3节点系统关键模块设计与仿真验证

5.4测试结果与性能分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士期间的研究成果