无线自组网多信道MAC协议研究.doc
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1、摘要无线自组网是一种无中心控制节点的多跳、对等、自愈的无线网络,被广泛应用于人们的生产生活中。其中,媒体接入控制协议(MAC)的性能很大程度上影响无线网络的组网性能。传统无线自组网的MAC协议采用单信道MAC协议,分组冲突概率大,网络吞吐量低,而随着通信和计算机产业的飞速发展,开放频点越来越多,单信道MAC协议性能不良和浪费信道的缺点凸显,多信道MAC协议迅速成为研究热点。本文在深入研究现有MAC协议的基础上,设计并实现了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(CN-MMAC, multi-channel MAC protocol based on channel negotiation
2、),协议的主要思想是:使用控制信道与数据信道分离的技术,每个节点维护一个信道使用列表,并计算空闲信道值编码,在控制信道上通过握手信号和广播消息完成信道预约,并在预约成功的数据信道上完成分组传输和分组传输的确认。本文的主要工作如下:1.多信道MAC协议的设计:本文从无线自组网的基本概念出发,分析了现有的MAC协议,并指明了当前适用于无线自组网的MAC协议所存在的问题,设计了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(CN-MMAC协议),具体解决了如下问题:信道分配问题、多信道隐藏终端问题、控制开销问题。2.多信道MAC协议的性能研究:本文使用NS-2仿真工具,修改仿真模型,添加CN-MMAC
3、协议,通过对比CN-MMAC协议与其他多信道MAC协议的性能,证明本文设计的多信道MAC协议具有较好性能。3.多信道MAC协议的实现:在硬件平台上移植本文设计的多信道MAC协议,为无线自组网协议栈提供MAC层的透明传输接口,证明本文设计的多信道MAC协议具有较好的可移植性和较好实用价值。4.多信道MAC协议QoS保障机制研究:根据业务优先级设置不同的退避算法,调整信道接入机制,仿真表明该方案能有效提高实时业务的服务质量。5.总结全文,并指明了下一步的工作研究方向。关 键 词:无线自组网,多信道,MAC协议 论文类型:应用基础研究类2016ABSTRACTWireless ad hoc netw
4、orks is a multi-hop peer, self-healing wireless network without central control node,which is widely used in peoples production and life. Among them, the performance of the media access control (MAC) protocol largely affects performance of wireless networks. Traditional wireless ad hoc networks use
5、single-channel MAC protocol, in which packet collision probability is great and network throughput is low. With the rapid development of communications and computer industries, more and more frequency opens up, which highlights the shortcomings of poor performance of single-channel MAC protocol and
6、channel wasted. So multi-channel MAC protocol quickly becomes a hot topic.On the basis of in-depth study of existing MAC protocol, This paper designs and implements a multi-channel MAC protocol wireless ad hoc network (CN-MMAC, multi-channel MAC protocol based on channel negotiation) based channel n
7、egotiation. The main idea of the protocol is: Control channels and data channels are separated and each node maintains a list of channels which are used. The node completes channel reservation on the control channel signal through broadcast message and the handshake signal. Data packet transmission
8、is completed on data channel reservatied successly.The main work of this paper is as follows:1. The design of multi-channel MAC protocol: This paper analyzes the existing MAC protocol from the basic concept of wireless ad hoc networks and indicates the current issues that exist. Design a wireless ad
9、 hoc network based on channel negotiation of multi-channel MAC protocol (CN-MMAC protocol), specifically address the following issues: the assignment of channels, the hidden terminal problem of multi-channel and control overhead problem.2. Performance research of multi-channel MAC protocol: Modify t
10、he simulation model using NS-2 simulation tools and add multi-channel MAC protocol. This paper analyzes the performance of other protocols and proves that multi-channel MAC protocol designed in this paper has a higher performance.3. Realization of multi-channel MAC protocol: Transplant multi-channel
11、 MAC protocol designed in this paper on the hardware platform, which provides transparent transmission interface on MAC layer protocol stack for wireless ad hoc networks. Prove this design has better portability and good practical value.4. Research on quality of service (QoS) of multi-channel MAC pr
12、otocol: Set different back off algorithm based on business priorities to adjust channel access mechanism. The simulation shows that this scheme can improve the quality of real-time business services effectively.5. Summary of the paper: indicates the direction of work and research in the future. Keyw
