无线自组织网络mac层qos技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文无线自组织网络MAC层QoS技术研究姓名：许昌春申请学位级别：博士专业：信息与通信工程指导教师：张尧学;杨宗凯20071107摘要移动无线自组织网络（MobileWirelessAdHocNetworks，MANET）是一种特殊的无线通信网络，是由多个带有无线收发装置的节点组成的一个多跳的自治系统，网络中的节点同时具有主机和路由器的功能。近十年来，无线自组织网络日益成为计算机网络和无线通信领域的研究热点，至今方兴未艾。由于不需要固定的基础设施并且具有极强的抗毁性能，无线自组织网络具有很高的

2、军事应用价值。无线自组织网络的主要特征是无线信道共享、误码率高、多跳通信以及动态拓扑等，在这种情况下为多媒体通信提供服务质量（QoS）的支持具有很大的挑战性。媒体接入控制（MAC）协议位于MANET协议栈的下层，对网络的性能影响极大，在MAC层提供QoS支持是无线自组织网络的关键技术，本文围绕这一热点问题展开了深入研究。当前无线自组织网络最重要的MAC协议是IEEE802.11DCF，DCF是一种基于载波监听和冲突避免的随机接入协议。本文在分析802.11DCF协议的性能的基础上，深入分析了802.11无线自组织

3、网络在MAC层实现服务区分和统计意义上QoS支持的能力。另一方面，考虑战术AdHoc网络的特殊情况，设计了一种基于多收发机的MAC协议。具体研究成果如下：（1）非饱和条件下IEEE802.11DCF协议性能分析在假设节点的发送缓冲区只能容纳一个数据分组的前提下，建立了一个二维马尔可夫链模型，准确分析了任意负荷条件下802.11DCF协议的性能包括吞吐量、平均分组时延、时延的方差等。结果表明，基本接入机制可获得与RTS/CTS机制几乎一样的最大吞吐量，并且时延性能大大优于饱和状态，从而初步表明802.11DCF具有

4、支持统计意义服务质量的能力，也为全文的研究奠定基础。（2）非饱和条件下IEEE802.11e区分服务机制性能分析将针对非饱和条件下的马尔可夫链模型进行推广，分析结果表明，基于初始竞争窗口的IEEE802.11eEDCA仅能在饱和条件下实现QoS（吞吐量、平均分组时延等）的相对区分，不能提供QoS的任何保证，而且当网络的总负荷低于最佳值时，I基于初始竞争窗口的IEEE802.11e基本上不能提供QoS的区分。（3）非饱和条件下的服务区分和QoS保证技术提出了直接基于业务负荷（即分组大小乘以到达率）的区分服务机制，设

5、各个业务流具有不同的分组大小和到达率，分析结果表明，在控制总负荷的情况下，各个站点的吞吐量近似等于其负荷（即分组大小乘以到达率），而且平均分组时延比饱和状态小得多。（4）IEEE802.11MAC层排队性能分析上述创新点均假设站点的发送队列只能容纳一个数据分组，因此无法分析排队性能。新的分析模型由一个广义的马尔可夫链模型和M/G/1/K排队模型组成，能够准确地分析吞吐量、平均排队时延、MAC服务时间的均值及其标准差、分组阻塞概率等排队性能指标。（5）非饱和条件下802.11DCF协议的性能优化和准确统计意义上的Q

6、oS保证通过理论推导，得出最佳总负荷以及最优性能指标的解析表达式。当处于最佳总负荷点时，IEEE802.11DCF可准确提供统计意义上的QoS保证，即吞吐量最大化、平均排队时延和分组阻塞概率趋近零、MAC服务时间的均值和标准差都大大低于饱和状态下的值，本文进一步推导得到了最大吞吐量的下界、MAC服务时间的均值和标准差的上界。（6）基于多收发机的MAC协议研究传统的AdHoc网络处于节能的考虑，每个节点只配备一个无线收发机，另一方面，IEEE802.11标准定义了多个频段而实际系统只使用其中一个。以车辆或舰艇为节点

7、的战术AdHoc网络由于能量供应和节点尺寸上的优势，每个节点可配备多个无线收发机并充分利用802.11所定义的多个信道。本文设计了相应的MAC协议并分析其性能，该协议可大大提高多跳环境下的空分复用程度从而显著提高系统的吞吐量。关键词:IEEE802.11，无线自组织网络，非饱和条件，性能分析，马尔可夫链，服务质量，多收发机IIAbstractAmobilewirelessadhocnetwork(MANET)comprisesofaclusterofmobilenodeswithoutanyfixedinfras

8、tructureofbasestation.Duetothetransmissionrangeconstraintoftransceivers,twomobilenodesmaycommunicatewitheachothereitherdirectly,iftheyarecloseenough,orindirectly,byhavingotherintermediate