无线自组网多信道MAC协议研究.docx
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无线自组网多信道MAC协议研究
无线自组网多信道MAC协议研究
作者姓名刘亮导师姓名、职称曾兴雯教授
一级学科信号与信息处理二级学科通信与信息系统
学科门类工学提交毕业论文日期2014年11月
学号
学校代码
107011201120055
密级
分类号
TN82TN82公开
西安电子科技大学
硕士研究生毕业论文
无线自组网多信道MAC协议研究
AStudyofMuti-channelMACProtocolinWirelessAdHocNetwork
Athesissubmittedto
XIDIANUNIVERSITY
inpartialfulfillmentoftherequirements
ofMastergraduation
By
Liuliang
(ElectronicScienceandTechnology)
Supervisor:
Prof.ZengXingwen
November2014
西安电子科技大学
毕业论文独创性(或创新性)声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
毕业论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。
本人签名:
日期:
西安电子科技大学
关于论文使用授权的说明
本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用毕业论文的规定,即:
研究生在校学习期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。
学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
同时本人保证,毕业后结合毕业论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
(保密的论文在解密后遵守此规定)
本论文属于保密,在年解密后适用本授权书。
本人签名:
导师签名:
日期:
日期:
摘要
无线自组网是一种无中心控制节点的多跳、对等、自愈的无线网络,被广泛应用于人们的生产生活中。
其中,媒体接入控制协议(MAC)的性能很大程度上影响无线网络的组网性能。
传统无线自组网的MAC协议采用单信道MAC协议,分组冲突概率大,网络吞吐量低,而随着通信和计算机产业的飞速发展,开放频点越来越多,单信道MAC协议性能不良和浪费信道的缺点凸显,多信道MAC协议迅速成为研究热点。
本文在深入研究现有MAC协议的基础上,设计并实现了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(CN-MMAC,multi-channelMACprotocolbasedonchannelnegotiation),协议的主要思想是:
使用控制信道与数据信道分离的技术,每个节点维护一个信道使用列表,并计算空闲信道值编码,在控制信道上通过握手信号和广播消息完成信道预约,并在预约成功的数据信道上完成分组传输和分组传输的确认。
本文的主要工作如下:
1.多信道MAC协议的设计:
本文从无线自组网的基本概念出发,分析了现有的MAC协议,并指明了当前适用于无线自组网的MAC协议所存在的问题,设计了一种基于信道协商的无线自组网多信道MAC协议(CN-MMAC协议),具体解决了如下问题:
信道分配问题、多信道隐藏终端问题、控制开销问题。
2.多信道MAC协议的性能研究:
本文使用NS-2仿真工具,修改仿真模型,添加CN-MMAC协议,通过对比CN-MMAC协议与其他多信道MAC协议的性能,证明本文设计的多信道MAC协议具有较好性能。
3.多信道MAC协议的实现:
在硬件平台上移植本文设计的多信道MAC协议,为无线自组网协议栈提供MAC层的透明传输接口,证明本文设计的多信道MAC协议具有较好的可移植性和较好实用价值。
4.多信道MAC协议QoS保障机制研究:
根据业务优先级设置不同的退避算法,调整信道接入机制,仿真表明该方案能有效提高实时业务的服务质量。
5.总结全文,并指明了下一步的工作研究方向。
关键词:
无线自组网,多信道,MAC协议
论文类型:
应用基础研究类
ABSTRACT
Wirelessadhocnetworksisamulti-hoppeer,self-healingwirelessnetworkwithoutcentralcontrolnode,whichiswidelyusedinpeople'sproductionandlife.Amongthem,theperformanceofthemediaaccesscontrol(MAC)protocollargelyaffectsperformanceofwirelessnetworks.Traditionalwirelessadhocnetworksusesingle-channelMACprotocol,inwhichpacketcollisionprobabilityisgreatandnetworkthroughputislow.Withtherapiddevelopmentofcommunicationsandcomputerindustries,moreandmorefrequencyopensup,whichhighlightstheshortcomingsofpoorperformanceofsingle-channelMACprotocolandchannelwasted.Somulti-channelMACprotocolquicklybecomesahottopic.
