（电路与系统专业论文）无线分组网络中MAC层协议的分析与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京邮电大学博士论文 中文摘要 中文摘要 无线分组网络是当今通信业的发展热点。以m e e8 0 2 1 l 协议为基础的a dh o c 网络，无线局域网等网络形式被工程领域和研究领域学者所广泛关注。本文主要研究 无线分组网络中m a c 层协议的分析和设计，并针对a dh o c 网络，无线局域网提出 了一系列新的协议。本文的主要成果为： 1 针对多跳a d h o c 网络，提出了一种联合路由层信息设计的m a c 层协议。该协议 结合了由发送端发起握手( s e n d c r i n i 墩a t e d ) 和由接收端发起握手 ( r e c e i v e r - i 1 1 i t i a t e d ) 两种类型m a c 的优点，通过节点传递路由信息，有效的减少 了握手帧的开销。同时，天线转换时间等网络开销得到有效遏制。仿真表明此 m a c 机制最高可提升1 6 的系统吞吐量。 2 在联合路由层信息设计的m a c 协议基础之上，我们针对车载环境提出一种新的 优先级区分机制。受m e e8 0 2 1 1 协议帧突发机制的启发，本协议在收发节点间 按照最短帧间隙s 琢s ( s h o r t h l t e rf r a m es p a c e ) 进行节点间的帧传递，此操作被 命名为“帧接力”。通过路由层信息和业务优先级，中间节点被人为引入“接力中 断”操作，从而实现优先级区分机制。此机制可与其他q ) s 机制如i e e e8 0 2 1 1 e 进行协作。仿真表明此机制的有效性。 3 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网已经开始支持物理层多速率能力，并由此带来一些性能问 题：如大量小数据包引起信道利用率降低、慢节点的存在使得各种速率节点产生 相同的吞吐量。针对上述问题，我们提出动态帧封装算法( d ”a m i cf r a m e a g g r e g a t i o n ，d f a ) 。此算法重定义了各速率条件下的最大节点帧长度，提出双向 帧封装机制用于非饱和场景和t c p 业务的性能提升，并引入“比例因子”进行上 下行链路的业务协商。通过理论分析和仿真证明，此机制避免了慢节点带来的系 统不规则( p e r f 0 n a i l c ea n o m a l y ) 现象。在各种负载情况下，系统吞吐量得到显 著提升，尤其针对t c p 业务而言，此算法较其他算法有明显的性能改进。 【关键词】m e e8 0 2 ，1 1 ，m m 咂t ，v a n e t w l a n s ，m a c ，q o s ，p e r f o m a l l c e 北京邮电大学博士论文 “b s 打a c t a b s t r a c t w i l ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f 血ew i r c l e s sc o m m u i l i c a t i o ns y s t e 】n s ，s e v e r a ln e 押o r k s b a s e do nm e e8 0 2 1 lm a cp r o t o c o ls u c ha sa dh o c ，w l a n sh a v eb e e no b s e e da n d a n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，w em a i l l l yf o c u so nm a cm e c h a n i s mo fm e e8 0 2 1 1 - b a s e d n e m o r k s s e v e r a lp r o t o c 0 1 sa 1 1 dm a cm e c h a n i s ma r ep r o p o s e da i l n e df o rt h ea dh o c n e 柳o r k s l a l l dw l a n s w eg e tm ef o l l o 嘶n ga c l i e v e m e n t s ： 1 f o c u s e do nm em _ h o pm o b i l ea dh o cn 咖o r k sq 啪t ) ，an o v e lm a cw h i c hi s j o i n tr o u t l a y e ri n f o m a t i o nd e s i 掣l c d i s p i d p o s e d u s i n g s e n s em e c h a n i s mo f l l l l i d i r e c t i o n a la i l t e m a ，r 