智能无线局域网的接入机制选择与动态优化研究

发布时间：2020-08-11 19:38

【摘要】：近几十年,IEEE 802.11无线局域网络由于其可移动、低成本、高速率等特性,越来越多地普及到人们的学习、工作和生活中。为了满足广大用户日益增长的高速率、低时延的网络需求,针对无线局域网的网络性能进行优化与改进一直是研究的热点。802.11标准作为无线局域网的通用标准,旨在实现无线局域网内无线设备的兼容互连。而IEEE 802.11 MAC层的性能提升越来越成为限制IEEE802.11技术演进的关键瓶颈,因此,本文以下一代智能无线局域网中的接入机制选择和动态性能优化为主要研究问题,从理论与仿真两个方面展开研究。首先,本文梳理了课题的研究背景及意义、国内外研究现状和IEEE 802.11 MAC层的关键技术要点,重点介绍了基于CSMA/CA机制的DCF接入协议,详细分析了基本接入机制与RTS/CTS机制的工作流程以及二进制指数退避算法的具体过程。其次,为了本文后续研究内容的展开,本文基于前期理论研究,验证了NS-3仿真平台中IEEE802.11 MAC模型的准确性。利用Dai的IEEE 802.11 DCF网络的统一框架理论模型,考虑不同的网络场景,包括不同的网络状态、变化的系统参数、不同的接入机制以及不同的网络拓扑,全面地验证了NS-3 IEEE 802.11 MAC层的准确性。理论与仿真结果表明,NS-3平台能够作为IEEE 802.11 DCF网络的性能设计与实现的可靠仿真工具。再次,针对无线局域网中的RTS阈值设置为固定值,接入机制无法及时地在基本接入机制与RTS/CTS机制间切换的固有设定模式,本文从理论模型上推导出了最佳RTS阈值的显式表达式,并结合NS-3平台验证了最佳RTS阈值的准确性和接入机制选择的可行性。根据最佳RTS阈值与网络系统参数的关系,本文设计可自适应接入机制选择的无线局域网,并在NS-3仿真平台中进行了实现,有望直接扩展至硬件实验平台。理论与仿真结果的高度吻合说明了该方案的准确性,网络能够根据网络当前用户数量及负载情况,始终自适应工作在最佳的接入机制下,网络吞吐量得到了显著的改善。最后,为解决当前标准设置的静态退避参数导致网络吞吐量性能随着用户数量增加而下降的问题,本文分析与比较Bianchi的经典二维马尔可夫模型与Dai的理论模型,发现基于Dai的理论模型中所得的最优初始退避窗口显式表达式,可以保证网络吞吐量的最大化。基于最优初始退避窗口与网络系统参数的关系,本文设计了可动态优化网络吞吐量的无线局域网原型,并在NS-3仿真平台中进行了实现。理论与仿真的高度匹配充分证明了该算法的准确性,为无线局域网的智能优化提供了重要的理论指导意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925.93
【图文】：

仿真平台,时对应,窗口大小,情况

(a) 节点数目为 5 (b) 节点数目为 10图 5-3 NS-3 仿真平台下实时节点数目变化时对应的 IP 地址产生情况有系统参数配置保持一致。利用公式（3.6）-公式（3.9）、公式（5.2）可以计算基机制与 RTS/CTS 机制下的τT和 τF、以及最优初始退避窗口大小 Wm。网络节点初始退避窗口大小更新为最优初始退避窗口大小的值，实现网络吞吐量的最大化NS-3上设计可动态优化的无线局域网，网络中配置所有节点以54 Mbps的速1023字节的数据帧，控制帧的发送速率为6 Mbps。按照IEEE 802.11 标准的初始口的设置，其值固定为 16，最大退避等级设置为 6。为了设计可自适应动态优化局域网，实时增加或者减少网络节点数目 n、或者实时变化网络数据帧发送速率及控制帧发送速率RB。最后，比较采用最优初始退避窗口大小的设置方法与初始口大小设定为静态值的固定模式，观察两种方案下的网络吞吐量性能差异，并分设计结果的准确性。5.3 仿真结果与分析

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