基于定向天线的无线Mesh网络信道接入控制协议研究

作     者：朱马君 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雷磊

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：无线mesh网络 定向天线 信道接入控制协议 链路调度 局部同步 网络吞吐量 

摘      要：无线mesh网络是一种具备自组织特征的新型宽带网络结构。节点采用定向天线收发信号可以有效增大空分复用度和网络吞吐量,并获得更大的节点单跳传输距离,减少数据转发跳数,降低传输时延,显著提高无线mesh网络的整体性能。然而,节点定向传输数据又带来了“聋和“定向隐终端等问题。如何设计高效可靠的无线mesh网络定向信道接入控制(MAC)协议成为了改善网络性能的关键。本文紧密结合定向无线mesh网络的典型特征,分别针对定向单跳和定向多跳两种应用场景,提出了两种不同的定向MAC协议。主要创新点概述如下:1.针对无线mesh网络定向单跳传输应用场景,提出了一种基于链路调度的定向时分MAC协议。该协议将网络时间轴划分为一系列固定长度的连续时帧,每一时帧又进一步划分为调度子时帧和传输子时帧,节点在调度子时帧中通过信道侦听完成链路调度,在传输子时帧中实现定向并发传输。在定向天线条件下,文中提出的并发链路调度算法使用最少的调度时隙分配尽可能多的不冲突链路,实现了全网定向链路传输容量最大化。同时,本文在并发链路调度算法基础上提出了时隙的周期性轮转策略,为网络中的所有传输链路提供了公平性保障。EXata网络仿真软件中的仿真证明,与其它典型定向MAC协议相比,该协议充分利用了定向天线的空间复用优势,显著提高了网络总吞吐量,有效降低了数据端到端传输时延。2.针对无线mesh网络定向多跳传输应用场景,提出了一种基于多节点并发传输的定向MAC协议。网络局部范围内基于临时同步将时间轴划分为主节点竞争产生、从节点预约接入和主从节点数据并发传输三个阶段。第一阶段中,首先完成退避的节点向目的节点发送全向的ORTS控制帧,目的节点在接收到ORTS控制帧之后向源节点回复全向的OCTS控制帧应答(该全向OCTS帧中包含节点的接收天线波束等信息),发送节点在收到OCTS帧后再次向目的节点发送定向的DRTS控制帧(该定向DRTS帧中包含节点的发送天线波束等信息)。由此收发节点通过ORTS/OCTS/DRTS三次握手完成信道预约以及波束对准,并成功成为该局部范围内的主节点对。第二阶段中,主节点在定向数据传输之前预留固定长度的等待时间,允许其邻居范围内有传输业务的从节点同时接入信道。第三阶段中,主从节点无冲突的同步并行传输数据分组。仿真结果显示,在无线mesh网络多跳传输环境中,该协议实现了网络邻居范围内多节点定向并发传输,有效地提高了信道带宽利用率和网络总吞吐量。