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面向SIC的无线自组网MAC协议设计与实现

作　者: 徐湘莹
导　师: 王晓东
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 软件工程
关键词: 无线自组织网络 SIC SMAC Signature
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 21次
引　用: 0次
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内容摘要

作为21世纪重要的技术之一,无线Ad Hoc网络受到了广大研究者的关注,并得到了广泛应用。但在传统的无线网络中,在一定的通信范围内,无线通信只能串行化的进行,并不能充分利用网络的空间利用率。引入了多包接收技术,使得无线网络具有并行化的思想,虽然带来了网络性能上的提高,但其中又引入了诸多挑战,因此设计网络协议中的MAC协议就显得尤为突出。相比于传统的基于CSMA/CA的MAC协议,物理层实现SIC的MAC协议充分开发了网络空间并行利用的优势,提高了节点的吞吐率,进而提高了网络的整体性能。在底层支持SIC的MAC协议设计中,针对传统无线网络协议中的隐终端问题和暴露终端问题,提出了基于Signature的MAC协议,通过分析和比较不同Signature的特性,选择最佳的Signature来扩大对网络的感知能力,最终设计实现基于Signature的MAC协议--SMAC。SMAC协议利用信号通信过程中干扰半径大于通信半径的现象,设计了基于Signature的匹配机制,实现了在不通过解码的前提下,对信号发送者的鉴别工作。通过这种方式解决了网络中的暴露终端问题,同时也减少了隐终端对网络性能的影响。通过生成和优化节点维持的网络场景冲突图,使得SMAC协议可以避免相同网络场景的重复决策。为了选择最佳的Signature进行信号发送节点的识别,文中利用USRP+GNU Radio进行Signature的验证实验,通过比较MAC地址和PN序列的优缺点和不同实现层次上信号Signature性能的差别,进而确定文中选用的Signature。而后在NS-2的仿真平台上,通过与ECSMA协议进行性能上的比较,实验结果表明:SMAC协议在网络吞吐率上比ECSMA协议有更好的性能,对于信号存在干扰的情况下,SMAC具有更强的鲁棒性。本文通过理论模型分析,以及在USRP软件无线电平台上实验验证,基于Signature的无线Ad Hoc网络设计了一种MAC协议SMAC,研究结果具有较好的理论和实践价值。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章绪论  10-21
  1.1 研究背景  10-14
    1.1.1 Ad Hoc 网络概述  10-11
    1.1.2 Ad Hoc 网络特点  11-12
    1.1.3 Ad Hoc 网络应用模式分析  12-13
    1.1.4 Ad Hoc 网络中的MAC 协议  13-14
  1.2 多包接收的相关原理与技术  14-17
    1.2.1 多包接收技术的基本概念  14-15
    1.2.2 SIC 的相关原理与技术  15-17
  1.3 匹配的相关原理与技术  17-18
  1.4 具有多包接收能力的Ad Hoc 网络MAC 协议设计  18-19
  1.5 课题主要研究内容  19-20
  1.6 论文组织结构  20-21
第二章相关工作分析  21-26
  2.1 相继干扰消除技术在无线网络中的应用及不足  21-24
    2.1.1 相继干扰消除技术  21-22
    2.1.2 相继干扰消除不足  22-24
  2.2 基于签名技术的快速包识别  24-25
  2.3 典型的介质访问控制协议分析  25
    2.3.1 载波侦听机制  25
    2.3.2 Enhance-CSMA 协议分析  25
  2.4 小结  25-26
第三章基于Signature 的SMAC 协议设计  26-40
  3.1 Signature 的选择  26-27
    3.1.1 MAC 地址  26
    3.1.2 PN 序列  26-27
  3.2 Signature 匹配位置的选择  27-29
    3.2.1 Bits 级  27-28
    3.2.2 复数级  28-29
  3.3 信号不同级别匹配的实现  29-33
    3.3.1 Zigbee 协议在GNU Radio 的发送处理模块  29-30
    3.3.2 Zigbee 协议在GNU Radio 的信号接收端  30-32
    3.3.3 Bit 级信号匹配的实现  32
    3.3.4 复数级信号匹配的实现  32-33
  3.4 SMAC 协议描述  33-39
    3.4.1 SMAC 解决方案描述  33-35
    3.4.2 SMAC 协议中握手机制  35-36
    3.4.3 SMAC 协议中的BO（back off）机制  36
    3.4.4 SMAC 协议中的网络场景冲突图  36-38
    3.4.5 SMAC 中发送节点发送控制流程  38
    3.4.6 SMAC 中接受节点接受制流程  38-39
  3.5 小结  39-40
第四章实验平台简介  40-45
  4.1 GNU Radio+USRP  40-43
    4.1.1 GNU Radio  40-41
    4.1.2 USRP 概述  41-43
  4.2 NS2  43-44
  4.3 Matlab  44
  4.4 小结  44-45
第五章 SMAC 的模拟验证与评测分析  45-53
  5.1 MAC 地址与PN 序列的效果分析  45-47
  5.2 基于不同级别的匹配效果分析  47-49
  5.3 SMAC 的性能分析  49-52
    5.3.1 节点密度对节点性能的影响  49-50
    5.3.2 网络吞吐量对节点性能的影响  50-51
    5.3.3 干扰及通信半径对节点性能的影响  51-52
  5.4 小结  52-53
第六章工作总结与展望  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-58
作者在学期间取得的学术成果  58

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