0 1 工t el a y e ri n f b m 撕o ni st a g g e db yr t s c t sh a n d s h a k e 疗狮e s t h e nah y b r i dm a ci sp r o p o s e dw m c hc a l ls w i t c hb e 帆e e nm es e n d e r - “t i a t e d m a ca n dr e c e i v e r _ i 1 1 i t i a t e dm a c t h i sa p p r o a c hr e d u c e sm e 枷e 蚰a 咖1 一盯0 1 1 1 1 d t i l l l ea 1 1 dh a n d s h a k e 咖s m i s s i o nt i m e s i i i l u l a t i o nr e s u l t ss h o w 廿1 a tt l l i s 印p r o a c hc a n c n h a n c em em r o u g h p u tp e r f o 肌a n c es i 鲥f k a n t l y - 2 e m e r g i l l gi n t e r _ v e 垭c l ec o l i n u i l i c a t i o n ( c ) t e c l l i l i q u ei sg e t t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n h l s p i r e db yc r o s s l a y e rd e s i 盟，r e c e i v * i n i t i a t e dm a ca 1 1 d 丘鹆m e n t b u r s to f e e 8 0 2 1 1 ，an e wm a cp r o t o c 0 1s u p p o r t i n gp r i o r i t yd i 彘r c n t i a t i o nf o r cb a s e do ni e e e 8 0 2 1 1i sp r o p o s e d ，i t l lt l l i sa p p r o a c h ，t o pp r i 耐t y 印p l i c a t i o n sc a l lb e 您啦垆d 丘o m s o u r c ec a rt od e s t i l l a t i o nw i t h 血工l i m u n lc o m e n t i o n s ，r e d u n d 眦to v e r h e a ds u c ha s r e q u i r e t o s e n da 盯s ) a 1 1 dd i s 伍b u t e dh l t e r _ f 锄es p a c e s ) i sa l s or e t r e n c h e d a n o m 盯n e wt e m ln 姗e d 陀砬y _ 咖招唧砌nc a ni i n r o d l l c em o r ec o n t e n t i o nf o rl o w e r p r i o r i t ya p p l i c a t i o n s 趾d 订a d i d o n a l e e8 0 2 1 lf o u r w a y 丘锄ec x c h a i l g ei s 印p l i e d f o r1 0 w e s tp d o r i t yt m 蚯c s i m u l a t i o nd e m o l l s 仃a t e s l ef e a s i b m t yo fm ep r o p o s e d a p p r o a c h 3 t h ep e r f b 珊肌c ed e g r a d a t i o nc a u s e db ys m a l i s i z ep a c k e ta n db y1 0 wr a t en o d e sh a s b e e no b s e r v e da n da n a l y z e db yr c s e a r c h e r s hm u l t i r a t ew l a n s ，d o i n i n a i l ts m a l l 一s i z e p a c k e t sw i l l c a u s et h ei n e m c i e n tc h a i m e lu l i l i z a l i o n ，a r l dp e r f o n n a n c ea 工l o m a l y p r o b l e mh a p p e n sf o rt h ep r c s e i l c eo fl o w r a t e o d e s ht h i sp 印e r ，w ep r o p o s e