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作为新一代无线通信网络的核心技术之一,无线自组织网络技术已成为当前信息技术领域的一大研究热点。作为无线自组织网络的关键技术,媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议决定着无线信道的使用方式,并负责为节点分配无线通信资源,其性能的优劣直接影响无线信道的利用率和网络的整体性能。其中,IEEE802.11的MAC协议是目前无线自组织网络的测试系统和实际应用中使用最多的MAC协议之一,也是许多无线自组织网络MAC协议的研究基础。因此,系统研究IEEE802.1l的性能并加以针对性的改进,具有极为重要的理论意义和广泛的应用价值。
IEEE802.11 MAC协议以分布式协调功能(Distributed CoordinationFunction,DCF)为最基本的信道接入机制。本文围绕无线自组织网络DCF协议性能分析与性能优化这两个关键问题展开了深入研究,分析了影响DCF协议性能的本质原因。论文的主要内容和研究成果表现在以下几个方面:
1.以Markov链分析模型为基础,针对理想信道,提出了一种改进的非饱和IEEE802.11:DCF分析模型
Markov链分析模型以其简单性与准确性被广泛用为IEEE802.11 DCF性能分析的参考模型。本文以理想信道为应用背景,在现有模型的基础上,针对现有模型并没有完全满足IEEE802.11协议规定以及实际应用情况,提出了一种改进的非饱和条件下IEEE802.11 DCF分析模型。同时本文考虑有限的MAC缓冲队列的实际情况,将Markov模型稳定状态的求解结合M/G/1/K排队分析模型,进一步推导出不同负载下吞吐量和时延性能的模型。仿真结果表明,该理论模型能够精确地预测广义IEEE802.11 DCF协议的系统性能。
2.针对衰落信道,建立了一种基于PHY/MAC跨层的DCF性能分析模型
考虑到实际无线自组织网络信道中存在误码和捕获效应,本文研究了在高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道、瑞利(Rayleigh)衰落信道和莱斯(Rician)衰落信道下对应的三种不同调制方式(DBPSK、DQPSK和CCK)的误码率模型,并在误码率模型和捕获效应模型的基础上建立了一种基于PHY/MAC跨层的IEEE802.11 DCF性能分析模型。数值结果和仿真结果验证分析了不同误码率和不同捕获阈值下吞吐量的性能,两种结果具有较好的一致性。
3.在理想信道和衰落信道的分析模型基础上,推导出了一种针对最大吞吐量的饱和点性能分析模型
通过理想信道中吞吐量性能模型的推导,得出了非饱和吞吐量的值与网内节点数、数据业务量和数据帧长三者线性相关的结论,但当网络负载达到饱和吞吐量的上界时,吞吐量不再是线性增长。基于理想信道中性能分析模型,进一步推导出了业务量和节点数目的饱和点模型。针对衰落信道环境中,数据帧过长导致误帧率偏大的缺点,在基于PHY/MAC跨层的DCF性能分析模型基础上得出了在衰落环境中最优帧长模型。在一定的网络负载下,通过饱和点模型可以获得最优网内节点数或者最优数据到达率的值,从而指导网络达到最优状态。
4.在理想信道的性能分析模型基础上,提出了一种基于网络竞争度的自适应退避算法
自适应算法需要根据网络状况来动态调整自身的参数以达到最优的网络性能,而网络最优的性能可以根据协议的性能分析模型得到。本文根据IEEE802.11 DCF的性能分析模型提出了一种网络竞争度的估计,并基于该估计提出了一种自适应退避算法(Adaptive Backoff algorithm,ABA)。该算法能够有效地根据网络当前状况调整数据包的发送,同时根据当前网络负载情况调整竞争窗口,从而充分利用网络资源使协议性能得到提高。仿真结果表明,ABA算法能够较大地提高DCF的吞吐量和时延性能,并且在节点密集度高的网络中具有更好的适应性。
本文提出的IEEE802.11 DCF协议性能分析与优化算法,在福建省重大专项“自组织应急通信系统设计”和英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)项目“Wireless Sensor-Networks for Industrial Processes(WSN4IP)”中,为衰落应用环境中MAC协议参数的设置和调节提供了理论依据和实际指导。