（通信与信息系统专业论文）无线ad+hoc网络mac协议及相关技术的研究.pdf

北京邮电大学博士论文 摘要 摘要 近年来，无线a dh o e 网络已经成为国内外研究热点，a dh o c 网 络是由无线节点组成的具有任意和临时性网络拓扑的动态分布式的 多跳自组织网络系统，每个节点既是主机，又可以作为路由器转发其 他节点的数据。介质访问控伟1 j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议是 a dh o c 网络协议体系结构中的重要组成部分，主要用于协调节点访问 共享信道，m a c 协议能否高效地利用有限的无线资源对a dh o c 网络 的性能起决定性作用。因此，研究a dh o c 网络的m a c 协议及相关 技术，提高m a c 协议的性能，是具有重要意义的。本论文是在完成 国家自然科学基金项目( 基于m p l s 的a d h o e 无线移动网络关键技术 的研究，项目编号：6 0 3 7 2 1 0 1 ) 的过程中，针对多跳a dh o c 网络m a c 层中的退避算法、多速率机制和调度算法方面进行探讨和研究的一些 成果。 论文的主要内容如下： 第一章绪论，介绍论文研究的背景和意义，对a dh o c 网络的特 点及其m a c 协议的重要性进行了简介，并说明了论文的研究内容和 创新点； 第二章介绍了a dh o e 网络的协议体系结构，综述了目前的各种 m a c 协议研究，并详细描述了基于共享信道的i e e e8 0 2 1 lm a c 协 议： 第三章首先提出了一种适用于高等级节点的二进制负指数退避 算法b n e b ，验证了竞争窗口平均值较小的节点信道竞争能力较强的 结论，并根据此结论，针对多跳a dh o c 网络中由于m a c 层竞争导 致的拥塞问题提出了两种具有拥塞控制功能的退避算法r b a b 和 c a b e b ，在节点发生拥塞时调整其分组进入速率和转发速率，能够 提高网络的端到端吞吐量并有效缓解网络拥塞； 第四章总结了a dh o e 网络中现有的典型多速率m a c 协议，针 对多跳a dh o c 网络中可能出现的拥塞问题，基于背靠背连续传输的 方式提出了一种带可变发送窗口的多速率m a c 协议a c c a r ，在利 用高质量信道的同时提高了信道的有效利用率； 北京邮电大学博士论文 摘要 第五章提出了一种机会分组调度算法c b o s ，发送节点采用多播 r t s 的方式同时指向多个接收节点，可以支持可变长分组，提高了 a dh o c 网络的空间重用率，接收节点根据拥塞程度按照一定概率返回 c t s ，有利于节点网络的拥塞控制； 最后一章总结全文，并指出了进一步研究的方向。 关键词 a dh o c 介质访问控制协议退避算法拥塞控制多速率 机会分组调度 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l yt h er e s e a r c ho na dh o cn e t w o r kh a sb e e nah o t s p o t a dh o c n e t w o r ki sad y n a m i cd i s t r i b u t e ds e l f - o r g a n i z e ds y s t e mc o n s i s t i n go f w i r e l e s sn o d e s e a c hn o d ei sn o to n l yah o s t ，b u tar o u t e r m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li s a ni m p o r t a n tp a r ti nt h en e t w o r kp r o t o c o l s t a c ko fa dh o cn e t w o r k a n di ti sm a i n l yu s e dt oc o o r d i n a t en o d e st o a c c e s st h es h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l w h e t h e rm a c p r o t o c o lc a n u t i l i z et h e l i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ep l a y sac r u c i a lr o l ei na dh o cn e t w o r k p e r f o r m a n c e s ot h er e s e a r c ho fm a cp r o t o c o la n dr e l a t e dt e c h n i q u e si n a dh o cn e t w o r k si ss i g n i f i c a n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sp a r to fr e s u l t so f r e s e a r c hi n t ot h ea d a p t i v eb a c k o f ra l g o r i t h m 。