dan o v e l a l g o 甜【1 1 1 n a h l e dd y n a 武cf 珀n l e a g g r e g a t i o n( d f a )a i m e df o rp e 渤n n a n c e e h a l l c 锄e n ti nm u l t i r a t ew l a n s s e v e m l t e c l 】i l i q u e sa r ep r o p o s e dw i l hd f a f i r s t l y ，w er e d e f _ m en l em a ) 【i m u m 打吼es i z eo f o n c e 扛a n s m i s s i o na c c o r d i l l gt om ed a t a r a t e s e c o n d l y ，p a c k e t so nb o m1 1 1 1 i d i r e c t i o n a l 姐db i d i r e c t i o n a ll i n kc a nb ea s s e m b l e d i i 北京邮电大学博士论文a b s 打a c t b a s e do nt 1 1 er e d e f i n e dm a ) 【i m m 如i i l l es i z e u s i n gh a n d s h a k ef 姗es u c ha s r c q u e s t t o s e n d ( r t s ) c 1 e 盯_ t o s e l l d ( c t s ) ，1 ep r o p o r t i o ni n d e xw i l lb ed e l i v e r e d m o b i l es t 撕o n su 8 e 廿l i si n d e xt on e g o t i a t em ea c t i l a l 姗n es i z eo nu p - 1 i n _ ka n d d o w n l 珧t h sa p p r o a c hi m p m v e su d pa 1 1 dt c p p e r f b 衄a n c el l l l d e rb o t hs 栅a t e d a n df i n i t e1 0 a dc o n d i t i o n 血1 a l y s e sa i l ds i m u i a t i o nh a y ce x e c u t e di nm i sp a p e rt o d e m o n s t r a t e 也ef e a s i b i l i t yo f t h i sm e c h a l l i 锄 k e ) n ) l r o r d s ：e e8 0 2 1 l ，m j 姗t ，n e t ，w l a n s ，m a c ，q o s ，p e r f o 衄趴c e - i _ ， 北京邮电大学博士论文图索 图索引 1 14 g 网络架构 1 2 有基础设施和无基础设施的网络结构 2 1 隐藏终端和暴露终端， 2 2m a c 协议分类 2 3a l o h a 系统中吞吐量与负载之间关系 2 4 各种随机访问协议的吞吐量1 3 k 2 5m a c a 时序图 2 6m a c a b i 协议时序图 2 7i e e e8 0 2 1 1 结构化网络示意图 2 - 8m e e8 0 2 1 1 协议框图 2 9i e e e8 0 2 1 1 m a c 层体系结构 1 】 2 1 0 隐藏终端和暴露终端 2 1 li e e e8 0 2 1 1 m a c 帧结构【l 】 2 1 2n a 、，操作示意图 2 1 3i e e e8 0 2 1 l 协议帧间距 2 一1 4 退避窗口的指数增长 3 1 典型的多跳a dh o c 网络示意图 3 2s i 型握手 3 3i u 型握手 3 4m a r c h 协议时序图 3 - 5m a r c h 协议c t s 的延迟发送和d a l a 的冲突 3 6r o a d m a p 时序图 3 7r o a d m a p 协议无效c t s 的发送 3 8r q a d m a p 协议中的c t s 冲突现象 3 9 严格分层与交叉层设计 3 1 0 新的r t s 、c t s 、a c k 帧结构 3 1 1 新协议时序图 3 1 2t r t s 的过期和r t s 的重传 _ _ m n 垤 加 扒 觞 抖 药 药 撕 n m 弘 ” 拍 ” 始 珀 甜 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 北京邮电大学博士论文 图索弓 图3 1 3 最后一跳节点的a c k 信号不包含刚d ，避免无效c t s 的发送 图3 1 4 上游节点c t s 中的月，d 可以有效的避免下游节点c t s 的冲突 图3 