無線自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層QoS技術(shù)研究.pdf

1、移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Wireless Ad Hoc Networks，MANET)是一種特殊的無線通信網(wǎng)絡(luò)，是由多個帶有無線收發(fā)裝置的節(jié)點組成的一個多跳的自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點同時具有主機和路由器的功能。近十年來，無線自組織網(wǎng)絡(luò)日益成為計算機網(wǎng)絡(luò)和無線通信領(lǐng)域的研究熱點，至今方興未艾。由于不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施并且具有極強的抗毀性能，無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有很高的軍事應(yīng)用價值。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的主要特征是無線信道共享、誤碼率高、多跳

2、通信以及動態(tài)拓撲等，在這種情況下為多媒體通信提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)的支持具有很大的挑戰(zhàn)性。媒體接入控制(MAC)協(xié)議位于MANET協(xié)議棧的下層，對網(wǎng)絡(luò)的性能影響極大，在MAC層提供QoS支持是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，本文圍繞這一熱點問題展開了深入研究。
　　 當前無線自組織網(wǎng)絡(luò)最重要的MAC協(xié)議是IEEE802.11DCF，DCF是一種基于載波監(jiān)聽和沖突避免的隨機接入?yún)f(xié)議。本文在分析802.11DCF協(xié)議的性能的基礎(chǔ)上，深入分

3、析了802.11無線自組織網(wǎng)絡(luò)在MAC層實現(xiàn)服務(wù)區(qū)分和統(tǒng)計意義上QoS支持的能力。另一方面，考慮戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊情況，設(shè)計了一種基于多收發(fā)機的MAC協(xié)議。具體研究成果如下：
　　 (1)非飽和條件下IEEE 802.11 DCF協(xié)議性能分析
　　 在假設(shè)節(jié)點的發(fā)送緩沖區(qū)只能容納一個數(shù)據(jù)分組的前提下，建立了一個二維馬爾可夫鏈模型，準確分析了任意負荷條件下802.11DCF協(xié)議的性能包括吞吐量、平均分組時延、時延的

4、方差等。結(jié)果表明，基本接入機制可獲得與RTS/CTS機制幾乎一樣的最大吞吐量，并且時延性能大大優(yōu)于飽和狀態(tài)，從而初步表明802.11DCF具有支持統(tǒng)計意義服務(wù)質(zhì)量的能力，也為全文的研究奠定基礎(chǔ)。
　　 (2)非飽和條件下IEEE802.11e區(qū)分服務(wù)機制性能分析
　　 將針對非飽和條件下的馬爾可夫鏈模型進行推廣，分析結(jié)果表明，基于初始競爭窗口的IEEE 802.11eEDCA僅能在飽和條件下實現(xiàn)QoS(吞吐量、平均分組時

5、延等)的相對區(qū)分，不能提供QoS的任何保證，而且當網(wǎng)絡(luò)的總負荷低于最佳值時，基于初始競爭窗口的IEEE 802.11e基本上不能提供QoS的區(qū)分。
　　 (3)非飽和條件下的服務(wù)區(qū)分和QoS保證技術(shù)
　　 提出了直接基于業(yè)務(wù)負荷(即分組大小乘以到達率)的區(qū)分服務(wù)機制，設(shè)各個業(yè)務(wù)流具有不同的分組大小和到達率，分析結(jié)果表明，在控制總負荷的情況下，各個站點的吞吐量近似等于其負荷(即分組大小乘以到達率)，而且平均分組時延比飽和狀

6、態(tài)小得多。
　　 (4)IEEE802.11MAC層排隊性能分析
　　 上述創(chuàng)新點均假設(shè)站點的發(fā)送隊列只能容納一個數(shù)據(jù)分組，因此無法分析排隊性能。新的分析模型由一個廣義的馬爾可夫鏈模型和M/G/1/K排隊模型組成，能夠準確地分析吞吐量、平均排隊時延、MAC服務(wù)時間的均值及其標準差、分組阻塞概率等排隊性能指標。
　　 (5)非飽和條件下802.11DCF協(xié)議的性能優(yōu)化和準確統(tǒng)計意義上的QoS保證
　　 通過

7、理論推導，得出最佳總負荷以及最優(yōu)性能指標的解析表達式。當處于最佳總負荷點時，IEEE 802.11DCF可準確提供統(tǒng)計意義上的QoS保證，即吞吐量最大化、平均排隊時延和分組阻塞概率趨近零、MAC服務(wù)時間的均值和標準差都大大低于飽和狀態(tài)下的值，本文進一步推導得到了最大吞吐量的下界、MAC服務(wù)時間的均值和標準差的上界。
　　 (6)基于多收發(fā)機的MAC協(xié)議研究
　　 傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)處于節(jié)能的考慮，每個節(jié)點只配備一個無