《无线自组网多信道MAC协议研究硕士学位论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线自组网多信道MAC协议研究硕士学位论文.doc（57页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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 10701 1201120055 密 级分类号 TN82 TN82 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 A Study of Muti-channel MAC Protocol in Wireless Ad Hoc Network A thesis submitted toXIDIAN UNIVERSITYin partial fulfillment of the
2、 requirements of Master graduationByLiu liang(Electronic Science and Technology) Supervisor: Prof. Zeng XingwenNovember 2014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
3、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：
4、 日 期： 日 期： 57 摘要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-channel MAC protocol based on cha
5、nnel negotiation)，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，
6、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ABSTRACTABSTRACT
7、Wireless ad hoc networks is a multi-hop peer, self-healing wireless network without central control node,which is widely used in peoples production and life. Among them, the performance of the media access control (MAC) protocol largely affects performance of wireless networks. Traditional wireless
8、ad hoc networks use single-channel MAC protocol, in which packet collision probability is great and network throughput is low. With the rapid development of communications and computer industries, more and more frequency opens up, which highlights the shortcomings of poor performance of single-chann
9、el MAC protocol and channel wasted. So multi-channel MAC protocol quickly becomes a hot topic.On the basis of in-depth study of existing MAC protocol, This paper designs and implements a multi-channel MAC protocol wireless ad hoc network (CN-MMAC, multi-channel MAC protocol based on channel negotiat
10、ion) based channel negotiation. The main idea of the protocol is: Control channels and data channels are separated and each node maintains a list of channels which are used. The node completes channel reservation on the control channel signal through broadcast message and the handshake signal. Data
11、packet transmission is completed on data channel reservatied successly.The main work of this paper is as follows:1. The design of multi-channel MAC protocol: This paper analyzes the existing MAC protocol from the basic concept of wireless ad hoc networks and indicates the current issues that exist.
12、Design a wireless ad hoc network based on channel negotiation of multi-channel MAC protocol (CN-MMAC protocol), specifically address the following issues: the assignment of channels, the hidden terminal problem of multi-channel and control overhead problem.2. Performance research of multi-channel MA
13、C protocol: Modify the simulation model using NS-2 simulation tools and add multi-channel MAC protocol. This paper analyzes the performance of other protocols and proves that multi-channel MAC protocol designed in this paper has a higher performance.3. Realization of multi-channel MAC protocol: Tran
14、splant multi-channel MAC protocol designed in this paper on the hardware platform, which provides transparent transmission interface on MAC layer protocol stack for wireless ad hoc networks. Prove this design has better portability and good practical value.4. Research on quality of service (QoS) of
15、multi-channel MAC protocol: Set different back off algorithm based on business priorities to adjust channel access mechanism. The simulation shows that this scheme can improve the quality of real-time business services effectively.5. Summary of the paper: indicates the direction of work and research