1 5 三种仿真拓扑结构 图3 1 6 线性拓扑下的吞吐量 图3 1 7 线性拓扑下的时延特性 图3 1 8 交叉路由拓扑下的吞吐量一 图3 1 9 交叉路由拓扑下的时延特性一 图3 2 0 网格状拓扑下的吞吐量一 图3 2 1 网格状拓扑下的时延特性一 图4 1 车载环境网络拓扑 图4 2d s r c 频谱规划 1 l 】 图4 3d c f 模式和e d c f 模式的队列区别 图4 48 0 2 1 1 e 协议的a s 和竞争窗口 2 】 图4 5 全向天线和定向天线 图4 6 混合握手型协议在c 网络下的应用 图4 7 皿e e8 0 2 ，1 1d c f 模式段突发 图4 8 段突发、“接力传输”和“接力中断” 图4 9 新的路由标识一 图4 1 0 仿真环境 图4 1 l 端到端吞吐量仿真结果一 图4 1 2 端到端时延仿真结果一 图5 1 不同调制方式、数据速率下b e r 与s n r 的函数关系 图5 2r b a r 算法帧结构 图5 3d c f + 时序图， 图5 4 双向数据传递 图5 5 文中分析所采用的拓扑，有基础设施的多速率w n 图5 6 封装帧帧结构 图5 7 帧封装时序图 图5 - 8 双向帧封装时序图 图5 9 新r t s 和c t s 帧结构 i ) ( 舛 舭 卯 钉 船 的 如 如 拍 配 观 舛 ：2 卯 船 饥 他 乃 弼 盯 跗 跗 聒 8 s 3 8 北京邮电大学博士论文 图索引 图5 1 0m e e8 0 2 1 1d c f 、单向帧封装和双向帧封装的最大吞吐量9 4 图5 。1 l 仿真拓扑 图5 1 2 快慢节点吞吐量比值 图5 1 3u d p 业务吞吐量 图5 1 4t c p 业务吞吐量一 x 9 5 9 6 9 7 9 7 北京邮电大学博士论文 表索 表索引 表2 1i e e e8 0 21 1 x 系列协议 表3 1 握手帧个数与路由跳数的函数关系一 表3 2 仿真参数 表3 3 性能比较 表4 1d c 算法中的优先级区分 表4 2 用户优先级与接入类别( a c ) 之间的映射关系 表4 3 “接力中断”算法实例o 表4 4 仿真参数 表5 一l 文中涉及的定义和符号 表5 2 不同速率下单向s 鲋仞的值 表5 3 不同速率下双向帧封装时s 膨z d 昧的值 表5 4 仿真参数 4 6 4 7 、5 l 一6 0 ，6 1 7 0 7 l + 8 6 8 7 8 9 9 s 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：羹壹，童邀 日期：丝量! i ! ! ! 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) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： 日期： 如0 68 t | i 。 毒毫 北京邮电大学博士论文第1 章绪论 第1 章绪论 本文我们主要讨论无线分组网络，主要是无线a dh o c 网络和无线局域网m a c 层协议的分析和设计。本章首先介绍论文选题背景。通过介绍无线分组网的发展和 4 g 无线通信系统框架，给出本文所关注的无线a dh o c 网络和无线局域网在整个无线 分组网络中的地位和意义。本章同时介绍了无线a d h o c 网络的历史、体系结构、特 点。最后介绍本文的主要贡献，指出了文章的研究内容和结构安排。 1 引言 1 1 无线分组网的发展 1 8 9 7 年，意大利物理学家马可尼演示了从轮船向海岸发送无线电波的试验，第 一次证明了无线通信的可能性。此后无线传输技术并行于有线传输技术，并于上世纪 7 0 年代开始获得较快的发展。无线网络的初步应用，可以追溯到第二次世界大战期 间，美国陆军采用无线电信号作资料的传输 1 。从1 9 7 1 年，夏威夷大学的研究员创 造了第一个无线电通信网络一a l o h a 2 系统，到现在移动计算的繁荣和通信设备 ( 如移动电话、笔记本电脑、手持数字终端、p d a 等) 的发展，无线通信技术正使 当今信息社会产生革命性的改变。我们正从个人计算时代( 如每个人拥有一个计算设 备) 迈向普适计算时代( 如每个人拥有多个计算资源) ，在普适计算时代，每个人都 可以随时随地的获取自己需要的计算资源 3 。早期的无线网络为普适计算提供了各 个实体间的中间连接，并在过去的几十年中经历了指数级的增长。用户可以使用他们 的移动电话收发e m a i l ，浏览网页；旅行者可以使用便携计算设备在机场、咖啡馆和 其他公共场所接入i n t e m e t ，可以使用全球定位系统( g p s ) 查看电子地图和旅行指 南；研究人员可以在会议上通过无线局域网( w l a n ) 交换文件和其他信息；在家里， 用户可以编写设备和桌面电脑之间同步数据和传送文件。 