Ad hoc网络无载波感知的功率控制MAC协议的研究及退避算法的改进

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 885.04KB 71 页 15积分
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目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 Ad hoc 网络概论 ........................................... 1
§1.1.1 Ad hoc 网络简介 ......................................1
§1.1.2 Ad hoc 网络的特点 ....................................2
§1.1.3 Ad hoc 网络的应用 ....................................4
§1.1.4 Ad hoc 网络的关键技术 ............................... 5
§1.2 MAC 协议研究的背景 ........................................ 7
§1.3 论文的主要工作 ............................................ 8
第二章 Ad hoc 网络的 MAC 协议介绍 ................................... 9
§2.1 Ad hoc 网络的体系结构 ..................................... 9
§2.1.1 Ad hoc 网络的拓扑结构 ................................9
§2.1.2 Ad hoc 网络的协议栈结构 .............................10
§2.2 MAC 协议解决的主要问题 ................................... 12
§2.2.1 MAC 层协议需要解决的无线接收问题 ....................12
§2.2.2 几种不同的信道共享方式 ..............................12
§2.2.3 隐藏终端问题 ........................................13
§2.2.4 暴露终端问题 ....................................... 15
§2.2.5 移动节点的影响 ..................................... 16
§2.3 Ad hoc 网络的 MAC 协议分类 ................................ 16
§2.4 Ad hoc 网络几种 MAC 协议的简述 ............................ 17
§2.4.1 多址接入冲突避免协议 MACA ...........................17
§2.4.2 无线多址接入冲突避免协议 MACAW ......................18
§2.4.3 采用功率控制的多信道协议 DCA-PC .....................19
§2.4.3.1 信道模型 ...................................... 19
§2.4.3.2 完整的协议过程 ................................ 20
第三章 自组网中的节能协议 ......................................... 23
§3.1 能量消耗源和节能协议 .....................................23
§3.2 Ad hoc 网络中的节能协议 .................................. 25
§3.2.1 MAC 层的节能协议 ....................................25
§3.2.1.1 功率控制协议 ..................................25
§3.2.1.2 动态关闭无线接口协议 ..........................26
§3.2.2 2.5 层的节能机制 ....................................32
§3.2.3 网络层的节能协议 ................................... 34
第四章 无载波感知的自组网功率控制节能协议 ......................... 37
§4.1 一种支持功率控制的无线自组网节能 MAC 协议 .................37
§4.2.1 概述 ............................................... 37
§4.2.2 几个相关的自组网异步 MAC 协议 ....................... 37
§4.2 协议的具体实现过程 .......................................39
§4.2.1 信道分配策略的确定 ................................. 39
§4.2.2 ACK 报文的处理 ......................................40
§4.2.3 实现无载波感知的功率控制 ........................... 40
§4.2.4 实时数据传输的实现 ..................................42
第五章 Ad hoc 网络中 IEEE802.11MAC 协议退避算法的改进 .............. 44
§5.1 BEB 算法 ................................................. 44
§5.2 MILD 算法 ................................................ 46
§5.3 MIMLD 算法 ............................................... 47
§5.4 基于 MIMLD 的改进型算法 EMIMLD ............................ 48
§5.5 本章小结 .................................................51
第六章 基于 Opnet 的网络仿真及结果分析 ............................. 52
