试论ad hoc网络中共享单信道mac协议研究

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1、中国科学院计算技术研究所博士学位论文AdHoc网络中共享单信道MAC协议研究姓名：冯彦君申请学位级别：博士专业：计算机系统结构指导教师：宋成20041201摘要AdHoc网络是一种自组织多跳无线网络，介质访问控制层(MediumAccessControl，MAC)是AdHoc网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的直接摔制者，MAC协议能否高效地利用有限的无线资源对AdHoc网络的性能起决定性作用。针对AdHoc多跳路由、拓扑动态变化、无线干扰的时变性、以及节点分布式资源共享等特点，本论文围绕MAC协议性能这个关键问题，深入分析了影响协议性能的木质原因，并提出相应的算法和改进

2、机制。本文主要贡献和创新如下：第一：当前的无线MAC协议大多具有多速率支持，选择适合当前无线信道状态的速率和包长度是优化无线信道利用率的有效方法；已有的速率自适应机制要么只进行简单定性速率自适应，要么过于复杂而不适合便携移动设备。本章提出了一种定量的速率自适应机制，通过优选包长度和发送速率定量实现网络性能优化，该机制包括基于BER测量的SNR估算过程(BER-Probing—basedSNREstimating，BPSE)和基于信噪比估算的包长和速率自适应过程(SNR—estimating—basedLengthandRateAdaptation，SLRA)。其中，BPSE先通过发送高速特

3、征序列串来测量比特误码率(13itErrorRave)，然后根据BER／SNR(SjgnaltoNoiseRatiO)经验曲线，查表得出当前信道的SNR以及当前SNR下各个速率的BER。SLRA先通过求解有效带宽(goodput)、BER和包长度的解析方程，然后得到各种速率下的最优有效带宽、及其相应的包长度，从而在理论上优化有效带宽；由于SLRA计算过程非常复杂，我们提出了近似查表的方法来简化优化过程，使得其适用于便携式通信设备。理论分析和仿真试验结果表明，该机制能极大优化多速率MAC协议的有效带宽。第二：在传统低速AdHoc网络中，MAC协议采用固定低速率的RTS／CTS握手机制，但该机

4、制不适合应用于当前的多速率高速AdHoc网络，因为这将导致严重的大干扰区问题和性能下降。我们提出了一种适合多速率高速AdHoc网络的自适应RTS／CTS握手机制，来解决多速率MAC协议在AdHoc网络中的大干扰区问题和性能低下问题，该自适应过程包括发送端的自适应RTS机制(AdaptiveRTS，A—RTS)和接收端的自适应CTS机制(AdaptiveCTS，A．CTS)。在发送端，当传输过程出现一次RTS重传超时失败时，A—RTS机制就降低一档RTS速率发送，只有连续10次成功传输时，A—RTS机制才提高一档RTS发送速率，通过这种RTS发送速率自适应策略，可以避免固定低速率发送RTS导

5、致系统性能降低。在接收端，通过信号衰减模型来判断接收端能否确保接收数据，当能确保正常接收数据时，接收端肯定反馈CTS；当不能确保正常接收数据时，接收端采用发送概率P来反馈CTS帧，其中P由AIMD(Additive．IncreaseMultiplicative—Decrease)策略确定。仿真试验表明，A．RTS和A—CTS机制可以有效缓解AdHoc网络中的大干扰区问题，提高有效带宽利用率和能量利用率。第三：AdHoc中广泛存在多种阻塞问题，这严重影响AdHoc网络的性能。本章提出了基于混合访问方式和多目的：肖点的握手协议HM．RTS／CTS(Hybrid—andMulti-destina

6、tion．based)，该机制通过多目的地址请求帧(Multiple．RTS，M．RTS)和接收端发起的传输请求(Receiver—initiatedRTS，R—RTS)来缓解AdHoc网络中各种原因引起的包阻塞问题，从而提高AdHoc网络的空间利用率。我们采用性能分析数学模型对HM—RTS／CTS、IEEE802．1lx和一种采用额外忙音信道提高空间复用的机制进行了分析，结果表明：当误帧率较低时，HM—RTS／CTS性能最好；当误帧率较高时，HM．RTS／CTS性能接近于采用忙音的改进机制。仿真试验进步验证了理论分析结果。最后，总结r全文，并给出了今后的研究方向。关键词：移动自组织网络，

7、介质访问协议，性能，有效带宽IIMediumAccessControlProtocolinAdHocNetworkswithSingleSharedChannelYah—JunFENG(ComputerArchitecture)DirectedByChuckSongAdHocNetworkisamulti-hopandself-organizedwirelessnetworkInsuchnetworks，AccessCo