Ad Hoc网络中共享单信道MAC协议研究

Ad Hoc网络是一种自组织多跳无线网络，介质访问控制层(Medium Access Control，MAC)是Ad Hoc网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，MAC协议能否高效地利用有限的无线资源对Ad Hoc网络的性能起决定性作用。 针对Ad Hoc多跳路由、拓扑动态变化、无线干扰的时变性、以及节点分布式资源共享等特点，本论文围绕MAC协议性能这个关键问题，深入分析了影响协议性能的本质原因，并提出相应的算法和改进机制。本文主要贡献和创新如下： 第一：当前的无线MAC协议大多具有多速率支持，选择适合当前无线信道状态的速率和包长度是优化无线信道利用率的有效方法；已有的速率自适应机制要么只进行简单定性速率自适应，要么过于复杂而不适合便携移动设备。本章提出了一种定量的速率自适应机制，通过优选包长度和发送速率定量实现网络性能优化，该机制包括基于BER测量的SNR估算过程(BER-Probing-based SNR Estimating，BPSE)和基于信噪比估算的包长和速率自适应过程(SNR-estimating-based Length and Rate Adaptation，SLRA)。其中，BPSE先通过发送高速特征序列串来测量比特误码率(Bit ErrorRate)，然后根据BER／SNR(Signal to Noise Ratio)经验曲线，查表得出当前信道的SNR以及当前SNR下各个速率的BER。SLRA先通过求解有效带宽(goodput)、BER和包长度的解析方程，然后得到各种速率下的最优有效带宽、及其相应的包长度，从而在理论上优化有效带宽；由于SLRA计算过程非常复杂，我们提出了近似查表的方法来简化优化过程，使得其适用于便携式通信设备。理论分析和仿真试验结果表明，该机制能极大优化多速率MAC协议的有效带宽。 第二：在传统低速Ad Hoc网络中，MAC协议采用固定低速率的RTS／CTS握手机制，但该机制不适合应用于当前的多速率高速Ad Hoc网络，因为这将导致严重的大干扰区问题和性能下降。我们提出了一种适合多速率高速Ad Hoc网络的自适应RTS／CTS握手机制，来解决多速率MAC协议在Ad Hoc网络中的大干扰区问题和性能低下问题，该自适应过程包括发送端的自适应RTS机制(Adaptive RTS，A-RTS)和接收端的自适应CTS机制(Adaptive CTS，A-CTS)。在发送端，当传输过程出现一次RTS重传超时失败时，A-RTS机制就降低一档RTS速率发送，只有连续10次成功传输时，A-RTS机制才提高一档RTS发送速率，通过这种RTS发送速率自适应策略，可以避免固定低速率发送RTS导致系统性能降低。在接收端，通过信号衰减模型