ad hoc网络mac协议模型分析及路由协议问题研究

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1、合肥工业大学博士学位论文AdHoc网络MAC协议模型分析及路由协议问题研究姓名：官骏鸣申请学位级别：博士专业：计算机应用技术指导教师：陆阳20090801摘要AdHoc网络是由一组带有无线射频的可移动终端组建的多跳自治系统。由于其具有易部署、自组织、无需借助基础设施等特点，可广泛用于军事、灾后救援、环境监测等领域，然而网络受带宽资源有限、分布式的竞争接入、动态拓扑特性等影响，使得信道接入协议与路由协议的设计受到极大挑战。论文分别从AdHoc网络MAC层DCF协议建模、信道接入协议设计、路由度量、备份路由协议以及适用于多射频多信道AdHoc网络路由算法等问题展开深入分析

2、和探讨，主要研究贡献归纳如下：当前，对于802．11的DCF非饱和性能分析大多是采用二维马尔可夫链进行数学建模。根据协议补充版本提出的Post-backoff过程，同时考虑到DCF机制对竞争节点的具有公平服务特征，推导出节点相邻两个包服务的时间间隔，从而求出节点工作在非饱和态下的传输周期，并得到吞吐量的数学表达式，这就大大简化了模型的复杂性。仿真验证了该方法能够有效地预测网络性能。随着网络节点数目的增多，每次传输碰撞的概率随之增大，导致DCF机制的性能下降。在最佳窗CI机制OCB(OptimalConstantBackoff)的基础上，为降低传输冲突概率，提出一个新的

3、信道接入协议OCB．VCS。如果多个节点的退避计数器同时递减到0，它们应进入一个包含多个竞争周期的虚拟冲突解决阶段：在每个竞争周期内，各竞争节点通过发送突发分组来声明对信道的占有，如果节点在此期间发现信道繁忙，它将退出竞争；最后，通过对该过程的数学建模，表明OCB．VCS具有较高的接入成功效率，仿真也证实了与DCF和OCB相比，OCB．VCS能够有效降低冲突概率，并提高网络吞吐量。基于802．11协议MAC层重传策略，提出一个衡量节点接入能力的参数CAM，以体现节点周围信道的繁忙程度及其抢占信道能力。在此基础上，联合MAC层和网络层进行跨层设计，提出了一个拥塞感知路由

4、CAOR(CongestionAwareOn．demandRouting)协议。仿真表明，该协议能够在降低开销的前提下，显著增加网络吞吐量，并降低平均端到端的时延传统AdHoc网络路由协议中，路由回复RREP包的丢失或者已建立路由的失效，都会使源节点再次洪泛RREQ包以重建路由，这在加剧网络负载的同时增加了节点能量、带宽等资源的消耗。在综合采用路由侦听和MAC层缓存技术的基础上，联合网络层和媒介访问控制层进行跨层设计，提出了按需网状路由ODMR(OnDemandMeshRouting)协议。通过路由回复阶段BRREP包的传递，构建多条到达目的节点的旁路路由来增加协议的

5、鲁棒性，从而降低了路由重建频率以提高网络性能。路由维护过程中，通过在节点的MAC层构建邻居节点表来实时监测与周围节点的连通性，能够避免广播HELLO包与有效数据传输的冲突。模拟实验表明，与AODV、AOMDV、AODV-BR相比，该协议能够在不增加网络开销的情况下显著降低网络端到端的时延、路由发现频率以及提高网络吞吐量。AdHoc网络的性能受限于节点之间的传输干扰，通过给不同节点分配相互正交的信道，这些节点能够同时在不同的信道上进行传输，这就有效消除了节点之间的干扰。首先提出信道利用率CUP(ChannelUtilizationPercentage)概念，它能有效地衡

6、量当前节点所在区域各信道的竞争激烈程度，并推导出以判断信道是否过载的临界值。然后提出一个信道选择度量CSM(ChannelSelectionMetric)，该度量不仅能够反映信道状态，还能体现相应节点获取该信道的能力，在此基础上，提出一个适用于多射频多信道AdHoc网络的路由协议，它综合考虑了CSM值和路径上的信道多样性，仿真显示该协议的时延、包投递率、路由开销等性能指标优于WCETT。关键词：无线AdHoc网络；MAC协议；路由协议；拥塞感知；跨层设计；多射频多信道ABSTRACTAnAdHoenetworkisamulti-hopandautonomoussyst

7、emconsistingofnumberofmobilenodesarmedwithwirelessradios．Withthecharacteristicssuchasdeployedeasily,self-managedwithoutanyinfrastructureandSOon，AdHoenetworkscallbewidelyappliedinareassuchasmilitarycommunication,disasterrescue，environmentmonitoringandetc．However'duetolow-bandwid