無線自組網(wǎng)MAC及路由技術(shù)研究.pdf

1、無線自組網(wǎng)的無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲、無線信道帶寬有限、節(jié)點能力受限等特點使得它面臨傳統(tǒng)因特網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)所沒有的巨大挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)這種獨特的組網(wǎng)方式，必須為無線自組網(wǎng)設(shè)計相應(yīng)的協(xié)議。MAC層和網(wǎng)絡(luò)層是無線自組網(wǎng)協(xié)議棧最具特色的兩層。移動自組網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線自組網(wǎng)的兩個重要應(yīng)用分支，面向不同應(yīng)用領(lǐng)域，具有不同特點。移動自組網(wǎng)主要面向“人與人”之間的移動通信。節(jié)點的自由移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲快速變化，如何適應(yīng)動態(tài)拓撲是移動自組網(wǎng)

2、設(shè)計的主要挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要面向“物與物、人與物”之間的信息交互。電池能量耗盡是傳感器節(jié)點失效的主要原因。如何高效使用能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)。 本文研究工作面向無線自組網(wǎng)的兩個重要應(yīng)用，圍繞MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵問題展開，從無線自組網(wǎng)信道接入公平性、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗MAC地址編碼、移動自組網(wǎng)路由動態(tài)拓撲適應(yīng)性等方面進行了深入研究，取得以下創(chuàng)新性研究成果： (1)針對無線自組網(wǎng)信道接入公平性問題，提出了主

3、動退讓公平算法。 節(jié)點信道接入的公平性是評價無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議性能的重要指標。IEEE802.1lMAC協(xié)議是無線自組網(wǎng)MAC層事實標準，采用二進制指數(shù)退避算法實現(xiàn)節(jié)點隨機接入。由于隱藏終端、位置競爭等因素影響，二進制指數(shù)退避算法在無線自組網(wǎng)存在節(jié)點接入不公平現(xiàn)象。針對該問題，本文提出了主動退讓公平算法。新算法采用主動退讓機制避免節(jié)點持續(xù)占用信道，改善公平性；利用數(shù)據(jù)突發(fā)機制減少信道接入退避等待時間，提高吞吐量。分析與仿真結(jié)果

4、表明：與二進制指數(shù)退避算法相比，主動退讓公平算法能夠有效改善公平性并維持吞吐量。新算法與IEEE802.11兼容，實現(xiàn)簡單。 (2)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC地址編碼低功耗問題，提出了混合地址編碼算法。 通信能量開銷是無線傳感器能量消耗的主要因素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗MAC地址編碼設(shè)計不僅要考慮地址通信能量開銷，而且要考慮地址編碼容量、不同地址類型支持、地址編碼公平性等因素。本文分析了現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定長地址編碼

5、和哈夫曼地址編碼的優(yōu)缺點，給出了地址編碼性能評估參數(shù)，提出了一種混合地址編碼算法。仿真結(jié)果表明新算法融合了兩種地址編碼的優(yōu)點，較好地滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗MAC地址編碼的設(shè)計要求。 (3)針對移動自組網(wǎng)路由動態(tài)拓撲適應(yīng)性問題，提出了基于鄰居變化率的穩(wěn)定路徑選擇方法。 動態(tài)拓撲是移動自組網(wǎng)的主要特征。拓撲的動態(tài)變化導(dǎo)致移動自組網(wǎng)路由中斷頻繁，使得網(wǎng)絡(luò)性能下降，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展受限。尋找穩(wěn)定路徑是減少路由中斷、提高路由動態(tài)拓

6、撲適應(yīng)性的有效手段。現(xiàn)有穩(wěn)定路徑尋找方法存在以下局限：需要節(jié)點具有地理位置定位的硬件功能支持，或需要交叉層功能支持——MAC層將無線信號強度上傳到網(wǎng)絡(luò)層。為此本文提出了不需要特殊硬件支持、可獨立于底層協(xié)議工作、基于鄰居變化率的穩(wěn)定路徑選擇方法，新方法選擇轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)少并且局部拓撲變化小的路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。本文結(jié)合新方法將AODV路由協(xié)議擴展為NCR-AODV路由協(xié)議。仿真結(jié)果表明與AODV路由協(xié)議相比，NCR-AODV路由協(xié)議能夠有效減小長