§6.1 无线局域网仿真技术简介 ...................................52
§6.2 Opnet 仿真平台的介绍 ..................................... 52
§6.2.1 Opnet 的用途 ........................................52
§6.2.2 Opnet 的建模机制 ....................................53
§6.2.3 Opnet 模拟机制 ......................................54
§6.3 对新算法 EMIMLD 的仿真 ....................................55
§6.3.1 基于 EMIMLD 算法的 MAC 层仿真建模分析 ................ 55
§6.3.2 基于 EMIMLD 算法的仿真结果分析 ...................... 57
§6.3.3 新算法 EMIMLD 的不足之处 .............................59
§6.4 新改进的无载波感知 MAC 协议的仿真结果分析是 ...............60
第七章 总结展望 ................................................... 62
参考文献 .......................................................... 64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 67
致谢 .............................................................. 68
摘要
移动 Ad hoc 网络是由一组移动节点（带有多个终端的路由器、移动通讯设
备等）成的一个多跳的、临时性的自治系统。在军事、法律执行、灾害营救方面
具有泛的应用前景。近年来 Ad hoc 网络日益成为一个非常活跃的研究领域。
无线自组网的介质访问控制（MAC）协议是与物理层密切相关的，大多数
MAC 协议都要求物理层具备载波感知能力。但在一些以小型手持设备为终端的
自组网应用系统中物理层无法提供载波感知。MACA 协议提供了无需载波感知
的能力，MACAW 协议对 MACA 协议进行了改进，比较好的解决了隐藏终端和
暴露终端的问题。DCA-PC 协议结合了多信道策略和能量分级控制功能。为此，
在MACA、MACAW 以及 DCA-PC 的基础上，提出了一种不需要载波感知的支
持功率控制的自组网多信道 MAC 协议，通过调整发射功率实现节能，并在一定
程度上支持实时传输。
之后文章对 Ad hoc 网中的 MAC 协议 MACA 使用的退避算法 BEB，
MACAW
协议使用的退避算法 MILD 和MIMLD 进行了研究。本文研究的 Ad hoc 网络 MAC
层采用 IEEE802.11 作为其标准。DCF 是802.11MAC 协议的基本媒体访问方法，
采用了二进制指数退避算法（BEB）。该机制有利于提高网络吞吐量，但是会引
起不同节点之间的不公平性。MILD 算法以及 MIMLD 算法在不同的方面改善了
网络的性能，提高了接入的公平性。但是在提高系统的吞吐率上还有待改善。为
此，论文中提出了一种新的公平媒体访问方法（EMIMLD），加入了平均窗口
E[CW]的概念，通过动态调整时间间隔和窗口大小，减轻了 IEEE802.11 中遇到
的问题。很大的提高了系统的吞吐率，改善了网络的公平性。
为验证提出的算法，我们分析了 Opnet 仿真模拟系统中 MAC 层的实现，研
究了 BEB 算法的实现过程，并用改进算法替代了 BEB 算法。并对这两个算法的
公平性和网络吞吐量分别进行了对比。仿真模拟结果表明提出的算法对提高 Ad
hoc 网络的吞吐量和降低接入平均时延有明显的效果，具有很好的应用潜力。
关键词：Ad hoc 网络 MAC 无载波感知 功率分级 实时传输 退
避算法 公平性 Opnet
ABSTRACT
Wireless Ad hoc network is a multi-hop and temporally self-rule system
composed by a group of mobile nodes such as router with many terminals and mobile
communication equipments. It can be used in many environments, for example,
military, law executing, and disaster rescuing fields. Ad hoc has increasingly become
a very active research field in recent years.
The media access control (MAC) protocol of mobile Ad hoc networks (MANETs)
is closely-related with its physics layer; most MAC protocols request the capability of
carrier sense in physical layer. But the physics layer of some small hand-hold
equipments can not provide carrier sense.
MACA can provide carrier sense. MACAW makes some improvements based on
MACA and has a better solution to the problems caused by hidden or exposure
terminal.DCA-PC combines with multi-channel strategy and energy control by levels.
Based on MACA、MACAW and DCA-PC, a multi-channel MAC protocol with
radio power control for MANETs is put forward, which can economize energy by
adjusting radio power, and real-time traffic delivery is supported.
