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(gè)帶有無線收發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有主機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(qiáng)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(jià)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?fù)涞?，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(diǎn)問題展開了深入研究。
　　 當(dāng)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(jī)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(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)分和統(tǒng)計(jì)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(jì)了一種基于多收發(fā)機(jī)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(diǎn)的發(fā)送緩沖區(qū)只能容納一個(gè)數(shù)據(jù)分組的前提下，建立了一個(gè)二維馬爾可夫鏈模型，準(zhǔn)確分析了任意負(fù)荷條件下802.11DCF協(xié)議的性能包括吞吐量、平均分組時(shí)延、時(shí)延的

4、方差等。結(jié)果表明，基本接入機(jī)制可獲得與RTS/CTS機(jī)制幾乎一樣的最大吞吐量，并且時(shí)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(jì)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(jī)制性能分析
　　 將針對非飽和條件下的馬爾可夫鏈模型進(jìn)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(shí)現(xiàn)QoS(吞吐量、平均分組時(shí)

5、延等)的相對區(qū)分，不能提供QoS的任何保證，而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的總負(fù)荷低于最佳值時(shí)，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(fù)荷(即分組大小乘以到達(dá)率)的區(qū)分服務(wù)機(jī)制，設(shè)各個(gè)業(yè)務(wù)流具有不同的分組大小和到達(dá)率，分析結(jié)果表明，在控制總負(fù)荷的情況下，各個(gè)站點(diǎn)的吞吐量近似等于其負(fù)荷(即分組大小乘以到達(dá)率)，而且平均分組時(shí)延比飽和狀

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

7、理論推導(dǎo)，得出最佳總負(fù)荷以及最優(yōu)性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。當(dāng)處于最佳總負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，IEEE 802.11DCF可準(zhǔn)確提供統(tǒng)計(jì)意義上的QoS保證，即吞吐量最大化、平均排隊(duì)時(shí)延和分組阻塞概率趨近零、MAC服務(wù)時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差都大大低于飽和狀態(tài)下的值，本文進(jìn)一步推導(dǎo)得到了最大吞吐量的下界、MAC服務(wù)時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的上界。
　　 (6)基于多收發(fā)機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)只配備一個(gè)無