从p i 心m t 4 】到g s m ，从正在兴起的3 g 到规划未来的4 g ，以及成为热点的、矾- f i ， w i m a x 等等，通信领域一个显著的特点是电信网与计算机网络正走向融合，业务由 单纯的数据，到语音占主要地位，再到数据业务占支配地位。同时，移动设备正变得 越来越小，越来越便宜，其功能也正变得越来越强大。e m e t 用户和笔记本电脑的 1 北京邮电大学博士论文 第l 章绪论 不断增长进一步刺激了移动设备的不断发展。有研究 5 表明在接下来的一段时间里， 移动接入h l t e m e t 的终端个数将每年增加2 0 5 0 。这个趋势将使得移动n e m e t 用户 在几年内超过有线接入i n t e m e t 用户的数量。在所有这些应用和服务中，数据服务( 分 组数据) 无可争议地占据决定地位。 1 2 本文内容在无线分组网中的地位 未来4 g 无线系统的目的是为用户提供一个广泛的计算环境，从而使用户随时、 随地、无缝地、普适地接入无线网络 3 。图1 1 描述了4 g 网络框架里面的网络和元 素。 图1 14 g 网络架构 如图1 1 ，无线a dh o c 网络和无线局域网作为4 g 重要的组成部分而存在。本 文研究的内容正是无线a dh o c 网络和无线局域网中m a c 层协议的分析和设计。由 于m e e8 0 2 1 1 协议的健壮性、分布式设计及成熟度，除了被指定为无线局域网物理 层和m a c 层协议之外，还被广泛应用在a dh o c 网络中。从某种意义上来说，这两 种网络有着密切的关系，因此本章着重讨论m e e8 0 2 1 l 系列协议，并提出其在无线 a dh o c 网络和无线局域网中的改进。在正式进入技术描述之前，本章我们首先简单 介绍无线a dh o c 网络和无线局域网特征，体系结构，关键技术。最后我们介绍本文 的主要贡献和结构安排。 北京邮电大学博士论文 第1 章绪论 2 无线a dh o c 网络概述 按照无线网络是否有基础设施支持进行分类，无线a d h o c 网络( m o b i l e a d h o c n e t w o r k ，m m 姬t ) 和无线局域网( w l a n ) 各自属于两种完全不同的网络结构。图 1 2 分别描述了这两种网络结构。 图1 2 有基础设施和无基础设施的网络结构 有基础设施网络结构通常是对有线通信网的一种扩展。有线网被用作骨干网连接 到特殊的有线无线转接节点，如移动通信中的基站( b s ) 和无线局域网中的接入点 ( a p ) 。这些转接节点负责协调覆盖区内的移动节点通过一个或多个传输信道接入网 络。 无基础设施网络也称为自组织网络，无线a d h o c 网络( m a n e t ) 等。m a n e t 网络是由多个移动节点组成的多跳无线网络。这些移动节点处于一个区域内，每个节 点都具备路由器的功能，可以通过存储转发和其他节点构成通信链路。它与有基础设 施网络的最大区别在于不需要预设的基础设施( 如b s 和a p ) ，网络的组织是临时的、 按需的、自动的。由于m 6 d 咂t 无基础设旌，没有控制中心，所以必须采用分布式的 控制方式。m a n e t 特别适用于要求临时、快速组网的情况，如军事领域、抢险救灾、 会议等场合。 2 1m a n e t 网络历史 无线a j d h o c 网络架构了这么一种网络：网络中的节点可以自由的、动态的自组 织( s e l f - o r g a l l i z e ) 成一个任意的、临时的网络拓扑，使得用户和通信设备在不需要 预先假设基础设施的前提下，无缝的接入网络进行网内甚至网际间通信，比如接入 i n t e m e t 4 ，6 8 。被看作未来个人移动系统的一个重要组成部分【9 。 3 北京邮电大学博士论文第1 章绪论 从上世纪7 0 年代，由美国国防部高级研究计划署( d a 艘a ) 设立p r n e t ( p a c k e t r a d i on e 柳d r k ) 7 】开始，无线分组网络开始进入人们的视野，并被广大的研究人员 所关注。与同时期的a l o h a 2 】系统不同，p r n e t 使用了高效的包交换技术，如带宽 共享和存储一转发路由协议，实现了多跳多用户接入的无线分组网络。在此多跳指的 是源端产生的数据在到达目的端之前，需要经过多个中间节点的转发，并成为p r n e t 网络最吸引人的特点。p r n e t 形成一个自组织的网络，里面包含多个转发节点，无线 终端等，数据包可以被转发节点经过多次转接直到目的节点。这种多跳存储一转发的 路由技术，使得射频覆盖范围的限制不再存在，从而实现在大范围内的多用户进行通 信。2 0 世纪八十年代，d a 船a 组织又发起了s i 琅a n 项目，目的在于提高p r n e t 的 网络扩展行、安全性、网络容量和安全能力，并最终形成l p r 技术f 1 0 。 1 9 9 4 年，美国d a 对i a 启动了全球移动信息系统( g l o m o ) 计划【1 1 ，研究范围 几乎覆盖了无线通信的所有相关领域，其中无线自适应移动信息系统( w a m i s ) 在 p r n e t 成功的经验上，形成了一种在多跳、移动环境下支持实时多媒体业务的高速分 组无线网。