Then article studied the backoff algorithm BEB 、MILD and MIMLD.BEB is
used in MACA.MILD and MIMLD is used in MACAW in Ad hoc networks. In this
paper we research on IEEE 802.11 which adopted as a standard of MAC level in Ad
hoc network. At the basis of any access to the channel in IEEE 802.11 is the so-called
distributed coordination function (DCF) which adopted BEB algorithm.DCF has an
advantage in increasing the network throughput, but it can bring unfair among
different nodes. MILD and MIMLD improve the network in different parts, and
improve the fair channel access. But the throughput of the network should be
improved. So we bring forward a new backoff algorithm(EMIMLD),insert an new
concept which named Average Contention Window(E[CW]).This algorithm aims to
achieve fair channel without knowledge of the topology, self adapting to changes in
the traffic load as well as topological changes in the network. Through adjust time
interval and window size, decrease the issue encounted in IEEE 802.11.
To validate the algoritm, we analyze the implementation of MAC layer in Opnet
simulation system and pay more attention to the implementation of BEB algorithm.
We change BEB algorithm with improved algorithm, simulate the two algorithms
respectively and implement the simulation work. Based on the simulation results, we
analyze and compare two performance parameters of network, fairness index and
throughput. The analysis presents that this algorithm improves the throughput and
decrease the delay in Ad hoc network. And maybe this algorithm has more
implements in future.
Key words：Ad hoc Network, Medium Access Control, No Carrier
Sense, Energy Classification, Real-Time Transfer, Backoff Algorithm,
Equitableness, Opnet
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 Ad hoc 网络概论
§1.1.1 Ad hoc 网络简介
随着社会、经济的发展，人们对移动通信的要求越来越高。笔记本电脑和无
线通信工具如无线局域网无线调制解调器等发展，人们对高速率、低价格通信的
要求增加，刺激了移动计算的发展。
两个移动通信终端之间的通信可以有两种实现方法。一种是让现有的蜂窝移
动通信系统同时承载数据和语音业务。这种方法存在的问题是，一方面，在发生
越区切换时会带来难以忍受的传输延时和数据包丢失，另一方面，蜂窝系统存在
必须由固定网络设施支持，例如基站等不可移动的设备。另一种实现移动通信的
方法就是移动设备组成 Ad hoc 网络。
Ad hoc 的英文原意是“特别的，特定的”，Ad hoc 网络是建立在特定场合的
无线网络，由路由器(Router)和主机(Host)组成，这些节点可以任意移动位置，因
此网络的拓扑结构是任意而不可预测的。它以一种孤立(Standalone)的方式工作或
者接入到 Internet。它区别于现有无线网络的最显著特点是自治、多跳。自治是
说在 Ad hoc 网络中无中心管理节点，譬如基站，所有节点都处于对等的地位。
所有管理功能如资源分配，路由管理等等由所有节点协调分担。多跳是指 Ad hoc
网络的通信距离要远大于有效无线连接距离，即需要转发和路由。
Ad hoc 网络的应用场合非常广泛，早期应用于军队、警察、救护等系统中，
这些场合情况紧急，时常伴有灾难和危险。1972 年，美国 DARRA(Defense
Advanced Research Project Agency)就启动了分组无线网(PRNET,Packet Radio 境
下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA 又在 1993 年启动了高残存性自
适应网络(SURAN, Survivable Adaptive Network)项目，研究如何将 PRNET 的成
果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快 速变化环境下
的自适应网络协议。1944 年，DARPA 又启动了全球移动信息系统(GIoMo,Globle
Mobile Information Systems)项目。在分组无线网己有成果的基础上对能够满足军
事应用需要的、可快速铺设、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并
一直持续至今。
随着信息化和数字化的发展，家庭、教室、会议室等场合，Ad hoc 无线网
Ad_Hoc 网络无载波感知的功率控制 MAC 协议的研究及退避算法的改进
2
络也有着广阔的应用前景。随着 Internet 的发展，未来通信的格局己经呈现，有