m u l t i - r a t em a cp r o t o c o l a n dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mo fa dh o cn e t w o r k s ，w h e nt h ep r o j e c t r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fm o b i l ew i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sb a s e d o nm p l s ”i si np r o g r e s s ，w h i c hs p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f u n d c h i n a ( g r a n tn o 6 0 3 7 2 1 0 1 1 t h em a i ni s s u e so f t h i sp a d e ra r e c h a p t e r 1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e d i s s e r t a t i o n ，b r i e f l yd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f a dh o en e t w o r k s ，a n d s u m m a r i z e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n di n n o v a t i o n c h a p t e r2m a i n l yd i s c u s s e st h ep r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r eo fa dh o c n e t w o r k s c o n c l u d e st h ep r e s e n tr e s e a r c ho nv a r i o u sm a cp r o t o c o l ，a n d d e t a i l e d l yd e s c r i b e st h ei e e e8 0 2 1 1m a cp r o t o c o lw h i c hi sb a s e do n s h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l c h a p t e r3f i r s t l yp r o p o s e s ab i n a r yn e g a t i v e e x p o n e n t i a lb a c k o f f ( b n e b ) a l g o r i t h mw h i c ha p p l i e sf o rh i g h - l e v e ln o d e ，v a l i d a t et h a tt h e n o d ew i t hs m a l l e ra v e r a g ec o n t e n t i o nw i n d o wh a sh i g h e rc h a n n e l c o n t e n d i n ga b i l i t y a n db a s e do nt h i s ，t w oa d a p t i v eb a c k o f fa l g o r i t h m s r b a ba n dc a b e ba r ep r o p o s e d ，w h i c hc a l la d j u s tt h ep a c k e tr e c e i v i n g a n df o r w a r d i n gr a t eo ft h ec o n g e s t e dn o d ew h e nc o n g e s t i o no c c u r sa n d c a ne f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h en e t w o r kc o n g e s t i o n c h a p t e r4s u m m a r i z e st h er e s e a r c h a b o u tt h ep r e s e n tm u l t i - r a t e v 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t m a cp r o t o c o l s a c c o r d i n gt ot h ec o n g e s t i o np r o b l e mi nm u l t i h o pa dh o c n e t w o r k s ，an e wm u l t i - r a t em a cp r o t o c o la c c - a rw i t hd y n a m i c t r a n s m i t t i n gw i n d o wi sp r o p o s e d ，w h i c hu s e sb a c k - t o - b a c kt r a n s m i s s i o n t os e n ds e v e r a ls u c c e s s i v e d a t af r a m e s a c c a rp r o t o c o ln o to n l y u t i l i z e st h eh i g hq u a l i t yc h a n n e lb u ta l s oi m p r o v e st h ew i r e l e s sc h a n n e l u t i l i z a t i o nr a t i o c h a p t e r5p r o p o s e sa no p p o r t u n i s t i cp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m c b o s t h es e n d e rs e n d sm u l t i c a s tr t sf r a m et a r g