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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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
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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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