Onthebasisofin-depthstudyofexistingMACprotocol,Thispaperdesignsandimplementsamulti-channelMACprotocolwirelessadhocnetwork(CN-MMAC,multi-channelMACprotocolbasedonchannelnegotiation)basedchannelnegotiation.Themainideaoftheprotocolis:
Controlchannelsanddatachannelsareseparatedandeachnodemaintainsalistofchannelswhichareused.Thenodecompleteschannelreservationonthecontrolchannelsignalthroughbroadcastmessageandthehandshakesignal.Datapackettransmissioniscompletedondatachannelreservatiedsuccessly.
Themainworkofthispaperisasfollows:
1.Thedesignofmulti-channelMACprotocol:
ThispaperanalyzestheexistingMACprotocolfromthebasicconceptofwirelessadhocnetworksandindicatesthecurrentissuesthatexist.Designawirelessadhocnetworkbasedonchannelnegotiationofmulti-channelMACprotocol(CN-MMACprotocol),specificallyaddressthefollowingissues:
theassignmentofchannels,thehiddenterminalproblemofmulti-channelandcontroloverheadproblem.
2.Performanceresearchofmulti-channelMACprotocol:
ModifythesimulationmodelusingNS-2simulationtoolsandaddmulti-channelMACprotocol.Thispaperanalyzestheperformanceofotherprotocolsandprovesthatmulti-channelMACprotocoldesignedinthispaperhasahigherperformance.
3.Realizationofmulti-channelMACprotocol:
Transplantmulti-channelMACprotocoldesignedinthispaperonthehardwareplatform,whichprovidestransparenttransmissioninterfaceonMAClayerprotocolstackforwirelessadhocnetworks.Provethisdesignhasbetterportabilityandgoodpracticalvalue.
4.Researchonqualityofservice(QoS)ofmulti-channelMACprotocol:
Setdifferentbackoffalgorithmbasedonbusinessprioritiestoadjustchannelaccessmechanism.Thesimulationshowsthatthisschemecanimprovethequalityofreal-timebusinessserviceseffectively.
5.Summaryofthepaper:
indicatesthedirectionofworkandresearchinthefuture.
Keywords:
AdHoc,multi-channel,macprotocol
TypeofDissertation:
AppliedBasicResearch
插图索引
图1.1论文组织框架16
图2.1隐藏终端20
图2.2暴露终端20
图3.1信道使用列表结构26
图3.2CN-MMAC协议分组转发流程图27
图3.3CN-MMAC协议流程28
图3.4信道预约流程30
图3.5网络节点组成架构31
图3.6Si4463的性能指标32
图3.7STM32芯片性能指标33
图3.8Si4463驱动程序实现34
图3.9Si4463参数设置35
图4.1NS-2仿真器结构37
图4.2NS-2模块组成结构38
图4.3移动节点模型39
图4.4改进的移动节点模型41
图4.5链状拓扑42
图4.6链状拓扑下吞吐量随跳数变化43
图4.7链状拓扑下端到端时延随跳数变化43
图4.8随机多跳拓扑44
图4.9随机多跳拓扑下吞吐量随包发送间隔变化45
图4.10随机多跳拓扑下端到端时延随包发送间隔变化45
图5.1归一化吞吐量随分组到达率变化48
图5.2平均分组时延随包到达率变化49