g l o m o 计划下的另一个与自组网有关的重要项目是w g s ，由美国加州 大学研究小组与美国r 。o 舫p 通信公司共同开发。该项目开始于1 9 9 6 年，结束于2 0 0 0 年。目标在于将无线移动自组网与因特网无缝的结合。 2 0 世界9 0 年代以来，在民用的系统中也逐渐出现了无线自组网的标准和应用。 目前，m a n e t 在民用方面的应用主要体现在无线局域网和无线个域网上。第一代无 线局域网标准一m e e8 0 2 1 l 已经于1 9 9 7 年6 月公布，并还在不断发展中。而i e e e 8 0 2 1l 协议也成为m a m 玎网络m a c 协议的重要补充。 2 2m a n e t 网络特点 移动a dh o c 网络有以下几个显著特征： 1 独立组网。a dh o c 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任 何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通 信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。a d h o c 网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。 北京邮电大学博士论文 第l 章绪论 2 无中心和自组织性。所有节点地位平等，组成一个对等网络。其中节点可以 随时加入和离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。所有节点 通过分层的网络协议和分布式算法协调各自的行为。每个节点都充当路由器 的功能，数据可以由一个节点经过多次转发到达另一个节点。 3 ， 动态拓扑。在a dh o c 网络中，移动主机可以随意移动。主机的移动会导致 主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化，网络拓扑结构 不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。 4 有限的无线通信带宽。在a dh o c 网络中没有有线基础设施的支持，因此， 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它 提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信 道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带 宽远远小于理论中的最大带宽值。 5 有限的主机能源。a dh o c 网络，主机均是一些移动设各，如p d a 、便携计 算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由 电池提供，因此a dh o c 网络有能源有限的特点。 6 有限的物理安全。移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于 遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线 网络中来减小安全攻击。不过a dh o c 网络的分布式特性相对于集中式的网 络具有一定的抗毁性。 2 3m a n e t 网络体系结构 根据m a n e t 网络特性，参照o s i 的经典七层协议模型以及t c p p 的体系结构 1 2 ，可以将m a n e t 网络协议分为五层：物理层、m a c 层、网络层、传输层和应 用层。其中各个层的功能简述如下： 1 物理层，主要实现信道的区分、选择、调制解调、无线信号的接收和发送等。 物理层的设计目的是以相对较低的能力消耗，克服无线媒体的传输损伤，获 得较大的链路容量。 北京邮电大学博士论文 第1 章绪论 2 m a c 层，主要用来协调多用户问如何共享无线资源，即控制移动节点对共 享无线信道的访问。该层包括o s i 协议模型中的m a c 层和逻辑链路层两者 的功能。其既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， 还要实现数据流复用、拥塞控制、优先级排队、帧控制、分组发送和确认、 差错控制和流量控制等。 3 网络层，主要实现路由管理，邻居管理和分组转发等功能。路由管理和分组 转发主要是发送和维护去往目的节点的路由，将网络层分组从源节点转发到 目的节点，以实现不相邻的节点间通信；邻居管理主要用来收集网络拓扑信 息。 4 传输层，根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式， 为源端和目的端的进程之间建立一条传输连接，以透明的传输报文。 