16、 in the future. Keywords: Ad Hoc,multi-channel ,mac protocolType of Dissertation: Applied Basic Research插图索引插图索引图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. 2 CN-MMAC协议分组转发流程图27图3. 3 CN-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. 7 STM32芯片性能指标33图3. 8 Si4463驱动程序实现34图3. 9 S
17、i4463参数设置35图4. 1 NS-2仿真器结构37图4. 2 NS-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表格索引表格索引表格 1 FCCS计算26表格 2 RTS帧格式28表格 3 CTS帧格式28表格 4 DATA帧格式29表格
18、 5 ACK帧格式29表格 6 RES帧格式29缩略词对照表缩略词对照表缩略语 英文全称 中文对照PRNET Packet Radio Network 分组无线网络CSMA Carrier Sense Multiple Access 载波侦听多路访问SURAN Survivable Radio Network 抗毁性无线网络TI Tactical Internet 多跳无线网络IETF Internet Engineering Task Force Internet工程任务组MAC Media Access Control 媒体访问控制层MACA Multiple Access with Co
19、llision Avoidance 多址访问与碰撞回避协议DCA Dynamic channel Assignment 动态多信道协议ARQ Automatic Repeat Request 自动重传请求RTSRequest to Send 发送请求分组CTS Clear to Send 允许发送分组DS Data Sending 数据发送控制分组ACK Acknowledgement 正确应答分组DCFDistributed Coordination Function 分布式控制模式CSMA/CA Carrier-Sense Multiple Access with Collision Av
20、oidance 载波侦听多址访问与碰撞回避BTMA Busy-Tone Multiple Access 忙音多址访问协议DBTMA Double Busy-Tone Multiple Access 双盲音多址访问协议MMAC Multi-Channel MAC 多信道MAC协议PCL Preferable Channel List 优先信道列表RES Response 确认发送分组CUL Current used List 当前信道使用列表FCCS Free Channel Coding Summation 空闲信道编码和值QoS Quality of Service 服务质量 目录目录摘要5
21、ABSTRACT6插图索引8表格索引9缩略词对照表10第一章绪论131.1 课题背景131.1.1 无线自组网概述131.1.2 无线自组网的特点141.2 无线自组网MAC协议研究现状151.3 本文组织框架161.4 本章小结16第二章 无线自组网MAC协议的研究分析172.1基于信道访问策略的MAC协议172.1.1竞争类MAC协议172.1.2分配类MAC协议172.1.3混合类MAC协议182.2 基于信道数目的MAC协议182.2.1单信道MAC协议182.2.2双信道MAC协议222.2.3多信道MAC协议222.3本章小结24第三章 无线自组网CN-MMAC协议253.1 CN
22、-MMAC协议的关键技术253.1.1多信道隐藏终端问题253.1.2控制开销问题263.1.3信道分配问题263.2 CN-MMAC协议设计273.2.1 协议总体设计思想273.2.2 协议总流程283.2.3 帧格式说明283.2.4 信道预约303.3 CN-MMAC协议在硬件平台上的实现313.3.1 硬件平台介绍313.3.2 CN-MMAC协议的移植要点343.4 本章小结36第四章 基于NS-2的CN-MMAC协议性能分析374.1 NS-2仿真工具介绍374.1.1 NS-2基本原理374.1.2 NS-2无线仿真功能384.2 NS2创建仿真模型384.2.1 移动节点模型
23、及改进384.2.2 MAC层多信道模型实现414.2.3 添加CN-MMAC协议到NS-2414.3 仿真实验和结果分析424.3.1 链状多跳场景424.3.2 随机多跳场景444.4 本章小结46第五章 基于CN-MMAC 协议的QoS保障机制研究475.1 QoS保障分析475.2 CN-MMAC 协议的QoS保障机制475.3仿真及性能分析48第六章 总结与展望506.1 工作总结506.2 展望50参考文献52第一章 绪论第一章 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
24、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Ad Hoc 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
25、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移动Ad Hoc 网络：自组网分组无线网络技术/陈林星等编著. 北京：电子工业出版社，2006.4。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
26、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 N. Abramson. The ALOHA system: Another alternative for computer communicationsA. In Proceedings of American Federation of Information Processing Societies C,1970: 281 285.。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（Packet Radio Network，PRNET），PRNET
27、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（Carrier Sense Multiple Access，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 IEEE 802
28、.11 Working Group. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications S. 1997.。抗毁性无线网络（Survivable Radio Network，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
29、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（Tactical Internet，TI）和增强型沿海战场先进概述示范（Extending the Littoral Battle-space Advanced Concept Technology Demonstration，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（Internet Engineering Task Force，IETF）的建立，