13、ords: Ad Hoc,multi-channel ,mac protocolType of Dissertation: Applied Basic Research2016插图索引图1. 1 论文组织框架16图2. 1隐藏终端20图2. 2暴露终端20图3. 1 信道使用列表结构26图3. 2 CN-MMAC协议分组转发流程图27图3. 3 CN-MMAC协议流程28图3. 4 信道预约流程30图3. 5网络节点组成架构31图3. 6Si4463的性能指标32图3. 7 STM32芯片性能指标33图3. 8 Si4463驱动程序实现34图3. 9 Si4463参数设置35图4. 1 NS-
14、2仿真器结构37图4. 2 NS-2模块组成结构38图4. 3移动节点模型39图4. 4改进的移动节点模型41图4. 5链状拓扑42图4. 6 链状拓扑下吞吐量随跳数变化43图4. 7链状拓扑下端到端时延随跳数变化43图4. 8随机多跳拓扑44图4. 9随机多跳拓扑下吞吐量随包发送间隔变化45图4. 10 随机多跳拓扑下端到端时延随包发送间隔变化45图5. 1归一化吞吐量随分组到达率变化48图5. 2平均分组时延随包到达率变化492016表格索引表格 1 FCCS计算26表格 2 RTS帧格式28表格 3 CTS帧格式28表格 4 DATA帧格式29表格 5 ACK帧格式29表格 6 RES帧
15、格式292016缩略词对照表缩略语 英文全称 中文对照PRNET Packet Radio Network 分组无线网络CSMA Carrier Sense Multiple Access 载波侦听多路访问SURAN Survivable Radio Network 抗毁性无线网络TI Tactical Internet 多跳无线网络IETF Internet Engineering Task Force Internet工程任务组MAC Media Access Control 媒体访问控制层MACA Multiple Access with Collision Avoidance 多址访问
16、与碰撞回避协议DCA Dynamic channel Assignment 动态多信道协议ARQ Automatic Repeat Request 自动重传请求RTSRequest to Send 发送请求分组CTS Clear to Send 允许发送分组DS Data Sending 数据发送控制分组ACK Acknowledgement 正确应答分组DCFDistributed Coordination Function 分布式控制模式CSMA/CA Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance 载波侦听多址访问与碰撞回避B
17、TMA Busy-Tone Multiple Access 忙音多址访问协议DBTMA Double Busy-Tone Multiple Access 双盲音多址访问协议MMAC Multi-Channel MAC 多信道MAC协议PCL Preferable Channel List 优先信道列表RES Response 确认发送分组CUL Current used List 当前信道使用列表FCCS Free Channel Coding Summation 空闲信道编码和值QoS Quality of Service 服务质量 2016目录摘要5ABSTRACT6插图索引8表格索引9缩
18、略词对照表10第一章绪论131.1 课题背景131.1.1 无线自组网概述131.1.2 无线自组网的特点141.2 无线自组网MAC协议研究现状151.3 本文组织框架161.4 本章小结16第二章 无线自组网MAC协议的研究分析172.1基于信道访问策略的MAC协议172.1.1竞争类MAC协议172.1.2分配类MAC协议172.1.3混合类MAC协议182.2 基于信道数目的MAC协议182.2.1单信道MAC协议182.2.2双信道MAC协议222.2.3多信道MAC协议222.3本章小结24第三章 无线自组网CN-MMAC协议253.1 CN-MMAC协议的关键技术253.1.1多
19、信道隐藏终端问题253.1.2控制开销问题263.1.3信道分配问题263.2 CN-MMAC协议设计273.2.1 协议总体设计思想273.2.2 协议总流程283.2.3 帧格式说明283.2.4 信道预约303.3 CN-MMAC协议在硬件平台上的实现313.3.1 硬件平台介绍313.3.2 CN-MMAC协议的移植要点343.4 本章小结36第四章 基于NS-2的CN-MMAC协议性能分析374.1 NS-2仿真工具介绍374.1.1 NS-2基本原理374.1.2 NS-2无线仿真功能384.2 NS2创建仿真模型384.2.1 移动节点模型及改进384.2.2 MAC层多信道模型
20、实现414.2.3 添加CN-MMAC协议到NS-2414.3 仿真实验和结果分析424.3.1 链状多跳场景424.3.2 随机多跳场景444.4 本章小结46第五章 基于CN-MMAC 协议的QoS保障机制研究475.1 QoS保障分析475.2 CN-MMAC 协议的QoS保障机制475.3仿真及性能分析48第六章 总结与展望506.1 工作总结506.2 展望50参考文献522016第一章 绪论1.1 课题背景1.1.1 无线自组网概述当今社会中,网络变得无处不在,人们在工作、学习和生活中对网络的需求越来越强,在这样的社会背景下,强烈的需求催生了科研工作者和网络爱好者对研发具有更强大性
21、能的网络的追求,而无线网络作为网络通信的重要组成部分,正在迅速的改变着人们的生活方式,宽带无线接入系统、移动蜂窝网、短距离无线互联等技术使人们以更方便、更快捷、更安全的方式与世界各地沟通,而现今存在的无线网络制式不能满足人们随时随地进行布网沟通的需求,在此背景下,具有快速组网、高自愈性的无线自组织网络(即Ad Hoc 网络)开始赢得学着众多的研究和关注。作为一种新型的组网技术,无线自组网不依赖于任何中心实体或基础设施,网络节点作为整个网络的一部分,既可以作为信息的发起者和接受者,也可以作为信息的中继者,节点通过精心设计的网络协议栈相互合作,进行自动配置和管理,自发的通过信息交互组成网络并自动维
22、护网络拓扑结构,信息通过在节点间相互中继的方式,增大无线设备的传输距离,拓宽网络的覆盖范围,为用户提供各种服务移动Ad Hoc 网络:自组网分组无线网络技术/陈林星等编著. 北京:电子工业出版社,2006.4。虽然无线自组网的概念诞生并运用于军用领域,但是由于其优良的性能,在商用领域等方面也表现出了强大的优势,对无线自组网的进一步研究已经成为业界的共识。ALOHA网络是无线自组网发展的初级阶段,虽然它的直接研究目的并不是基于无线自组网,但是它的思想对无线自组网具有很强的借鉴意义,为后者的发展奠定了基础。固定基站和分布式信道访问管理是ALOHA网络的两项关键技术,其中,分布式信道访问技术为后续无
23、线自组网的研究开发指明了正确的方向 N. Abramson. The ALOHA system: Another alternative for computer communicationsA. In Proceedings of American Federation of Information Processing Societies C,1970: 281 285.。二十世纪七十年代,科研工作者在ALOHA网络研究成功的基础上,结合早期固定分组交换网络,开始研发分组无线网络(Packet Radio Network,PRNET),PRNET是一种新的网络制式,其特点是在无线环境中引入
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- 无线 组网 信道 MAC 协议 研究
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