e t i n gs e r v a lr e c e i v e r s s i m u l t a n e o u s l y , a n dt h er e c e i v e r sr e s p o n dc t sa c c o r d i n gt oap r o b a b i l i t y b a s e do nc o n g e s t i o n1 e v e l i ti m p r o v e st h es p a t i a lr e u s er a t i oo fa dh o c n e t w o r k sa n dh e l p st ot h ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 f i n a l l y , s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o na n dp o i n t so u t t h ed i r e c t i o n sf o r f u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：a dh o c ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，b a c k o f fa l g o r i t h m ， c o n g e s t i o nc o n t r o l ，m u l t i r a t e ，o p p o r t u n i s t i cp a c k e ts c h e d u l i n g 北京邮电大学博1 论文 缩略词 英文缩写 a a r a c c a r a i f s a o d v a r f b e b b e r b n e b c a b e b c b o s c c h c d m a c s m a c s m l a c t s c w d b t m a d c f d c h d i f s d p c d s d v d s r d s s s e b a e d c f e s b 姚 眦 f c r f d m a f e r f i f o g l o m o s i m h o l h r m a m s s 缩略词 英文全称 a d a p t i v e a u t or a t e a d a p t i v ec o n g e s t i o nc o n t r o l - a u t or a t e r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c e a d h o co nd e m a n d d i s t a n c ev e c t o r 勘u t i n g a u t or a t ef d l l b a c k b i n a r y e x p o n e n t i a lb a e k o f f b i t e r r o r r a t i o b i n a r y n e g a t i v e e x p o n e n t i a l b a c k o f f c o n g e s t i o na d a p t i v eb i n a r ye x p o n e n t i a l b a c k o f f c o n g e s t i o nb a s e do p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g c o n t r o lc h a n n e l c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s c a r r i e rs e r em u l t i p l e a c c e s s c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e c l e a r 勋s e n d c o n t e n t i o nw i n d o w d u a l b u s yt o n e m u l t i p l e a c c e s s d 捃t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d a t ac h a r m e l d c fi m e r f r a m es p a c e d y n a m i cp r i v a t ec h a n n e l d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e d d i s t a n c e - v e c t o r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g d l f n e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c o u m 点h ，耖b a c k o f f a n n o u n c e m e n t e n h a n c e dd c f e x t e n d e d i n t e r f r a m es p a c e f l o o r a c q u i s i t i o nm u l t i p l e a c c e s s e 勰a u t or a t e f a s tc o l l i s i o nr e s o l u t i o n f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t t p l e a c c e s s f r a m e e r r o r 肋砌 