Ad Hoc网络跨层速率自适应机制研究

论文摘要

Ad Hoc网络是一种特殊形式的无线数据通信网,它不需要依赖于任何固定的网络基础设施,Ad Hoc网络以其灵活、健壮、投资少等特性,广泛适用于作战指挥、抢险救灾以及应付突发事件和执行应急任务的场合,但是Ad Hoc网络面临的不利条件,如无线信道质量时变性、带宽受限,功率受限等,使得传统的协议栈的性能急剧下降。传统网络协议层彼此透明,以保持各层协议设计的独立性,然而,无线通信环境的不确定因素,导致无线信道容量和误比特率等的时变特性,传统分层设计方法无法保证网络的最佳资源利用和用户业务的QoS需求。因此,网络跨层设计通过协议栈各层之间的信息交互,信息共享来达到一种全局的优化,而不是传统协议栈的层内优化,充分利用了各层资源,提高了整个系统性能。本文通过这一思想对自组织网络的MAC层/物理层速率机制进行了分析研究。首先,介绍了几种网络跨层协议栈和一些跨层设计的方法,并对网络各层进行跨层设计的基本问题进行了详细分析,为进一步的跨层设计打下了理论基础。其次,分析了802.11几种固定速率的性能差别,并针对物理层信道状况的即时变化,提出了速率自适应机制,其本质是找一个适合的MAC速率来最佳适应于物理层的信道质量变化,接下来,研究了一些多速率机制的原理。这些多速率的差别在于对信道质量评估的不同,而一些常见的信道估计信息包括接收功率,误码率,ACK统计等。这些估计信息不同程度上有一定的缺陷。针对这一问题,本文研究Ad Hoc网络中无线信道的时变特性与数据速率的自适应性。借助现有的几种速率自适应算法,分析其不足的地方并根据研究的结果提出了自适应算法的改进,采用新的信道估计参数SNR来与数据速率进行自适应,并对SNR衡量信道质量的合理性进行了分析,通过借鉴RBAR思想,对RTS/CTS进行信道估计,通过自适应算法把得到的数据速率传递给邻居节点,由于RTS/CTS的时间间隔跟数据报的传输间距较小,信道估计能反映当前的信道质量,故提高了信道预测的准确性和及时性。同时,论文通过仿真工具NS2对这一机制进行了仿真研究,结果表明,利用该机制,能够快速建立跨层协议的交互,使得MAC协议及时获取物理层协议的有用信息,从而可根据信道的状况动态调节MAC层速率,对系统的吞吐量有较大改善,最大限度利用了信道的带宽,提高了网络资源的利用率,在资源受限的Ad Hoc网络中有较为积极的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 自组织网络跨层设计概述
• 1.2.1 跨层设计必要性
• 1.2.2 跨层协议栈优点
• 1.2.3 跨层自适应机制简介
• 1.3 论文的工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 跨层设计和多速率理论
• 2.1 跨层协议栈模型研究
• 2.1.1 跨层协议栈简介
• 2.2 跨层设计分析
• 2.2.1 物理层设计对跨层设计的要求
• 2.2.2 MAC 层设计对跨层设计的要求
• 2.2.3 路由协议设计对跨层设计的要求
• 2.2.4 TCP 协议设计对跨层设计的要求
• 2.2.5 应用层业务QoS 对跨层设计的要求
• 2.3 跨层设计技术
• 2.3.1 跨层设计原则与方法
• 2.3.2 跨层信息交互研究
• 2.3.3 目前跨层设计相关的一些研究案例
• 2.4 跨层设计有效性与局限性
• 2.5 速率自适应理论及研究成果
• 2.5.1 速率自适应原理
• 2.5.2 自动降速ARF
• 2.5.3 基于接收端的自适应速率RBAR
• 2.5.4 机遇式自适应速率OAR
• 2.6 小结
• 第三章 基于速率自适应的跨层设计改进分析
• 3.1 速率自适应分析
• 3.1.1 自动降速ARF 分析
• 3.1.2 基于接收端的速率自适应RBAR 分析
• 3.1.3 机遇式自适应速率OAR 分析
• 3.1.4 OAR 与RBAR 比较
• 3.2 跨层速率自适应方案提出
• 3.2.1 不同调制方式下SNR 与BER 的分析
• 3.2.2 高斯白噪声信道下SNR 与信道容量分析
• 3.2.3 衰落信道下SNR 与信道容量分析
• 3.2.4 SNR 与速率自适应研究分析
• 3.2.5 MQAM 调制方式下SNR 与速率自适应
• 3.3 PHY/MAC 速率自适应实现方案
• 3.3.1 PHY/MAC 设计框图
• 3.3.2 物理层信噪比计算
• 3.3.3 跨层速率自适应实现方案
• 3.3.4 MAC 层帧格式改造
• 3.4 小结
• 第四章 NS2 跨层仿真验证
• 4.1 NS2 简介
• 4.1.1 NS2 网络仿真器结构
• 4.1.2 基于NS2 跨层设计模型
• 4.2 802.11b 在 NS2 中的仿真分析
• 4.2.1 传播模型分析
• 4.2.2 物理层参数分析
• 4.2.3 仿真脚本分析
• 4.3 NS2 网络仿真过程及结果分析
• 4.3.1 仿真场景配置
• 4.3.2 运行仿真
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间的研究成果