表格索引
表格1FCCS计算26
表格2RTS帧格式28
表格3CTS帧格式28
表格4DATA帧格式29
表格5ACK帧格式29
表格6RES帧格式29
缩略词对照表
缩略语英文全称中文对照
PRNETPacketRadioNetwork分组无线网络
CSMACarrierSenseMultipleAccess载波侦听多路访问
SURANSurvivableRadioNetwork抗毁性无线网络
TITacticalInternet多跳无线网络
IETFInternetEngineeringTaskForceInternet工程任务组
MACMediaAccessControl媒体访问控制层
MACAMultipleAccesswithCollisionAvoidance多址访问与碰撞回避协议
DCADynamicchannelAssignment动态多信道协议
ARQAutomaticRepeatRequest自动重传请求
RTSRequesttoSend发送请求分组
CTSCleartoSend允许发送分组
DSDataSending数据发送控制分组
ACKAcknowledgement正确应答分组
DCFDistributedCoordinationFunction分布式控制模式
CSMA/CACarrier-SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance载波侦听多址访问与碰撞回避
BTMABusy-ToneMultipleAccess忙音多址访问协议
DBTMADoubleBusy-ToneMultipleAccess双盲音多址访问协议
MMACMulti-ChannelMAC多信道MAC协议
PCLPreferableChannelList优先信道列表
RESResponse确认发送分组
CULCurrentusedList当前信道使用列表
FCCSFreeChannelCodingSummation空闲信道编码和值
QoSQualityofService服务质量
目录
摘要5
ABSTRACT6
插图索引8
表格索引9
缩略词对照表10
第一章绪论13
1.1课题背景13
1.1.1无线自组网概述13
1.1.2无线自组网的特点14
1.2无线自组网MAC协议研究现状15
1.3本文组织框架16
1.4本章小结16
第二章无线自组网MAC协议的研究分析17
2.1基于信道访问策略的MAC协议17
2.1.1竞争类MAC协议17
2.1.2分配类MAC协议17
2.1.3混合类MAC协议18
2.2基于信道数目的MAC协议18
2.2.1单信道MAC协议18
2.2.2双信道MAC协议22
2.2.3多信道MAC协议22
2.3本章小结24
第三章无线自组网CN-MMAC协议25
3.1CN-MMAC协议的关键技术25
3.1.1多信道隐藏终端问题25
3.1.2控制开销问题26
3.1.3信道分配问题26
3.2CN-MMAC协议设计27
3.2.1协议总体设计思想27
3.2.2协议总流程28
3.2.3帧格式说明28
3.2.4信道预约30
3.3CN-MMAC协议在硬件平台上的实现31
3.3.1硬件平台介绍31
3.3.2CN-MMAC协议的移植要点34
3.4本章小结36
第四章基于NS-2的CN-MMAC协议性能分析37
4.1NS-2仿真工具介绍37
4.1.1NS-2基本原理37
4.1.2NS-2无线仿真功能38
4.2NS2创建仿真模型38
4.2.1移动节点模型及改进38
4.2.2MAC层多信道模型实现41
4.2.3添加CN-MMAC协议到NS-241
4.3仿真实验和结果分析42
4.3.1链状多跳场景42
4.3.2随机多跳场景44
4.4本章小结46
第五章基于CN-MMAC协议的QoS保障机制研究47
5.1QoS保障分析47
5.2CN-MMAC协议的QoS保障机制47
5.3仿真及性能分析48
第六章总结与展望50
6.1工作总结50
6.2展望50
参考文献52
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1无线自组网概述
当今社会中,网络变得无处不在,人们在工作、学习和生活中对网络的需求越来越强,在这样的社会背景下,强烈的需求催生了科研工作者和网络爱好者对研发具有更强大性能的网络的追求,而无线网络作为网络通信的重要组成部分,正在迅速的改变着人们的生活方式,宽带无线接入系统、移动蜂窝网、短距离无线互联等技术使人们以更方便、更快捷、更安全的方式与世界各地沟通,而现今存在的无线网络制式不能满足人们随时随地进行布网沟通的需求,在此背景下,具有快速组网、高自愈性的无线自组织网络(即AdHoc网络)开始赢得学着众多的研究和关注。
作为一种新型的组网技术,无线自组网不依赖于任何中心实体或基础设施,网络节点作为整个网络的一部分,既可以作为信息的发起者和接受者,也可以作为信息的中继者,节点通过精心设计的网络协议栈相互合作,进行自动配置和管理,自发的通过信息交互组成网络并自动维护网络拓扑结构,信息通过在节点间相互中继的方式,增大无线设备的传输距离,拓宽网络的覆盖范围,为用户提供各种服务[]。