凡f t i nf i r s to u t g l o b a l m o b i l e i n f o r m a t i o ns y s t e ms i m u l a t o r h e a do f l i n c h o p - r e s e r v a t i o nm u l t i p l e a c c e s s i n d e p e n d e n c yb a s es e r v i c es e t 9 7 一 中文 自适应自动速率 带自适应拥塞控制的自动速率 仲裁帧间间隔 a d h o e 按需距离向量路由 自动速率回馈 二二进制指数退避 误比特率 二进制负指数退避 拥塞自适应二进制指数退避 基于拥塞的机会调度 控制信道 码分多址 载波监听多址接入 带冲突避免的载波监听多址接 入 清除发送 竞争窗口 双忙音多址接入 分布式协调功能 数据信道 d c f 帧间闻隔 动态私有信道 目的序列距离矢量路由协议 动态源路由 直接序列扩频 早期退避通告 增强的d c f 扩展的帧闻间隔 实地捕获多址接入协议 全自动速率 快速冲突解决 频分多址接入 帧误码率 先入先出 全球移动信息系统仿真平台 队头 跳频预留多址接入 独立的基本服务集 北京邮电大学博 论支 缩略词 i e t f m a c m a c a m a c a b i m a c a w m a d m a n e l m a r c h m i l d m i m l d m r t s m v c s n a v o a r o l s r o s a r o s m a p c f p c m a p l c p p r n e t q o s r b a r r s h r s v p r t c p r t p r t r r t s s s s l a s n r t c p t d m a t o r a u d p 协i x a n w m a n w r p i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s k f o r c e m e d i u m a c c e $ sc o n t r o l m u l t i p l e a c c e s sc o n s h g n a v o i d a n c e m a c a - b yi n v i t a t i o n m u l t i p l ea c c e $ sc o l l i s i o na v o i d a n c ef o r b q r e l e s s m e d i u m a c c e s sd i v e r s 脚 m o b i l e a dh o cn e t w o r k s m e d i a a c c e s s w i t h r e d u c e d h a n d s h a 妇 m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s e 三i n e a rd e c r e a s e m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s em u l a p l i c a t i v el i n e a r d e c r e a s e m u l t i c a s t r t s m o d i f i e dh r t u a lc a r r i e rs e n s i n g n e t w o m a l l o c a t i o nv e c t o r o p p o r t u n i s t i c a u t o r a t e o p t i m i z e d l i n k s t a t e r o u t i n g o p p o r t u n i s t i cp a c k e ts c h e d u l i n ga n da u t o r a l e o p p o r t u n i s t i cp a c k e ts c h e d u l i n ga n dm e d i a a c c e s sc o n t r o l p c i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p o w e r c o n t r o l l e d m u l t i p l e a c c e s s p h y s i c a ll a y e rc o n t r o l p r o t o c o l p a c k e t r a d i o n e t w o r k q u a l i t yo f s e r v i c e r e c e i v e r b a s e d a u t o r a t e r e s e r v a t i o ns u b h e a d e r r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l r e a v t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp m t o c o l r e a ll l m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a d yt or e c e i v e r e q u e s tt os e n d s h o r t i n l e r - f r a m e s p a c e s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t s i g n a lt on o i s er a t i o t r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c