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无线自组网MAC及路由技术研究

蔡一兵  
【摘要】:无线自组网的无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑、无线信道带宽有限、节点能力受限等特点使得它面临传统因特网及无线网络所没有的巨大挑战。为了适应这种独特的组网方式,必须为无线自组网设计相应的协议。MAC层和网络层是无线自组网协议栈最具特色的两层。移动自组网和无线传感器网络是无线自组网的两个重要应用分支,面向不同应用领域,具有不同特点。移动自组网主要面向“人与人”之间的移动通信。节点的自由移动导致网络拓扑快速变化,如何适应动态拓扑是移动自组网设计的主要挑战。无线传感器网络主要面向“物与物、人与物”之间的信息交互。电池能量耗尽是传感器节点失效的主要原因。如何高效使用能量是传感器网络面临的主要挑战。 本文研究工作面向无线自组网的两个重要应用,围绕MAC层和网络层的关键问题展开,从无线自组网信道接入公平性、无线传感器网络低功耗MAC地址编码、移动自组网路由动态拓扑适应性等方面进行了深入研究,取得以下创新性研究成果: (1)针对无线自组网信道接入公平性问题,提出了主动退让公平算法。节点信道接入的公平性是评价无线自组网MAC协议性能的重要指标。IEEE802.11MAC协议是无线自组网MAC层事实标准,采用二进制指数退避算法实现节点随机接入。由于隐藏终端、位置竞争等因素影响,二进制指数退避算法在无线自组网存在节点接入不公平现象。针对该问题,本文提出了主动退让公平算法。新算法采用主动退让机制避免节点持续占用信道,改善公平性;利用数据突发机制减少信道接入退避等待时间,提高吞吐量。分析与仿真结果表明:与二进制指数退避算法相比,主动退让公平算法能够有效改善公平性并维持吞吐量。新算法与IEEE802.11兼容,实现简单。 (2)针对无线传感器网络MAC地址编码低功耗问题,提出了混合地址编码算法。通信能量开销是无线传感器能量消耗的主要因素。无线传感器网络低功耗MAC地址编码设计不仅要考虑地址通信能量开销,而且要考虑地址编码容量、不同地址类型支持、地址编码公平性等因素。本文分析了现有无线传感器网络的定长地址编码和哈夫曼地址编码的优缺点,给出了地址编码性能评估参数,提出了一种混合地址编码算法。仿真结果表明新算法融合了两种地址编码的优点,较好地满足了无线传感器网络低功耗MAC地址编码的设计要求。 (3)针对移动自组网路由动态拓扑适应性问题,提出了基于邻居变化率的稳定路径选择方法。动态拓扑是移动自组网的主要特征。拓扑的动态变化导致移动自组网路由中断频繁,


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