基于位置和时隙的渔用Ad Hoc网络跨层协议设计

发布时间：2020-03-23 02:36

【摘要】：随着我国海洋经济的迅猛发展,我们需要进一步提升渔用通信装备的水平,来满足日益增加的海上通信需求。拓扑动态变化的Ad Hoc网络,在不依赖固定网络设备的情况下便可快速搭建,并且具有无中心、自组织等特性,这与海洋通信环境的特点相契合。因此可以通过将海上渔用通信与Ad Hoc网络的组网技术相结合,来提升渔用通信网络的性能。首先,本文介绍了Ad Hoc网络的基本概念与特点,在深入了解Ad Hoc网络的国内外研究现状的基础上,着重对Ad Hoc网络的分层协议模型进行了研究。由于作为Ad Hoc网络核心技术的MAC层信道接入协议和网络层路由算法,决定着网络的整体性能,因此又重点分析研究了经典的MAC协议与路由算法。其次,在学习借鉴经典协议的基础上,分析了蜂窝分簇的优点,结合地理位置信息,设计了一种基于位置和时隙的跨层协议,并取得了一些创新性的研究成果,最后使用NS-2网络仿真平台进行了性能仿真验证。主要内容与成果如下:1.提出ND_HC算法,改进邻居节点发现过程的性能。在ND_HC算法中,节点首先利用地理位置信息,结合蜂窝分簇算法,完成自身的地理位置分簇;其次独立划分时段完成邻居节点发现过程:将每个蜂窝簇均分为6个正三角形,为每个正三角形区域分配时帧,各个正三角形区域内的节点在其分配的时帧内,采用随机退避算法,竞争小时隙用来传输HELLO分组,从而实现邻居节点发现过程。仿真结果表明,相比于802.11机制下AODV协议的邻居发现性能,所提ND_HC算法能有更高的邻居发现成功概率和更短的邻居发现所需时间。2.提出TCD_HC算法,改进网络拓扑发现过程的性能。在TCD_HC算法中,节点首先使用ND_HC算法完成邻居节点发现过程;然后各节点根据收集的相同蜂窝簇内的邻居节点地理位置信息,采用分布式计算各邻居节点到所在蜂窝簇中心的距离,完成簇首竞选;最后簇首周期性地产生TC分组,TC分组包含了本簇内的节点信息与簇首节点的具体地理位置,实现全网节点信息交互。在TCD_HC算法中,簇首将通信速率降低为原来的1/4以获得近2倍的通信范围,使TC分组能在相邻簇首间一跳可达。TC分组在网络中仅由簇首或簇首指定的节点转发,簇内节点只接收获取信息,不产生、不转发TC分组,该机制使TCD_HC算法在减少了路由开销情况下依然能有效地完成全网拓扑发现。仿真结果表明,相比于802.11机制下主动式路由协议OLSR的全网拓扑发现性能,本文提出的TCD_HC算法完成拓扑发现所需时间更短,路由开销更小。3.完成基于位置和时隙的跨层协议HCPT设计。在HCPT协议中,采用TDMA机制,将时间均分为一个个时间片,在每个时间片中,又分成邻居节点发现时段和数传时段。在邻居节点发现时段,利用ND_HC算法完成邻居节点发现过程。在数传时段,先使用TCD_HC算法进行簇首间的TC分组交互,获取网络中各个蜂窝簇中的节点分布信息和簇首的具体地理位置。在信道接入机制上,节点首先使用RTS/CTS分组进行握手控制预约信道,成功后才能进行数据传输,完成DATA/ACK数传应答过程,提高了网络的可靠性。当有数据传输请求时,节点利用路由表中目的节点所在簇的簇首地理位置,结合贪婪原则选择中继节点进行数据转发。通过仿真,对比了OLSR、AODV与HCPT在不同网络负载下的网络性能。仿真结果表明:本文提出的HCPT跨层协议,具有更高的吞吐量以及更低的丢包率和时延,能更高效地传输数据。因此,HCPT跨层协议有更好的网络性能,对移动Ad Hoc网络的拓扑变化有很好的自适应性,为实际构建海上无线Ad Hoc网络提供了参考。
【图文】：

网络密度,时隙,节点

3.3.2 仿真结果和分析我们首先评估了不同大小的时隙退避窗口值 W 下的 ND_HC 算法的性能。如图3.5所示为时隙退避窗口W与网络密度对 ND_HC算法的每周期发现邻居节点比例 R_N 的影响。可以看出在相同网络密度下，W=30 时的 R_N 大于 W=20、W=10时的 R_N，即时隙退避窗口 W 值越大，每个邻居节点发现周期中可以发现的邻居节点比例越多，这是因为随着时隙退避窗口 W 值的增加，信道中的 HELLO 分组碰撞概率降低。图3.5 时隙退避窗口 W 与网络密度对 ND_HC 每周期发现邻居比例影响

影响图,网络密度,时隙,所需时间

降低网络性能。因此，对于 ND_HC 中时隙退避窗口 W 的取值，需要考虑网络节点密度的影响，在本文的后续仿真中，，使用 W=30 作为 ND_HC 的时隙退避窗口值。图3.6 时隙退避窗口 W 与网络密度对 ND_HC 发现所有邻居所需时间影响图 3.7 展示了随着网络密度增加，ND_HC 和基于 802.11 机制的 AODV 协议（以下简称802.11）每周期发现邻居比例R_N性能。在每个0.06s的邻居节点发现周期中，随着网络中节点数增加，则会有更多节点竞争信道发送 HELLO 消息，使碰撞概率增加。ND_HC 的性能比 802.11 更好，每个邻居节点发现周期中发现邻居的比率下降的更慢，即使整个区域内节点数增加到 280，ND_HC 也能在一个周期内发现 65%的邻居
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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