o l 刀m e d i r i s i o nm u l n p l e a c c e s $ t e m p o r a l l y - o r d e r e d r o u t i n g a l g o r i t h m u s e r d a t ap a c k e t w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v e a c c e s s 珊r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k b q r e l e s m m e t r o p o 船a r e a n e t w o r k i h r e l e s sr o u t i n g p r o t o c o l 9 5 - i n t e r n e t 工程任务组 介质访问控制 多址接入冲突避免 接收点发起的m a c a 无线多址接入冲突避免 介质访问多样性 移动a d h o e 网络 减少握手的介质访问 乘性增加线性减小 乘性增加乘性线性减小 多播r t s 修改的虚拟载波监听 网络分配矢量 机会自动速率 最优链路状态路由 机会分组调度和自动速率 机会分组调度和介质访问控制 集中式协调功能 功率控制多址接入 物理层控制协议 分组无线电网络 服务质量 基于接收节点的自动速率 预留子首部 资源预留协议 实时传输控制协议 实时传输协议 准备接收 请求发送 短帧间间隔 服务级别协定 信噪比 传输控制协议 时分复用 临时按序路由算法 用户数据报协议 全球微波接入互通技术 无线局域网 无线城域网 无线路由协议 北京邮电大学博士论文声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：重逢丝日期：盖虫2 ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盈盘丝吼 导师签名：王垂日期：导师签名： 翌 日期： 司2 ) 北京邮电大学博l 论文第1 章绪论 第1 章绪论 【摘要】本章首先简单介绍了a dh o c 网络的起源、优点、研究热点以及a dh o c 网络m a c 协议的研究意义，然后介绍了论文的主要研究内容，逐一列举了论文研 究的创新点，最后阐述了论文的组织结构，介绍了各章节的主要内容。 1 1 课题研究背景及意义 随着无线通信技术的飞速发展，它在人们日常生活中愈来愈广泛地得到应用， 为人们提供了诸如移动计算和移动通信等各种服务。当前通信和计算机领域的研 究热点包括无线移动a dh o c 网络技术、3 g 移动通信技术、未来4 g 移动通信技术、 w l a n 技术、w m a n 技术、移动i p 技术等，在不久的将来这些技术将在人们生 活中扮演重要的角色。其中无线移动a d h o e 网络( 又称为无线自组织网络) 是近 年来发展最快的技术之一，a dh o c 网络是由无线移动节点组成的具有任意和临时 性网络拓扑的动态分布式的多跳自组织网络系统，每个节点既是主机，又可以作 为路由器。目前它的很多研究思路( 诸如多跳通信等) 也逐渐渗透到其他技术的 研究中，如3 g 、传感器网络、w i m a x 等。 a dh o c 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 网络和1 9 7 3 年d a r p a 开 始的分组无线电网络( p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p r n e t ) 研究计划【1 】【2 】 3 】。1 9 9 3 年 d a r p a 启动了可生存无线通信网络计划( s u r v i v a b l er a d i on e t w o r k s ，s u p , a n ) 【4 1 。 s u r a n 采用更加先进的无线电通信技术和微处理器技术，对无线通信设备作了 极大的改进，使其体积减小、价格低廉且耗电低。i e e e 在开发i e e e 8 0 2 1 1 标准【5 】 时，将分组无线电网络改称为a d h o e 网络。a d h o e 来源于拉丁语，字面上的意思 是“为特定目的或场合的”或“仅为这种情况的”。i e e e 希望a dh o c 网络成为 为特定目的而临时组建并短期存在的网络。随着人们对无线a dh o e 网络的研究兴 趣的增长，到2 0 世纪9 0 年代，一些标准化组织开始探讨无线a dh o c 网络的相关 标准，i e t f 正式成立了移动a dh o c 网络( m o b i l e a dh o cn e t w o r k ，m a n e t ) 工作 组，专门负责具有多个节点的移动a dh o c 网络的路由算法的研究和开发，并制定 相应的标准。到2 0 世纪9 0 年代中后期，形成了一些物理层、m a c 层和网络层的 标准及草案，如i e e e8 0 2 1 1 系列标准【6 】【7 】f 8 1 、h i p e r l a n l 9 1 、b l u e t o o t h 10 1 。目前 i e t f 已经提出a dh o c 网络的系列路由标准( 1 l 】【1 2 】【1 3 1 及草案f 1 5 】【1 6 j f l 7 】1 1 8 l ，这些标 准和草案正在进一步发展和完善。 北京邮电k 学博卜沦文第1 章绪论 a dh o c 网络是一种无中心的没有基础设施支持的网络( i n f f a s t r u c t u r e l e s s n e t w o r k s ) ，其网络结构与传统的蜂窝无线网络、卫星通信网络不同，它具备以下 优点【1 9 】： 1 ) 网络自主性，可以在任何时刻、任何地点组建网络，不需要现有的基础网 络设施； 2 ) 临时性，网络可以快速构建和撤除； 3 ) 动态网络拓扑，在a d h o c 网络中，任意网络节点的临时加入退出和随意 移动，这将导致节点之间的链路增加或消失，节点之间的关系不断发生变化，由 于节点既是主机又是路由器，因此使得网络拓扑结构不断发生变化； 4 ) 多跳通信，不在彼此覆盖范围内的无线节点之间的通信可以通过中间节点 的转发来完成。 