5 应用层，用以提供面向用户的各种应用服务。 2 4m 甜忸t 网络m a c 层协议 m a c 协议是m a n e t 网络协议中重要的组成部分，它既要对无线信道进行划分、 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、分组确认等机制，另外像q o s 能力等也需要m a c 协议的支撑。m a c 协议是报文分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，因此，m a c 协议能否高效、 公平的利用有限的无线资源，对m a n e t 网络性能起决定性作用。 本文主要讨论m 心t 网络和无线局域网的m a c 层协议和设计，文章第二章对 相关协议进行了综述，在此不再赘述。 2 5m a n e t 网络路由协议 m _ 6 0 咂t 网络是由一组具有路由功能的节点自组织形成的一种网络。路由协议是 组织网络的最重要协议之一。从功能上讲，路由协议是通信网络中的一套将业务数据 从源节点传输到目的节点的机制。其主要设计目标是：满足应用需求的同时尽量降低 网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络吞吐量【1 3 1 6 】。 北京邮电大学博士论文第1 章绪论 m a n e t 网络由于其拓扑变化剧烈等因素，传统的h l t c m e t 路由协议不能适应 m j 心皿t 环境。一般而言，流行的m m 旺t 路由协议可分为三大类：先应式路由协议、 按需的路由协议和混合型路由协议。 先应式路由协议又称为表驱动路由协议，在这种路由协议中，无论是否有通信需 求，节点采用周期性的路由分组广播，交换路由信息，维护一张包含到达其他节点路 由信息的路由表。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息， 以更新各个节点的路由表。先应式路由协议包括d s d v 、f s r 、l a 讧a r 、o l s r 等 按需的路由协议被提出的出发点是，在带宽资源有限、拓扑不断变化的m a n e t 网络中，为节点维护到网络中每个节点的路由是没有必要的。按需路由协议只在根据 网络分组的传输请求，被动的搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求 时，节点处于静默状态，而不需要交互路由信息。按需路由协议包括d s r 、a o d v 、 t o r a 、m s r 等。 混合型路由协议是对先应式路由和按需式路由进行结合，在小范围内使用先应 式，而在大范围内使用按需路由。从而减少全网广播的路由开销，同时又降低的按需 路由的延迟。z r p 、c e d a r 、s r l 等属于混合型路由协议。 3 本文主要贡献 本文对无线分组网络中的m a c 协议做了研究和设计，主要贡献是： 3 1 一种新的联合路由层设计的m a c 协议 针对多跳m a n e t 网络，结合交叉层设计思路，提出了一种联合路由层信息设计 的m a c 层协议。该协议混合了由发送端发起握手( s e i l d e r i i l i t i t a t e d ) 和由接收端发 起握手( r e c e i v e r i 1 1 i t i a t e d ) 两种类型m a c 的优点，通过路由信息有效的减少了握 手帧的开销。同时，天线转换时间等网络开销得到有效遏制。仿真表明此m a c 机制 可最高提高1 6 的系统吞吐量。 北京邮电大学博士论文 第1 章绪论 3 2 车载环境下撇c 层q o s 增强机制 在联合路由层信息设计的m a c 协议基础之上，我们提出了针对车载环境下 v a p t 网络( 越c u l a r a dh o cn e 仰o r k s ) 的一种新的优先级区分机制。受i e e e8 0 2 1 1 协议帧突发机制的启发，本协议在收发节点间按照最短帧间隙s 礤s ( s h o r t e r f r a m e s 口a c e ) 进行帧传递，此操作被命名为“帧接力”。通过路由层信息和业务优先级，中 间节点人为引入“接力中断”操作。从而实现优先级区分机制。此机制可与其他q o s 机制如i e e e8 0 2 1 l e 进行协作。仿真表明此机制的有效性。 3 3 多速率条件下w l a n 性能改进 e e8 0 2 1 1 无线局域网已经开始支持物理层多速率能力，并由此带来一些性能 问题：如大量小数据包引起信道利用率降低、慢节点的存在使得各种速率节点产生相 同的吞吐量。针对上述问题，我们提出动态帧封装算法( d y l l a m i c f r a m e a g 伊e g a t i o n ， d f a ) 。此算法重定义了各速率条件下节点的最大帧长度，并提出双向帧封装机制用 于非饱和场景和t c p 业务的性能提升。