基于TDMA和网络编码的低时延无线Mesh网络协议研究与节点实现

发布时间：2017-09-29 09:23

  本文关键词：基于TDMA和网络编码的低时延无线Mesh网络协议研究与节点实现

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【摘要】：无线Mesh网络广泛应用于军事领域和商业民用领域。城域接入网的音频和视频业务、应急通信等对无线Mesh网络的时延特性提出了较高的要求,研究低时延无线Mesh网络具有十分重要的意义和价值。本文对近年来国内外基于无线Mesh网络的TDMA调度算法与网络编码技术进行了归类综述,阐述了无线Mesh网络时延特性研究现状。利用排队论从系统负荷和时隙分配位置对基于TDMA的无线Mesh网络节点时延进行了分析,在此基础上分析了传输跳数和流量分布对无线Mesh网络端到端时延的影响。针对传统时隙分配协议没有考虑时隙分布位置的问题,在分析了不同用于竞争的数据帧长对节点时延的影响的基础上,提出了动态最小帧长均匀时隙分配协议DMFUSAP,利用两跳内主时隙计算本地最小数据帧长,通过主时隙轮换和优先级列表移位,使节点时隙均匀分布。仿真结果表明DMFUSAP协议的7跳传输时延比DP-TDMA协议降低了54.9%;比USAP协议降低了46.5%。考虑到路由与流量分布对无线Mesh网络端到端时延的重要性,在分析了已有协议的情况下,利用网络编码技术,并把编码节点对节点带宽的影响考虑到协议中,提出了低时延编码感知路由协议LDCAR。LDCAR协议在路由发起阶段估算路由路径上的节点时延,能够实时地选择时延较短的路由。仿真结果表明,LDCAR协议的网络平均端到端时延在在请求到达速率为25 session/min时比DCAR协议低42.3%,比QCAR协议低21.2%。最后,本文在权衡设计指标与设计难度的基础上,选择了本文提出了两种改进协议算法并以FPGA为平台设计实现节点。本文利用NIOS处理器设计了基于FPGA的软硬件结合节点系统,能够根据实际网络需求对网络参数进行灵活配置。测试结果表明,数据率为100Kbps时,一跳时延为1.89ms,四跳时延为9.22ms;数据率为300Kbps时,一跳时延为9.31ms,四跳时延为63.52ms。结果表明设计符合项目要求。
【关键词】：无线Mesh网络 时延 时分多址 网络编码 现场可编程门阵列
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-13
• 缩略词表13-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 基于无线Mesh网络的TDMA调度算法15-16
• 1.2.2 基于无线Mesh网络的网络编码技术16-17
• 1.2.3 低时延无线Mesh网络研究现状17-20
• 1.3 本文的结构安排20-21
• 第二章 无线Mesh网络时延理论分析21-30
• 2.1 无线Mesh网络概述21-22
• 2.2 基于TDMA的无线Mesh网络节点时延分析22-25
• 2.2.1 无线Mesh网络节点时延总体分析22-23
• 2.2.2 系统负荷和时隙分配位置对节点时延的影响23-25
• 2.3 无线Mesh网络端到端时延分析25-29
• 2.3.1 无线Mesh网络端到端时延模型26
• 2.3.2 传输跳数对网络端到端时延的影响26-28
• 2.3.3 流量分布对网络端到端时延的影响28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 动态最小帧长均匀时隙分配协议DMFUSAP30-54
• 3.1 传统时隙分配协议的不足30-31
• 3.2 时隙随机分布下不同帧长的时延分析31-33
• 3.3 改进的动态最小帧长均匀时隙分配协议33-48
• 3.3.1 避免竞争冲突的帧结构33-35
• 3.3.2 基于二叉树的时隙管理结构35-38
• 3.3.3 DMFUSAP协议流程38-47
• 3.3.4 协议算法复杂度分析47-48
• 3.4 仿真与性能分析48-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第四章 低时延编码感知路由协议LDCAR54-75
• 4.1 传统网络编码路由的不足54
• 4.2 网络编码对编码节点时延的影响分析54-59
• 4.2.1 网络编码基本拓扑结构55-57
• 4.2.2 编码节点的可用带宽分析57-58
• 4.2.3 编码节点时延分析58-59
• 4.3 改进的低时延编码感知路由LDCAR59-71
• 4.3.1 编码节点及其基本拓扑结构59-61
• 4.3.2 LDCAR协议流程61-70
• 4.3.3 协议算法复杂度分析70-71
• 4.4 仿真与性能分析71-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 基于SoC的无线Mesh节点系统实现与性能分析75-94
• 5.1 节点系统实现方案选择75-76
• 5.2 节点系统总体结构及实现平台选择76-78
• 5.2.1 节点系统总体结构76-77
• 5.2.2 实现平台选择77-78
• 5.3 节点系统关键模块设计与仿真验证78-90
• 5.3.1 NIOS处理器可配置寄存器设计78-80
• 5.3.2 物理层接.设计与验证80-84
• 5.3.3 MAC控制状态机设计与验证84-88
• 5.3.4 网络控制状态机设计与验证88-90
• 5.4 测试结果与性能分析90-92
• 5.5 本章小结92-94
• 第六章 总结与展望94-96
• 6.1 工作总结94-95
• 6.2 研究展望95-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-101
• 个人简历及攻读硕士期间的研究成果101-102

【共引文献】

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本文编号：941253