基于改进的退避机制的MAC协议性能分析

作     者：高祎宁 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黎锁平

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：MAC协议 改进的自适应退避机制 传输概率 系统吞吐量 系统时延 能效分析 

摘      要：适用于无线网络的MAC协议(媒体介入控制协议)用于在接入网络的节点之间分配有限的通信资源,实现多个节点如何高效、无冲突地共享信道资源,所以对无线网络节点之间的数据传输起着至关重要的作用。在CSMA/CA(基于冲突避免的载波侦听多路访问机制)机制下节点需要发送数据必须通过竞争方式主动抢占信道,此时与同一时间抢占信道的节点将发生碰撞,而且随着接入无线网络中用户数的增加,网络的负载增大,节点传输数据包时发生碰撞的次数也增多,从而导致系统性能下降,严重时直接使得数据传输中断。针对于上述无线网络中数据传输存在的问题,本文提出了一种改进自适应的退避算法来解决当接入网络用户数较多时系统性能的优化。本文的主要工作如下:通过对经典的二进制指数退避机制的改进,得到了一种改进的自适应退避机制使得调节退避窗口时能够自适应地感知网络环境的变化。该机制主要考虑以下三个方面的内容:引入窗口划分的思想,使得竞争窗口的值仅限于在不同退避阶段的非重叠区间取得;加入冻结概率使模型更符合无线信道中实际传输的过程;设置与信道利用率有关的参数控制退避窗口调节幅度,从而减小碰撞发生的可能性。通过建立二维马尔科夫模型理论上分析了改进自适应退避算法的可行性并用数值模拟评估模型,结果表明在高负载的网络条件下本文提出的退避算法较优。其次因为在传统网络中,节点能够持续获得能量供应,或者可以间断但能随时补充能量,并且网络的拓扑结构较为稳定,所以对于MAC协议的研究一般都是在理想状态下进行的,重点考虑数据的传输性能,提高带宽的利用率和增加网络的实时性。但是耗能网络中节点能量有限,网络拓扑结构具有动态性,由此可见网络结构的差异使得需要设计适用的MAC协议控制数据的传输过程。所以本文基于改机的自适应退避机制又对网络中的能量损耗进行细致地分析,从适用于耗能网络的S-MAC机制中各个阶段消耗的能量单独分析,最后求出每个节点每秒消耗的能量。此外本文还介绍其他的改进机制以优化系统性能,分析了各种优化机制的优缺点,为以后更深入地研究基于MAC协议的无线网络性能提供理论依据。