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传统移动网络的发展迅雷不及掩耳,每个终端都必须完全依赖于基站进行通信,但是若遇到偏远山区、抢险救灾、军事战争等恶劣环境,通信基础设施无法架设或遭到破坏的情下。在这种情况下想要快速地组建动态的临时网络进行彼此通信,并且与外界网络进行联络通信,形成立体的空中通信网络,此时必须采用本文研究的移动ad hoc自组网。
移动Ad Hoc网络源于分组无线网(Packet Radio Network)<'[3]>,30多年来国际上研究不断,已取得很多阶断性的研究成果。由于Ad hoc网络是一种有特殊用途的网,每个移动终端兼备路由器和主机两种功能,与其它传统通信网络相比,Adhoc网络具有以下显著特点: (1)无中心和自组织性;(2)自动配置;(3)动态变化的网络拓扑;(4)受限的无线传输带宽;(5)移动终端的局限性;(6)安全性较差;(7)网络的可扩展性不强;(8)多跳路由;(9)存在单向的无线信道;(10)特殊的信道共享方式:(11)供电问题突出。
由于Ad Hoc网络的节点具有移动性,拓扑结构动态变化,信道资源有限,链路不稳定,功率受限,传统有线网络中的协议或机制不法直接应用这种网络。目前,国际对于Ad Hoc网络的研究机构非常多,研究的难点与热点是<'[3-6]>:(1)多跳Ad Hoc网络中的路由协议;(2)TCP协议在Ad Hoc网络中应用的性能及公平性问题;(3)移动Ad Hoc隐藏终端和暴露终端问题;(4)移动Ad Hoc网络中的服务质量(QOS)保证,包括QoS路由、资源预留、区分服务、信令机制等;(5)移动Ad Hoc网络终端的能源管理;(6)移动Ad Hoc网络的物理层调制与性能:(7)移动Ad Hoc网络MAC(Medium Access Contr01)层接入控制协议;(7)遭受密钥托管难题的Ad Hoc网络的安全与管理控制:(8)除IEEE802.11标准的Ad Hoc网络,还有IEEE802.15标准的蓝牙、WPAN、传感技术的Ad Hoc网络、IEEE802.16标准和UWB物理层的Ad Hoc网络,这些都是Ad Hoc网络的研究热点,必须研究适合这些网络的新协议。
为此,本人研究国际Ad Hoc网络研究的动态,参阅大量中外文献,对Ad Hoc网络的接入控制协议展开研究与思索,旨在弄清楚Ad Hoc网络MAC层工作原理与机制、物理层的调制对MAC层的性能影响与跨层设计、链路层的接入控制对网络层的路由影响与跨层协作;并且,改进或提出适合IEEE802.1lDCF标准和UWB超宽标准的MAC协议,使其能够满足Ad Hoc网络的特殊应用,进一步改善Ad Hoc网络的接入控制与性能、网络的吞吐量与时延效果。
本文采用建立数学模型与Opnet实验仿真的研究方法,相对而,具有一些而改进或创新点:
(1)综述.Ad Hoc网络,对众多IEEE802.11DCF机制的Ad Hoc网络的MAC协议优缺点作了客观评价,为研究MAC协议有一定的启发性和指导性;(2)剖析IEEE802.11DCF机制的Ad Hoc网络接入控制,对载波侦听与虚拟载波侦听做了详细分析,针对文献[42-44],在Bianchi提出的无冻结状态二维Markov标准模型的基础上,结合国内研究,改进了动态退避窗口机制的二维Markov模型。通过理论计算分析,对竞争节点与介质访问延迟、数据包与介质访问延迟、初始竞争窗口与介质访问延迟不同情况,经Opnet进行仿真分析,性能明显高于原IEEE802.11DCF机制;(3)就改进的二维Markov模型的仿真,文章又依据Possion过程建立了M/D/1延迟对列,使用国外经典的网络仿真软件Opnet 9.O,对BianchiMarkov型与改进型Markov型进行纵比仿真,同时用M/D/1延迟对列、改进型Markov模型与原IEEE802.11DCF进行纵比仿真,两种模型性能明显高于原IEEE802.11DCF机制;(4)根据研究与仿真发现,Ad Hoc网络中活动节点、初始竞争窗口对网络的时延与吞吐量是有影响的,文章进而研究了某一间隙内活动点数目算法,并根据该时隙内节点稳态的发送概率τ,计算出时隙内存在不同活动节点数目的最优初始竞争窗口,两个参数谐调配合,进行了Opnet环境的访问模式仿真,性能明显高于原IEEE802.11DCF机制;(5)征对Uwb Ad Hoc网络良好的的信道与优化技术的物理层技术,传统的无线mac协议不再适用,本人在链路层提出非时隙的PSMA协议侦听信道的占用概率,根据脉冲存在与否确定节点是否活动,由收信机对信道进行逻辑划分与概率接入。在物理层采用活动节点与分组长度的自适应用算法,确保网络吐吞率与网络稳定性达到最优化;(6)依据TDMA协议,在UWB Ad Hoc网络中采用固定帧长的时间段进行微时隙划分,节点在微时隙1上竞争到信道,则立即可以发送数据,这就控制了节点优先权的概率。在后续的微时隙上竞争到信道,则证明该节点转入下一时隙预约发送数据,而且竞争到的后续微时隙越晚,则轮入预约时隙的后继成功率越低,即优先权越小。协议在设计时也考虑到对微时隙的参与竞争概率问题,可以使在非1微时隙上竞争到信道的节点静默时间动态调整,使其可能在后续时隙中就能发送数据,很好地改善了网络的性能,该协议对安全性、暴隐终端问题作了抑制;(7)通过UWB网络系统中接收方招待可性区域的距离感知,依据香农公式的距离容量等价化原理,以及数据分组对招待区域的影响估算,并进一步确定传输速率对接收节点的判断干扰性能,提出收发方协同工作的安全模式的MAC协议;(8)双忙音多址接入协议依靠收发方发出脉冲护航通信,研究的人很多,本人对该协议3点进行综合性改进:a.使用一个RTS来预约信道,通过目的节点发送BTr信号来响应RTS。b.将控制信令RTS分成ALOHA竞争时隙,提高控制分组发送成功的概率。c.发送节点收到接收节点充当CTS的BTr,立即在一个小延时后可发送数据。d.进行三维Markov非饱和分析。