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Ad Hoc网络中基于局部拓扑信息的MAC协议与路由算法研究

作　者: 姚忠邦
导　师: 曹志刚
学　校: 清华大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: Ad Hoc网络节点的度媒体接入控制协议路由算法负载均衡
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

未来的无线通信环境将是一个包括无线蜂窝通信网、卫星通信网等具有基础通信设施的通信网以及不具有任何通信基础设施而仅由若干节点所组成的自组织网络(Ad HoC网络)来构成的。本课题的研究对象就是多跳的单信道无线Ad HoC网络。在Ad HoC网络中,一方面,由于节点对于信道信息获知程度的不一致性,而导致的“隐藏节点”和“暴露节点”问题;另一方面,网络中的无线信道容量、网络拓扑结构等多种因素存在时变性。这两个方面导致网络中的节点难以及时获得全网中的各个节点的状态信息。相对而言,局部拓扑结构信息和局部连接度信息较容易获取和更新。本文充分利用该信息,对Ad HoC网络中的MAC协议和路由算法进行了深入研究,取得了以下研究成果: 1.分析了采用时隙ALOHA协议时,多跳Ad HoC网络的吞吐量性能(包括无捕获现象和有捕获现象)。基于理论分析结果,本文提出了一种基于节点的度的时隙ALOHA协议,它包括两个方面:1)提出了一种改进的Pseudo -Bayesian算法,用来估计多跳Ad HoC网络中的节点的度;2)每个节点根据目的节点的度来动态调整本地的数据包发送概率的过程。理论分析和仿真结果表明:与传统的时隙ALOHA协议(即:数据包发送概率固定)相比,该协议可以大大提高系统的平均吞吐量性能。此外,无论对于传统的时隙ALOHA协议还是对于文中提出的基于节点的度的时隙ALOHA协议来说,当有捕获现象时,捕获参量α愈小,则捕获效应愈显著,吞吐量性能愈好。 2.提出了一种基于节点的度的CSMA/CA协议,该协议在IEEE 802.11无线局域网标准所采用的MAC协议基础上,引入了一个状态参量q。同时,考虑到节点的丢包现象,提出了一个新的用于分析CSMA/CA协议性能的二维Markov模型,并对CSMA/CA协议在多跳Ad HoC网络中的性能进行了理论分析。根据理论分析所获得的竞争节点数目,每个节点可以据此调整q值,进而从统计上改变了CSMA/CA协议中的初始竞争窗口,以达到提高网络性能的目的。 3.针对移动Ad Hoc网络中的拓扑结构的快速动态变化,提出了一种基于邻居表的混合式多路径路由算法(NTB-HMPR)来降低这种变化对网络性能的消极影响。NTB-HMPR算法不要求多条路径之间一定是不相交的。并且,我们利用可靠性理论对相交和不相交两种情况下的路由可靠性进行了理论分析。理论摘要分析结果表明:在不可靠的无线链路条件下,相交的多路径路由算法可以提供更多的路径冗余性,因此具有更高的可靠性,而且无线链路越不可靠,则相交的多路径路由算法的优势越明显。在NTB一HMPR算法中,不仅利用邻居表来更新路由表缓冲区中的本地路由信息,而且利用它来估计无线链路的统计特性,在选路时,这些统计特性可用于选择最佳路由。对于寻路过程,还提出了一种基于路径属性的联合选路准则来选择最佳路由。仿真结果表明,NTB一HMPR算法在数据包投递率、端到端延时和发送的路由请求数据包总数目方面优于DSR和V-SMR算法的相应性能。但这是以额外的系统开销为代价而获得的,这种开销主要是由于周期性发送信标信号引起的,在实际中,可通过增加信标发送周期来减小系统开销。 4.提出了一种基于节点的度的路由算法(ANDBR)。在该算法中,将路由流经节点的度的统计量作为路由选择参量(R吕对),然后依据路由的R吕对值来选择最佳路由。由于ANDBR算法充分考虑了路由中的各个节点的竞争情况,因此它能够选择一条具有最少的竞争节点的路由作为最佳路由,从而可以减少数据包的碰撞概率,进而可以比较容易地实现负载均衡。仿真结果表明,ANDBR算法可以在不增加系统开销的情况下,提高数据包投递率、数据包的端到端延时和节点能量消耗的公平性。关键词:Ad Hoc网络,节点的度,媒体接入控制协议,路由算法,负载均衡

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章引言  12-16
  1．1 课题的目的和意义  12-13
  1．2 本论文各部分的主要内容  13-16
第二章 Ad Hoc网络中的基本问题及研究内容和目标  16-28
  2．1 简介  16-18
  2．2 基本问题  18-19
  2．3 研究现状  19-23
  2．4 网络连接性  23-24
    2．4．1 全网连接性与网络局部连接性  23-24
    2．4．2 节点度的定义  24
  2．5 本课题的研究对象、思路、内容和目标  24-28
第三章基于节点的度的时隙 ALOHA协议  28-46
  3．1 引言  28-29
  3．2 网络模型  29-31
  3．3 性能分析  31-38
    3．3．1 无捕获现象时的时隙 ALOHA协议的性能分析  31-34
    3．3．2 有捕获现象时的时隙 ALOHA协议的性能分析  34-35
    3．3．3 基于节点的度的时隙 ALOHA协议  35-38
  3．4 性能评估  38-45
    3．4．1 传统的时隙 ALOHA协议的性能评估  38-42
    3．4．2 基于节点的度的时隙 ALOHA协议的性能评估  42-45
  3．5 本章小结  45-46
第四章基于节点的度的 CSMA/CA协议  46-62
  4．1 CSMA/CA协议简介  46-48
  4．2 影响 CSMA/CA协议性能的因素  48-49
  4．3 基于节点的度的 CSMA/CA协议  49-58
    4．3．1 网络模型  50
    4．3．2 CSMA/CA协议的 Markov理论分析模型  50-55
    4．3．3 多跳 Ad Hoc网络中的竞争节点数目  55-57
    4．3．4 基于节点的度的 CSMA/CA协议  57-58
  4．4 性能评估  58-59
  4．5 本章小结  59-62
第五章基于邻居表的混合式多路径路由算法  62-78
  5．1 引言  62-64
  5．2 基于邻居表的混合式多路径路由算法  64-69
    5．2．1 邻居表和路由表缓冲区的建立  64-66
    5．2．2 无线链路参数的估计  66-67
    5．2．3 路由搜寻  67-68
    5．2．4 路由维护  68-69
  5．3 路由可靠性分析  69-71
  5．4 性能评估  71-75
  5．5 本章小结  75-78
第六章基于节点的度的负载均衡路由算法  78-96
  6．1 引言  78-79
  6．2 负载均衡路由算法相关研究  79-82
  6．3 基于节点的度的负载均衡路由算法  82-91
    6．3．1 路由搜寻和维护  82-87
    6．3．2 路由选择准则  87-90
    6．3．3 工程实现中可能遇到的问题  90-91
  6．4 性能评估  91-95
  6．5 本章小结  95-96
结论  96-100
参考文献  100-108
致谢及声明  108-110
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  110-111

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