自组织网络时分多址协议的NS-3实现与性能分析

摘要

在目前广泛应用的无线通信网络中，其信道访问机制多采用CSMA/CA机制。实测实验表明，当工作于同一个频点上的节点数量达到数十个节点时，CSMA/CA机制下信道访问的冲突概率会显著增加。过高的冲突概率难以保障信道访问的实时性，从而难以满足军事通信、应急通信等应用场景中的实时性和可靠性要求。同时，在多用户情况下，冲突概率的增加也会导致信道访问延时增加和节点吞吐率的下降，导致CSMA/CA机制在多用户情况下的性能损失严重。
　　为了解决Ad Hoc网络节点容量不足，信道访问延时不确定和冲突概率较大的问题，本文以STDMA协议为基础，对Ad Hoc网络时分多址协议进行了研究与实验评估，本文工作的主要内容包括以下几个方面：
　　首先，本文介绍了Ad Hoc网络MAC层协议的基本分类及其特点，分析了CSMA/CA协议的基本访问机制及在多用户情况下存在的主要问题。其次，本文以军事Ad Hoc网络为应用背景，深入分析了自动识别系统中广泛应用的STDMA协议，对STDMA进行了改进以求适应战术TDMA网络，称改进后的STDMA为PTDMA，并在NS-3中实现了PTDMA协议。为了对MAC层和物理层实验数据进行统计，本文还设计并且实现了一个统计模块EasyMonitor。最后，本文在NS-3中对PTDMA协议进行了相关的仿真与研究，并与CSMA/CA协议进行了对比实验，分别对网络容量、冲突概率、信道访问延时、系统有效吞吐等性能指标进行了研究与分析。实验结果表明，当网络中节点数较多，PTDMA相比于CSMA/CA协议来说，拥有更大的网络节点容量、更低的信道冲突概率、更小的信道访问延时和更稳定的吞吐速率，由此得出结论：PTDMA更加适合多用户情况下的Ad Hoc网络。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 Ad Hoc网络MAC层协议现状

1．3 STDMA和CSMA的研究现状

1．4 论文创新点及框架结构

第二章 Ad Hoc网络MAC层协议

2．1 MAC子层功能

2．2 IEEE 802．11 MAC层协议

2．2．1 CSMA／CA协议

2．2．2 CSMA／CA存在的问题

2．3 本章小结

第三章 STDMA协议及其改进

3．1 自动识别系统中的STDMA

3．1．1 STDMA协议工作流程

3．1．2 STDMA协议时隙规划

3．1．3 STDMA协议时隙复用机制

3．1．4 STDMA协议时隙预约算法

3．1．5 STDMA协议系统参数

3．2 STDMA的改进

3．2．1 PTDMA协议系统参数

3．2．2 PTDMA协议消息格式

3．2．3 PTDMA协议汇报率调整策略

3．2．4 PTDMA协议隐藏节点问题

3．3 本章小结

第四章 PTDMA在NS-3下的实现与仿真

4．1 网络仿真工具

4．1．1 NS-3概述

4．1．2 NS-3中数据发送与接收流程

4．1．3 NS-3仿真基本流程

4．2 PTDMA在NS-3中的实现

4．2．1 PTDMA协议模块结构设计

4．2．2 PTDMA协议类及接口的定义与实现

4．2．3 PTDMA协议数据发送控制流程

4．2．4 PTDMA协议数据接收控制流程

4．2．5 PTDMA协议跟踪源及属性配置

4．3 EasyMonitor模块的实现

4．3．1 EasyMonitor结构设计

4．3．2 EasyMonitor模块的实现

4．4 本章小结

第五章 协议性能评估与实验结果分析

5．1 环境搭建

5．1．1 实验环境搭建

5．1．2 网络场景

5．1．3 节点模型

5．2 系统参数

5．3 性能评估与实验结果分析

5．3．1 网络容量分析

5．3．2 冲突概率分析

5．3．3 信道访问延时分析

5．3．4 节点吞吐速率分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况