虽然无线自组网的概念诞生并运用于军用领域,但是由于其优良的性能,在商用领域等方面也表现出了强大的优势,对无线自组网的进一步研究已经成为业界的共识。
。
ALOHA网络是无线自组网发展的初级阶段,虽然它的直接研究目的并不是基于无线自组网,但是它的思想对无线自组网具有很强的借鉴意义,为后者的发展奠定了基础。
固定基站和分布式信道访问管理是ALOHA网络的两项关键技术,其中,分布式信道访问技术为后续无线自组网的研究开发指明了正确的方向[]。
二十世纪七十年代,科研工作者在ALOHA网络研究成功的基础上,结合早期固定分组交换网络,开始研发分组无线网络(PacketRadioNetwork,PRNET),PRNET是一种新的网络制式,其特点是在无线环境中引入了数据分组交换技术,提供多跳的分组传输机制,其中包括集中式和分布式的操作管理机制。
之后,PRNET网络引起业界的广泛关注,人们开始认识到,可以通过多跳转接的方式提高网络容量,增大网络规模的,多跳技术是提升网络性能一种有效手段。
PRNET网络由广播电台组成,为了减少中心控制开销,引入了ALOHA网络的分布式信道访问技术,综合了ALOHA和载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)两种信道访问协议,使信道可以在电台之间实时共享,PRNET网络的研发成功在一定程度上证明了无线自组网思想的可行性[]。
抗毁性无线网络(SurvivableRadioNetwork,SURAN)是DARPA在20世纪80年代初期对PRNET网络的拓展,它进一步加强了PRNET网络的安全机制,并在功耗和处理能力方面提高了网络的健壮性。
到20世纪80年代后期和90年代初期,随着Internet基础设施的不断发展,微型计算机和嵌入式设备的强大处理能力使得无线分组网络思想更加实用,更加切实可行。
20世纪90年代后期,美国陆军相继实现了当今规模最大的多跳无线网络(TacticalInternet,TI)和增强型沿海战场先进概述示范(ExtendingtheLittoralBattle-spaceAdvancedConceptTechnologyDemonstration,ELBACTD),作为现代无线自组网的雏形,TI和ELBACTD的成功研发并投入使用为无线自组网发展的提供了广阔的前景。
从上可以看出无线自组网起源于军事研究,并在军用领域发挥作用。
20世纪90年代末,Internet工程任务组(InternetEngineeringTaskForce,IETF)的建立,使民用无线自组网进入科学工作者的视线,激发科学工作者对无线自组网技术的研究热情。
21世纪初期,随着大数据时代和物联网时代的来临,无线传感器网络和移动自组织网络作为无线自组网的重要分支被广泛的应用到旅游、智能家居和无线物联等领域,极大方便了人们的生产和生活。
1.1.2无线自组网的特点
无线自组网是由一组带有无线收发设备的网络节点组成的,不依赖类似基站等基础通信设备的、能够迅速自行建立网络拓扑的网络体系,人为控制的因素较低。
作为分布式的临时网络,无线自组网具有自组织、自愈性强、无中心的特性。
无线自组网是对等网络,这是其与固定基础设施的蜂窝网络的一个重要区别。
网络节点能随机、频繁的接入和离开网络,无线自组网节点的标准配备有无线收发装置、天线(根据不同需求,天线的规格和制式可能不同)、主控制处理器及其他辅助设备(包括按键、人机交互界面等)。
由于网络节点可以根据自己的需求调整位置、发射功率和接收灵敏度,其无线信号的覆盖范围会随机变化,按照网络协议栈设定的组网形式,实现节点之间的无线连接,形成网络拓扑。
考虑到无线网络环境的不可测性,网络的拓扑会随时间推移而变化,基于上述分析,无线自组网具有下列特点
(1)分布式操作
由于无线自组网无中心控制节点的特性,使得控制节点的方式必然是分布式的,但当前大多通信系统控制都是带有中心控制方式的,集中式的网络协议不能满足无线自组网的需要,必须使用网络节点间自我协调的方式替代中心网络节点的作用,各层网络协议必须重新设计才能适应无线自组网的分布式特点。
(2)无线信道特有的缺陷:
带宽昂贵,链路质量不稳定
与有线链路相比,无线链路带宽较低,考虑到噪声等环境干扰因素的影响,无线通信的有效传输速率相比最大传输速率又有一定程度的损耗。
同时由于无线信道固有的衰落、多址访问等固有特点,无线链路质量具有不稳定性,这也是设计无线自组网需要考虑的因素之一。
(3)网络拓扑动态性
无线自组网中,设备接入网络和离开网络具有随机性,同时,节点无线设备的发送接收参数具有不确定性,无线环境具有易变性,这些因素都使得网络拓扑结构不可人为的预测,必须重新开发合适的路由协议增强网络拓扑的自我恢复能力。
(4)设备限制
虽然现今微电子产业已经取得了长足的发展,但是,组成无线节点的设备的处理能力和功耗方面的性能仍然是限制网络性能的重要因素,必须开发具有高速处理能力的微控制器和较低功耗的无线收发设备提高网络节点的续航能力。
(5)安全有限
由于无中心控制节点的固有特性,无线自组网相比于有线网络和其它传统无线网络更容易被攻击,它的无中心控制方式决定
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- 无线 组网 信道 MAC 协议 研究