线网络将成为通信网的骨干，而各种无线技术，比如 802.11, Bluetooth,HyperLAN
等技术，一方面，实现各种数字设备资源共享，另一方面，提供快速的、无缝的
Internet 接入，实现任何时间、任何地点的通信。这些已有的无线技术在一定程
度和意义上提供了“Ad hoc”联网的功能，譬如基于 IEEE802.11 的WaveLan 在
没有接入点 AP(Access Point)时也可以工作，但它并不能支持高速移动和自动随
时连接。Ad hoc 网络就是要克服这些缺点，提供一种架在空气中的自我配置的
服务。
§1.1.2 Ad hoc 网络的特点
与其他通信网络相比，自组网具有以下特点。
(1) 网络的自组性
自组网相对常规通信网络而一言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地
点不需要现有信息基础网络设施(包括有线和无线网络)的支持，快速构建起一个
移动通信网络。这也是个人通信的一种体现形式。
(2) 动态变化的网络拓扑结构
网络的拓扑结构是指从网络层角度来看，物理网络的逻辑视图。自组网中，
移动用户终端可以以任意速度和任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功
率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合因素的影响，移动终端间通
过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是
不可预测的，具体的体现就是拓扑结构中代表移动终端顶点的增加或消失，代表
无线信道的有向边的增加和消失，网络拓扑结构的分割和合并等等。.而对于常
规网络而言，网络拓扑结构则表现较为稳定。
(3) 有限的无线传输带宽
由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而出于无线信道本身的物
理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此之外，考虑到竞争
共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素，移动
终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。
(4) 移动终端的局限性
自组网中，用户终端通常以 PDA,掌上型电脑或手持式电脑为主要形式。相
对于台式机而言，在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例
如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源、内存较小、CPU 性能较低等，给自组网
环境下的应用程序设计开发带来一定的难度。
(5) 分布式控制网络
第一章 绪论
3
自组网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制
点，用户终端之间地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而
具有很强的鲁棒性和抗毁性。在常规通信网络中，存在基站、网控中心或路由器
这样一类的集中控制设备，用户终端与它们所处的地位是不对等的。
(6) 安全性差的网络
自组网是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式
控制等技术和方式，所以更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡
眠”(终端无法进入睡眠模式)、伪造等各种网络攻击。
(7) 网络的可扩展性不强
在目前 Internet 环境下，由于采用了子网(Subnet)等技术，从而使得目前
的 Internet 具有较强的网络可扩展性。但是动态变化的拓扑结构使得具有不同
子网地址的移动终端可能同时处于一个自组网中，因而子网技术所带来的可扩展
性无法应用在自组网环境中。
(8) 存在单向的无线信道
自组网采用无线信道通信，由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单
向无线信道。在常规网络中，节点间通常基于双向的有线或无线信道进行通信。
(9) 生存时间短
自组网通常是由于某个特定原因而临时性创建的，使用结束后，网络环境将
会自动消失。所以自组网的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。
移动自组织网与常规移动通信网络的比较：
(1) 现有网络通信基础设施支持
对于常规移动通信网络，比如 GSM,CDMA 等，现有的网络通信基础设施
是指基站、 基站控制器、接收泼送天线、移动交换机和相关的连接中继线路等
等。这些设施的构建及其正常工作需要耗费相当多的人力和物力，相应的建设周
期也较长。
作为自组网主要应用特点就是，不需要现有通信网络的支持，独立形成通信
环境，网络的构成周期根据底层采用的无线通信技术而有所不同，快的可以在 1
秒内完成，慢的也可以在几个小时内完成。与常规网络相比，要相差几个数量级。
所以网络的快速部署是对自组网的一个重要要求。
(2) 基站支持
采用基站支持，是现有常规移动通信网络采用的普遍方式，对应的通信模式
是用户通信终端与基站交互，用户通信终端之间不能直接通信。这个表象的后面
就是常规通信网络的智能主要集中在移动交换机和基站中，而通信终端更多的是
提供人机接口，通信控制采用了集中控制方式。自组网不需要基站的支持。每个
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论........................................................1§1.1Adhoc网络概论...........................................1§1.1.1Adhoc网络简介......................................1§1.1.2Adhoc网络的特点....................................2§1.1.3Adhoc网络的应用....................................4§1.1.4A...

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作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：71 页 大小：885.04KB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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