因此，a dh o c 网络可以广泛应用于军事领域、紧急搜救、l 临时会议会场、无 线家庭网络和传感器网络等。然而，在无线a dh o e 网络也存在带宽有限、节点电 池能量有限、安全性有限等问题【2 0 】，使得无线a d h o e 网络的许多问题具有很强的 挑战性，如m a c 机制，q o s 问题，安全问题等，很多方面还没有完整的解决方 案。目前，许多国内外大学及研究机构正在进行a d h o c 网络关键技术的研究，主 要包括以下几个方面： 1 1a dh o e 网络的q o s 体系结构，包括q o s 模型、q o s 资源预留信令、q o s 路由和支持q o s 的m a c 协议等方面； 2 ) m a c 机制，无线a dh o e 网络分布式的特点希望相应的m a c 机制分布实 施，有效解决无线a dh o c 网络的隐藏终端和暴露终端问题【2 1 】【2 2 】，并能充 分利用无线信道的带宽资源。同时，为了使整个无线a dh o e 网络提供服 务质量保证，要求m a c 机制具有业务区分和或资源预留能力； 3 、路由协议，a dh o c 网络中的路由选择问题比传统网络更加富有挑战性， 主要有以下三个方面的原因；第一，传统的路由选择协议都是假定网络拓 扑结构是相对稳定的，而移动a dh o c 网络的拓扑是不断变化的；第二， 传统的路由选择方案依赖于保存在某些网络节点或特定管理节点中的分 布式路由数据库，而对于a dh o c 网络，节点不可能永久存储路由信息， 而且它们存储的信息也并不是一直真实可靠；第三，a dh o c 网络路由协 议的设计需要综合考虑控制业务流开销、路由选择延迟、路由优化和能量 节省特性等多个方面，因而较为复杂。目前，一般普遍得到认可的代表性 成果有d s d v 、w r p 、a o d v 、d s r 、o l s r 、t o r a 和z r p 等。目前，路由协议 北京邮电人学博十论文 第l 章绪论 的研究仍然是a dh o c 网络成果最集中的部分。不过，从实现的难度来看， 这些协议离适用性还有一定的距离，有待进一步研究； 4 ) 无线t c p ，鉴于t c p i p 己经成为事实上的i n t e r n e t 标准协议栈，作为 i n t e r n e t 扩展的a dh o e 网络也必将采用之。因此分析t c p 在a dh o e 网络 中的性能，研究如何使其适应a dh o e 网络环境就显得尤为重要。由于无 线链路的突发差错、信道的时变性、节点的移动以及频繁切换而引起的突 发性分组丢失会降低t c p 的性能。这是因为a d h o e 网络中的分组丢失主 要由无线差错和节点移动性引起的，而传统的t c p 将所有的分组丢失都 看作网络拥塞，而重传丢失分组和启动拥塞控制机制来进行网络恢复，这 就无谓地降低了网络的吞吐量。因此在a dh o c 网络中不能直接采用传统 的t c p 协议，必须采取有效的措施来区分分组丢失是由于网络拥塞还是 由于无线链路差错或移动切换引起的，并采用相应的快速恢复机制： 5 ) 网络安全，同有线网络相比，解决无线a dh o c 网络存在安全问题面临许 多新的困难，首先，由于信息以无线方式传输，因此，信息偷听、欺骗和 篡改更容易。其次，由于无线a dh o e 网络无固定通信设施、无中心，节 点间的关系对等且动态变化，这使得传统的基于身份认证和在线服务器的 安全方案难以实现。最后，新的路由协议的引入也会带来新的安全问题； 6 ) 功率控制，功率控制一直是无线网络中比较难以解决的问题，在a dh o e 网络中更是如此。在这类网络中主要考虑两方面的问题：第一，为了使网 络吞吐量最大，必须按照一定的方案调整移动节点的功率，在传输范围和 干扰之间进行折中。功率越小，干扰越小，但传输范围也越小；功率越大， 传输范围越大，但带来的干扰也就越大。第二，既然移动节点通常都是以 电池为能源的，那么减少它们的电池消耗是非常重要的。功率控制的研究 在网络分层结构上来说可以分为网络层功率控制、链路层功率控制和混合 功率控制【2 3 】 2 4 1 1 2 5 1 。 在无线a dh o e 网络中，无线介质由多节点共享，控制节点对介质的访问是 m a c 协议需要解决的问题。m a c 协议是a dh o e 网络协议中重要的组成部分，它 既要对无线信道进行信道划分、分配和能量控制，又要负责向网络提供统一的服 务，屏蔽底层不同的信道控制方法，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、确 认、差错控制和流量控制等。m a c 协议是分组在无线信道上发送和接收的直接控 制者，它直接影响到网络的吞吐量和时延，而且还会影响无线信道的利用率和上 层协议的性能( 如t c p 的性能【2 7 l 、路由协议的性能等) 。因此，研究无线a dh o e 网络的m a c 机制具有重要的意义。 北京邮电大学博士论文 第1 章绪论 无线a d h o c 网络无中心的特点要求m a c 机制不能依赖于某固定节点，因此， 集中式的m a c 机制不适合无线a dh o c 网络，无线a dh o c 网络的m a c 机制必须 分布式实施。然而，无线a d h o c 网络的固有特点( 分布式调度、动态拓扑、多跳、 共享信道、隐藏终端和暴露终端问题、信道带宽具有空间可重用性【2 8 】等) 使得设 计高效的m a c 机制具有很强的挑战性，尤其是既能充分利用无线信道的带宽资 源同时又能使竞争无线信道的节点公平共享无线信道的m a c 机制，以及提供服 务质量保证的m a c 机制。 