一个新的参数“比例因子”被引入用来上下 行链路的帧大小协商。通过理论分析和仿真证明，此机制避免了慢节点带来的系统不 规则( p e r f o m a n c e a n o m a l y ) 现象。在各种负载情况下，系统吞吐量得到显著提升， 尤其针对t c p 业务而言，此算法较其他算法有明显的性能改进。 4 结构和安排 本章首先介绍了论文选题背景，介绍了选题意义并简单介绍了m a n e t 网络和无 线局域网的历史、特点。 文章第2 章对无线a d h o c 网络m a c 层协议进行综述。通过介绍一些重要的m a c 协议，我们归纳和分析了m a n e t 网络m a c 协议设计的历史和思路，并最终介绍了 流行的m e e8 0 2 1 1 系列协议。 第3 章提出了一种面向多跳a dh o c 网络的混合握手型m a c 协议。第4 章为第 3 章内容在车载环境下的q o s 增强。第5 章针对多速率有基础设施的无线局域网，提 出一种性能增强机制。 北京i | ；l f 电大学博士论文 第1 章绪论 文章最后是结束语，总结了全文，指出了目前研究中还存在的问题和不足，并且 给出了下一步可能的研究课题和相应的设想。 参考文献 2 【3 】 4 】 5 】 6 7 8 9 1 0 1 l 】 1 2 】 1 3 】 1 4 t h e o d o r es r 叩p 印。r t ，w i r e l e s sc o m m u 血c a t i o n sp 血c i p l e s 趾dp r a c t i c e ，p r c n t i c e h a l l 1 9 9 6 n a b r a m s o n ，t h ea l o h as ”t e r n a n o m e ra n e m a t i v ef o rc o 玎叩u t e rc o m m u l l i c a t i o n s ， p r o c e e d i n g so f t 王l ef a l lj o i mc o m p u t e rc o n f e r 吼c e ，v 0 1 3 7 ，p p 2 81 2 8 5 ，1 9 7 0 m w 嘶s t h ec a p u t e rf o rt h er i w e r l t y - f i r s tc c n t u 阱s c i e n t i f i ca m e r i c a n ，1 9 9 1 b m l e 岫r ，d ln i e l s o na 工l dfa t 0 b a 百，i s s u e si np a c k e tr a d i on e 竹o r kd e s i g n ， p r o c m e e ，v 0 1 7 5p p 6 - 2 01 9 87 、矾r e l e s sw b r l dr e s e a r c hf o 胁( w w r f ) ，h t t p ：， 删i s t - w s i o r g j p m a c k e ra n dm s c o r s o n ，m o b i l ea dh o cn e 坩o r k i n ga n dm ei e t f m o b n e c o m p u t i i 培a i l dc o n l l n u n i c a t i o n sr e v i e w s ，v 0 1 2 ，19 9 8 a e p l l r e i i l i d e s ，ad e s i g nc o n c 印tf o rr e l i 曲1 em 0 b i l e r a d i on 咖o r k s 谢t l l f r e q u e n c yh o p p i n gs i g i l a l i n g ，p r o c m b ev 0 1 7 51 9 8 7 a f a s b e n d e r ，a n yn e 柳o r k ，a n yt e r n l i i l a l ，a n y w h e r e ，髓e ep e r s o n a l c o m m l 】如c a t i 0 1 l s ，1 9 9 9 u s a n s ft e m e r l e s st 3w b r k s h o pr e p o r f ，t l l i r dg e i l e r a t i o no v e n r i e wa n d p r o j e c t i o sf o rf u 觚eg 姐e r a t i o nt e m e r l e s ss y s t e m s ，1 9 9 8 w f i d e ra 1 1 df b r u n o ，t h e1 0 w c o s tp a c k e tr a d i o ，p m c e e ，v 0 1 _ 7 5 ，p p 3 3 4 2 1 9 8 7 b l e i n e l r r u ma