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Ad Hoc网络中支持QoS的MAC机制与算法的研究

白翔  
【摘要】: 无线Ad Hoc网络是一种由若干无线通信设备临时自由组合形成的一种无线分组网络,它不需固定通信设施的支持,网络节点可自由移动,它们既是通信终端,又是路由器。尽管人们提出无线Ad Hoc网络的最初目的是为了满足军事通信的需要,但随着研究的深入,人们发现无线Ad Hoc网络也可广泛应用于诸如紧急搜救、临时会议会场、无线家庭网络等民用通信领域。目前,无线Ad Hoc网络技术已成为一个新的研究热点。 在无线Ad Hoc网络中,无线信道由多节点共享,协调节点访问信道的介质访问控制(MAC)机制是无线Ad Hoc网络的关键技术之一,它不仅关系到能否充分利用无线信道资源、实现节点对无线信道的公平竞争,同时影响网络层和传输层协议的性能,也是无线Ad Hoc网络支持服务质量(QoS)的关键。随着Ad Hoc网络业务的多样化以及逐渐向公用网络渗透,QoS问题变得越来越重要。QoS MAC协议是Ad Hoc网络QoS体系中最基本的部分,QoS路由与QoS信令都要依赖它,并与其协同工作。然而,无线Ad Hoc网络自身的特点(如分布式、存在隐藏终端、暴露终端问题、网络拓扑频繁变化等)使得研究高效、支持QoS的MAC机制面临很大的挑战性,已成为无线Ad Hoe网络的一个研究难点。本论文较深入系统的研究了支持QoS的MAC机制与算法,并取得了一些创新性的研究成果,主要内容包括: 本文第一章给出了无线Ad Hoc的基本概念、特点以及应用前景,对无线AdHoc网络的路由协议、网络安全等关键技术及其研究现状作了概括介绍,重点分析了无线Ad Hoc网络中支持QoS的MAC机制的研究现状、已有的研究成果以及需要解决的问题。 本文第二章从非饱和与饱和负载的角度来研究IEEE 802.11e EDCA的性能,以及相应的改进方案。EDCA在IEEE 802.11 DCF的基础上提供了QoS增强,由于具有分布式的特点,也应用于无线Ad Hoc网络,并得到广泛的研究。首先,本章利用二维Markov链分析方法,提出了一种新的IEEE 802.11e EDCA网络分析模型,该模型引入了空闲状态和不同接入等级的仲裁帧间隔(AIFS)的使用;利用Markov链状态转移图的Z域信号传递函数推导了MAC层平均服务时间的概率分布;结合M/G/1/K排队模型分析了EDCA在非饱和和饱和负载下的性能。研究结果表明:IEEE 802.1e EDCA只能提供QoS区分,在饱和负载下不能为实时业务提供严格的QoS保证,因此有必要提供一种具有支持多优先级的接纳控制方案。在第二部分,本章给出了支持多优先级的接纳控制方案,该方案基于带宽分配算法,能够保证网络中实时业务的QoS,防止由于流数的增加导致QoS降级,同时也保证了尽力而为业务能分享信道的剩余带宽。仿真结果验证了接纳控制方案的有效性。最后,扩展到多跳环境,隐藏终端是无线Ad Hoc网络主要问题之一,因而研究隐藏终端对IEEE 802.1e EDCA的影响也是本章的重点。我们首次将EDCA接入机制放入多跳环境中进行访真分析和定量研究,并指出了EDCA在多跳无线网络中支持QoS的局限性:受隐藏终端的影响,EDCA对不同接入等级的业务提供QoS区分的性能明显降级。 本文第三章重点研究支持QoS区分的自适应MAC算法。该类算法依据网络负载的变化,对协议的相关后退参数做自适应调整,提高信道利用率。首先,本章提出了一个基于QoS区分的自适应p-persistent MAC算法,QDA-MAC(QoSDifferentiation based Adaptive MAC scheme),在IEEE 802.11 DCF机制的基础上提供业务区分。QDA-MAC算法的主要特点是:引入了新的参数,坚持因子(persistentfactor),利用它的优化值实时反应负载的变化,同时利用近似优化的方法,不用估计网络中各级别业务的数目,但是同样实现靠近最优的信道利用率。这也是与以往此类自适应算法的不同之处。随后,在本章的第二部分,针对IEEE 802.11e EDCA支持业务区分服务的特点,提出了一个基于AIFS区分的信道吞吐率分析模型,利用该模型,我们给出了动态的参数调整算法,DPS(Dynamic Parameter-tuningScheme),DPS算法克服了以往相关算法存在的问题,不仅能实现QoS区分,而且能对系统性能进行整体优化,保证信道接入的公平性和每类业务流带宽的稳定性,减小负载变化对系统性能的影响。 本文第四章重点研究支持资源预约的MAC机制。该类机制为实时业务提供时延和带宽保证。本章首先对目前常见的支持资源预约的MAC机制进行了综述,重点讨论了他们各自的特点以及存在的问题。随后,结合均衡不完全区组设计(BIBD)的方法,提出了一种新的支持资源预约的多跳无线Ad Hoc网络MAC调度算法及改进算法,该类算法具有拓扑透明的特点,而且为节点预约信道资源,提供节点的最大下限吞吐率。拓扑透明即与拓扑结构无关,因此该类算法不用考虑隐藏终端和暴露终端等问题。 最后,本文第五章总结全文,给出了进一步的研究工作。


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