同无线a dh o c 网络的路由协议相比，人们对无线a dh o c 网络的m a c 机制的 研究相对较少，只是到近几年，随着无线局域网m a c 标准的制定以及无线a dh o c 网络支持q o s 的需要，人们才进一步意识到无线a dh o c 网络m a c 机制的重要， 并投入更多的研究精力。 1 2 论文研究对象及创新点 本论文主要研究了适用于多跳a d h o c 网络的m a c 协议及相关技术，着重于 提高无线共享信道的利用率，可以归纳为以下三个方面的内容：i ) a dh o c 网络 自适应退避算法的研究；2 ) a dh o c 网络多速率m a c 协议研究；3 ) a d h o c 网络 分组调度算法的研究。 本论文创新点如下： 1 ) 提出了一种二进制负指数退避算法b n e b ： 该算法可应用于a d h o c 网络中高等级的节点。在传输发生碰撞时，高等 级节点的竞争窗口随退避次数的增加呈二进制负指数规律减小，其最大竞争 窗口为普通等级节点的最小竞争窗口，这样保证了高等级节点的平均竞争窗 口在整个网络中保持最小。该算法能够提高高等级节点的吞吐量，验证了平 均竞争窗口小的节点信道竞争能力强的结论。 2 )提出了一种基于接收节点控制的退避算法r b a b ： 该算法的主要思想是节点在其下一跳节点发生拥塞时，分组发送成功后 竞争窗口并不降低到最小值，而是根据下一跳节点的拥塞程度缓慢变化，使 得拥塞节点的上一跳节点的平均竞争窗口增大，从而减小向拥塞节点发送分 组的速率。该算法能够调整拥塞节点的分组进入和转发速率，避免节点拥塞， 提高了多跳a dh o c 网络的端到端吞吐量和无线信道的有效利用率。 3 ) 提出了一种拥塞自适应退避算法c a b e b ： 北京邮i 乜人学博士论文第1 章绪论 该算法的主要思想是节点在其下一跳节点发生拥塞时，分组发送成功后 增加竞争窗口的最小值，使得拥塞节点的上一跳节点的平均竞争窗口增大， 从而减小向拥塞节点发送分组的速率。该算法能够调整拥塞节点的分组进入 和转发速率，提高了多跳a d h o c 网络的端到端吞吐量和无线信道的有效利用 率。 4 ) 提出了一种带动态可变发送窗口的多速率m a c 协议a c c a r ： 该协议在多速率m a c 协议中，使用了背靠背传输的方式一次连续传输多 个数据帧，连续传输的帧数量由发送窗口决定，而发送窗口可以根据接收节 点的拥塞程度改变。该协议可以工作在任意采用连续传输方式的多速率m a c 协议之上，能够在充分利用信道质量的同时提高信道的有效利用率，显著提 高了多跳a d h o c 网络的饱和吞吐量。 5 ) 提出了一种基于拥塞的机会调度算法c b o s ： 针对a dh o e 网络中节点的队头阻塞( h e a d o f - l i n eb l o c k i n g ，h o l ) 问题以 及节点拥塞问题，提出了一种新的简单有效的节点内部队列调度算法c b o s 。 该算法在r t s 中加入了多个目标节点，接收节点根据其拥塞程度按一定概率 回复c t s ，在调度时使用了一种简单的环形数据结构进行轮询调度。结果显 示，该算法能够显著提高信道利用率，并且有较好的公平性。 1 3 论文的组织结构 本文共分6 个章节，第1 章为绪论介绍作者研究的背景及论文基本情况，其 余章节主要内容如下所述： 第2 章对a d h o e 网络的m a c 协议进行了概述，并着重介绍了当前应用广泛 的i e e e8 0 2 1 1m a c 协议。 第3 章首先分析了多跳a d h o e 网络中出现的拥塞问题，并提出了一种简单的 用于高等级节点的退避算法，验证了平均竞争窗口小的节点信道竞争能力强的结 论。然后根据这个结论提出了两种拥塞自适应的退避算法r b a b 和c a b e b ，使 拥塞节点上一跳的竞争窗口增大，从而使得拥塞节点的退避窗口相对较小。本章 详细说明了算法的工作过程，并通过仿真实验将两种算法与i e e e8 0 2 11d c f 中 的b e b 退避算法进行了对比分析。 第4 章提出了一种基于拥塞的机会调度算法c b o s 来解决节点内部的队头拥 塞问题和拥塞导致的信道利用效率问题，具体描述了调度框架及算法的各个部分 北京邮电人学博：l 论文第1 章绪论 的工作过程，并通过仿真对c b o s 与传统的i e e e8 0 2 1 1 进行了性能对比。 第5 章主要介绍了a d h o c 网络的多速率m a c 协议，分析了现有多速率m a c 协议在多跳a dh o c 网络中可能出现的问题，提出了一种适用于多跳a dh o c 网络 的多速率m a c 协议a c c a r ，描述了动态窗口机制和协议的具体工作过程，并 将该协议与经典的多速率m a c 协议进行了仿真比较和分析。 最后，对整个论文进行总结，并指出进一步的研究方向。 1 4 本章参考文献 1 】j o h n j u b i na n dj a n e td t o m o w t h ed a r p ap a c k e tr a d i on e t w o r k p r o t o c o l s p r o c e e d i n g so f t h ei e e e ，7 5 ( 1 ) ：2 1 - 3 2 ，j a n u a r y1 9 8 7 【2 】j m m c q u i l l a n ，i r i c h e r , a n de c r o s e n t h en e wr o u t i n ga l g o r i t h mf o r a r p a n e ti e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o n s ，2 8 ( 5 ) ：7 1 1 - 7 1 9 ，1 9 8 0 3 】n a s o k a n p g i n z b o o r g k e ya g r e e m e n ti