无线自组网MAC层协议及跨层协同技术研究

发布时间：2020-09-04 15:14

　　无线自组织网络(Wireless Ad Hoc Networks,WANET)是一种无固定设备支持的自组织、自管理的网络系统,目前应用广泛、发展迅速并且依然极具发展潜力。WANET不仅在国防军事上有广泛的应用,而且也大量应用在民用活动中,比如探险救援、道路监测、灾情预防等。随着日益丰富的无线通信及网络传输新技术、新概念的引进和融入,WANET系统发展呈现出应用场景丰富化、功能多样化、系统设计复杂化的趋势。因此,如何提升WANET的传输吞吐量、时延以及能耗等方面的综合性能成为当前重要的研究内容。本文针对WANET中的介质访问控制(Media Access Control,MAC)层接入、跨层协同传输等技术热点,从多信道传输、高能效MAC协议设计、高动态场景接入和物理层/MAC层/网络层架构四方面开展深入研究,从而达到提升WANET系统性能的目的。文章主要研究内容及创新性贡献包括以下四个部分:(1)针对多信道场景下的多跳传输中节点接入问题,提出了一种包含辅助中继节点选择传输策略的MAC层协议及相关信道分配算法。该协议基于多信道多跳传输技术进行接入时隙设计,合理并充分的对中继节点及辅助节点的空闲时隙加以利用,从而在中继时可选择最佳节点进行传输;本协议中提出的信道公平分配策略基于信道状态信息来信道分配以使得增益最大化,并结合传输环境因素加以优化。在多信道多跳WANET场景中进行的仿真分析可以证明其对网络吞吐量、时延以及传输公平性的提高。(2)针对当前单一类型的MAC协议的传输性能不足以及WANET系统对低能耗的迫切需求,提出了基于MAC层功率控制的混合类接入协议。该协议分别在传统载波侦听和时分复用传输机制的基础上,进行针对不同应用场景的传输需求,对二者进行优化改进,并将二者有机结合后设计出新的MAC层协议,使其在竞争阶段减少了不必要的开销和控制信息传输次数,在非竞争阶段增加了对空闲时隙的利用率。通过分析证明该协议相比现有同类协议,不但可以节省传输能耗,还能够提高网络吞吐量。(3)针对WANET的一个重要的应用领域,即飞行自组网(Flying Ad Hoc Networks,FANET)中的传输特性与动态组网需求,设计了一种高效、低能耗的MAC层协议,并基于该协议针对高动态捷变网络三维情景进行优化设计。该协议结合了FANET中的应用场景高动态化、立体化等特点及低功耗需求,将收发阶段的传输机制分别进行独立设计,使之提高了FANET的传输性能,降低能耗以延长节点全生命周期。相比现有同类协议,本章的设计可以有效地降低高速移动网络的能耗、提高网络吞吐量。(4)针对WANET中单层传输架构的网络特性局限性,提出了“MAC层-物理层”双层传输架构以及“网络层-MAC层-物理层”三层传输架构。通过分析跨层协同传输技术在WANET系统中的重要性,首先在双层架构中设计了一种基于分布式编码缓存的多址接入机制,使得网络能够在低负载阶段利用空闲时隙进行缓存,以降低高负载时网络的传输压力,能够应对突发的高负载通信情况;进而将网络层引入跨层协同传输架构,可以利用网络层路由信息来进行节点位置及距离信息获取,并根据所得到的节点信息结合MAC层与物理层来调节传输功率,最终达到高效传输的目的。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

固定设施,结构对比

研究背景近年来，以移动电话、便携式计算机、移动智能电子穿戴设备、车载智能设备以及家居家电等为代表的移动计算与通信装置正在以指数增长的形式迅速的推动着信会的发展与变革[1]。与此同时，大量的移动设备所需的网络连接服务和数据获取服为了各类用户或客户端所迫切需要的[2][3]。目前而言，依然有大多数的网络连接是固定的基础服务设施（比如网络通信基站等）所实现的[4]。但是这种模式也存在着缺点和不足之处，首先是在人力、物力、财力方面的高要求、高代价；更重要的是，少固定基站或者处于固定设施遭易到破坏的环境中，这类网络将无法进行可靠的信输[5]。在这种情况下，一种不需要固定基础设施的无线分布式网络可以解决上述问题，通之为无线自组织网络，也叫无线自组网（Wireless Ad Hoc Networks, WANET）。该的各个节点通常是移动的，并且发送节点的信息一般需要多次中继才能到达目的节因此又称之为移动自组网（MobileAd Hoc Networks, MANET）[6]。图 1-1 展示了传靠固定设施的网络与 WANET 的区别，左上为传统的基于基站的固定网络（Fixedork）,左下为基于固定网络的部分自组织网络，而右边为无固定设施的 WANET。

城市网络

纪以来得到了飞速的发展及广泛的应用[8][18]。得益于 WANET 本身的无中心结构，有许多对网络扩展性能高并且无法依赖于固络设施的场景可以选择 WANET 来完成所需任务。与此同时，WANET 的快速部署态适应能力可以使其应对环境变化快的应用场景[19]。伴随着 WANET 及相关技术的发展，近年来以及未来一段时间内，WANET 将会在以下场景中得到广泛的应用。1）WSN 系统：作为收集特定信息的设备，各式各样的传感器已经遍布在生活中，大量的数据需网络中传输。在很多环境中，传感器是难以通过固定传输设备进行信息传输的，因要依靠组成 WANET 进行传输[20][21]。随着各种相关技术的发展，未来 WSN 中的传感器节点会朝着小型化甚至微型化向发展，可以近似成一个具有电源和简单计算能力的自治、紧凑的低成本节点，甚展成为尘埃传感器。通常情况下会要求这种尘埃传感器工作时间达到数小时甚至数且在无源状态下，传感器的功耗将决定着其全生命周期，甚至是整个网络的全生命，因此对 WANET 及 WSN 应用中的 MAC 协议设计的功耗和节能提出了严峻的挑][23]。

示意图,示意图,维护机制,通信频率

图 1-3 平级结构 WANET 示意图中，具体分为单频分级和多频分级，其结构示意图级即是所有节点使用同一个频率进行通信传输，而通信频率进行传输。这种分级结构的优势是每个簇而且具有较好的可扩展能力[32][33]。并且在簇头失效整体网络具有较高的抗毁能力。但是缺点是整体网而且簇头可能成为网络传输及能耗的瓶颈，在选取维护机制要求较高[34]。

【相似文献】