30、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
31、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
32、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
33、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了在安全方面要提供更多的保障，单个节点的安全隐患需要整个网络的共同协作来解决。1.2 无线自组网MAC协议研究现状在计算机通信网络协议栈中，媒体访问控制协议(MAC)位于物理层之上，网络层之下，对整个网络协议栈起着承上启下的作用。而在无线网络环境中，信道资源
34、十分昂贵，MAC协议控制着信道资源的分配，其性能将直接影响信道的使用效率。而在无线自组网中，MAC协议性能的优劣对整个网络性能的影响则更为明显，性能不良的MAC协议甚至可能造成网络的瘫痪。无线信道是无线自组网中非常珍贵的资源，由于无线自组网本身的多跳、分布式操作、网络拓扑动态变化等特点，MAC协议的设计需要使信道资源的分配更加高效、合理，在保证网络节点公平接入信道的基础上，最大程度的提高吞吐量，这些都是不同于其他无线网络的问题。现今无线自组网MAC协议的研究主要集中在提高信道接入的公平性问题、提高吞吐量、提高信道利用率等方面。单信道MAC协议ALOHA协议发展而来，包括载波侦听多址访问协议（C
35、SMA）、多址访问与碰撞回避协议（Multiple Access with Collision Avoidance，MACA）、IEEE802.11MAC DCF协议。但单信道MAC协议存在先天不足：由于只采用一个信道，有限的信道容量成为制约MAC协议性能的瓶颈。研究表明，无论协议设计的如何巧妙都无法弥补其先天的缺陷。随着微电子产业和无线终端产业的快速发展，一个网络设备可以同时工作在不同的信道上，或者可以在不同的信道上切换来完成信息的交互，单信道协议中信道容量的瓶颈不再是难以解决的问题。而且，随着国际无线电组织对无线信道的使用标准的规范化，开发使用的频点越来越多，如果继续沿用单信道MAC协议则
36、存在严重的频点浪费问题。因此，无论在理论上还是实际应用上，研究开发多信道MAC协议成为迫切需求。多信道MAC协议对解决单信道吞吐量瓶颈问题有显著效果 Juncheng Jia, Qian Zhang. Hardware-constrained Multi-Channel Cognitive MAC A. In Proceedings of Global Telecommunications Conference, 2007: 4653 4658. Mansoor Alicherry, Randeep Bhatia, Li (Erran) Li. Joint channel assignment
37、 and routing for throughput optimization in multi-radio wireless mesh networks A. In Proceedings of Proceedings of the 11th annual international conference on Mobile computing andnetworking C. 2005: 58 72.。已经存在的多信道MAC协议包括多信道CSMA协议、DCA协议等，分别从不同方面改进单信道协议 J. Zhao, H. Zheng, G.-H. Yang. Distributed Coor
38、dination in Dynamic SpectrumAllocation Networks A. In Proceedings of New Frontiers in Dynamic Spectrum AccessNetworks C. 2005: 259 268. Vaduvur Bharghavan, Alan Demers, Scott Shenker, et al. MACAW: A media accessprotocol for wireless LANs A. In Proceedings of the conference on Communicationsarchitec
39、tures, protocols and applications C. 1994: 212 225. Cordeiro C, Challapali K. C-MAC: A Cognitive MAC Protocol for Multi-Channel Wireless Networks A. In Proceedings of New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks C. 2007: 147 157. Nasipuri A, Zhuang J, Das S.R. A multichannel CSMA MAC protocol f
40、or multihop wireless networks A. In Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference C. 1999, 3: 1402 1406. Kyasanur P, Vaidya N.H. Routing and interface assignment in multi-channel multi-interface wireless networks A. In Proceedings of Wireless Communications and Networking Conferen
41、ce C. 2005, 4: 2051 2056.，各有特点，并都在一定程度上改善了MAC协议的性能。但以下问题依然存在：1.协议控制复杂，控制开销大，在一定程度上影响了网络吞吐量。2.对终端的配置和性能都提出了较高的要求，实际用于无线自组网的难度较大，可移植性较差。此外，多信道MAC协议的独有的多信道隐藏终端的问题并未得到很好的解决。针对上述问题，本文设计了一种基于信道协商的多信道MAC协议（CN-MMAC），CN-MMAC协议通过精心的设计帧结构降低了控制开销；通过完善分组转发流程，进一步解决了多信道隐藏终端的问题。在此基础上，CN-MMAC协议对硬件设备的处理能力没有太高要求，增强了可移
42、植性，具有较高的实用价值。1.3 本文组织框架本文组织框架如下图所示。图1. 1 论文组织框架在第一章对无线自组织网络进行了整体描述，并通过查阅文献，分析了无线自组网多信道MAC协议的研究现状。第二章重点分析了无线自组网中典型的单信道MAC协议和现有的多信道MAC协议，指明了单信道MAC协议存在的固有缺陷和多信道MAC协议存在的不足。在以上基础上，第三章详细论述了基于信道协商的多信道MAC协议（CN-MMAC），包括CN-MMAC协议的分组转发流程、帧格式、信道预约流程，并介绍了CN-MMAC协议在STM32平台上的移植过程，为CN-MMAC协议的实际应用打些基础。第四章使用NS-2仿真工具对
43、比了CN-MMAC协议与典型的多信道MAC协议（DAC），证明CN-MMAC协议在吞吐量和端到端时延方面具有较好的性能。第五章实现了一种适用于CN-MMAC协议的QOS保障机制，仿真结果表明，通过根据优先级划分调整接入信道的机制能够使实时业务得到较好服务。第六章在总结全文的基础上，指明了本文存在不足和下一步的研究方向。1.4 本章小结本章在对课题背景进行整体描述的基础上，分析了当今无线自组网MAC协议的研究现状，指明了研究多信道MAC协议的必要性。最后给出了本文的整体框架。第二章 无线自组网MAC协议的研究分析第二章 无线自组网MAC协议的研究分析无线自组网中的MAC协议可以从不同的角度进行划分，目前业界比较认可的划分方式包括基于信道数目分类和基于信道访问策略分类。本章从这两种分类方式研究分析了现今存在的适用于无线自组网的MAC协议。2.1基于信道访问策略的MAC协议根据接入信道方式的不同，MAC协议可划分为网络节点自行争用信道使