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1、华中科技大学 博士学位论文 无线自组织网络MAC层QoS技术研究 姓名：许昌春 申请学位级别：博士 专业：信息与通信工程 指导教师：张尧学;杨宗凯 20071107 I 摘 要 移动无线自组织网络（Mobile Wireless Ad Hoc Networks，MANET）是一种特 殊的无线通信网络， 是由多个带有无线收发装置的节点组成的一个多跳的自治系统， 网络中的节点同时具有主机和路由器的功能。近十年来，无线自组织网络日益成为 计算机网络和无线通信领域的研究热点，至今方兴未艾。由于不需要固定的基础设 施并且具有极强的抗毁性能，无线自组织网络具有很高的军事应用价值。无线自组 织网络的主要特征
2、是无线信道共享、误码率高、多跳通信以及动态拓扑等，在这种 情况下为多媒体通信提供服务质量（QoS）的支持具有很大的挑战性。媒体接入控 制（MAC）协议位于 MANET 协议栈的下层，对网络的性能影响极大，在 MAC 层 提供 QoS 支持是无线自组织网络的关键技术， 本文围绕这一热点问题展开了深入研 究。 当前无线自组织网络最重要的 MAC 协议是 IEEE802.11DCF，DCF 是一种基于 载波监听和冲突避免的随机接入协议。 本文在分析802.11DCF协议的性能的基础上， 深入分析了 802.11 无线自组织网络在 MAC 层实现服务区分和统计意义上 QoS 支持 的能力。另一方面，考
3、虑战术 Ad Hoc 网络的特殊情况，设计了一种基于多收发机 的 MAC 协议。具体研究成果如下： （1）非饱和条件下 IEEE 802.11 DCF 协议性能分析 在假设节点的发送缓冲区只能容纳一个数据分组的前提下，建立了一个二维马 尔可夫链模型，准确分析了任意负荷条件下 802.11DCF 协议的性能包括吞吐量、平 均分组时延、时延的方差等。结果表明，基本接入机制可获得与 RTS/CTS 机制几乎 一样的最大吞吐量，并且时延性能大大优于饱和状态，从而初步表明 802.11DCF 具 有支持统计意义服务质量的能力，也为全文的研究奠定基础。 （2）非饱和条件下 IEEE802.11e 区分服务
4、机制性能分析 将针对非饱和条件下的马尔可夫链模型进行推广，分析结果表明，基于初始竞 争窗口的 IEEE 802.11eEDCA 仅能在饱和条件下实现 QoS（吞吐量、平均分组时延 等）的相对区分，不能提供 QoS 的任何保证，而且当网络的总负荷低于最佳值时， II 基于初始竞争窗口的 IEEE 802.11e 基本上不能提供 QoS 的区分。 （3）非饱和条件下的服务区分和 QoS 保证技术 提出了直接基于业务负荷（即分组大小乘以到达率）的区分服务机制，设各个 业务流具有不同的分组大小和到达率，分析结果表明，在控制总负荷的情况下，各 个站点的吞吐量近似等于其负荷 （即分组大小乘以到达率） ，
5、而且平均分组时延比饱 和状态小得多。 （4）IEEE802.11MAC 层排队性能分析 上述创新点均假设站点的发送队列只能容纳一个数据分组，因此无法分析排队 性能。新的分析模型由一个广义的马尔可夫链模型和 M/G/1/K 排队模型组成，能够 准确地分析吞吐量、平均排队时延、MAC 服务时间的均值及其标准差、分组阻塞 概率等排队性能指标。 （5）非饱和条件下 802.11DCF 协议的性能优化和准确统计意义上的 QoS 保证 通过理论推导，得出最佳总负荷以及最优性能指标的解析表达式。当处于最佳 总负荷点时，IEEE 802.11DCF 可准确提供统计意义上的 QoS 保证，即吞吐量最大 化、平均
6、排队时延和分组阻塞概率趋近零、MAC 服务时间的均值和标准差都大大 低于饱和状态下的值，本文进一步推导得到了最大吞吐量的下界、MAC 服务时间 的均值和标准差的上界。 （6）基于多收发机的 MAC 协议研究 传统的 Ad Hoc 网络处于节能的考虑，每个节点只配备一个无线收发机，另一 方面，IEEE802.11 标准定义了多个频段而实际系统只使用其中一个。以车辆或舰艇 为节点的战术 Ad Hoc 网络由于能量供应和节点尺寸上的优势，每个节点可配备多 个无线收发机并充分利用 802.11 所定义的多个信道。本文设计了相应的 MAC 协议 并分析其性能，该协议可大大提高多跳环境下的空分复用程度从而
7、显著提高系统的 吞吐量。 关键词关键词: IEEE 802.11，无线自组织网络，非饱和条件，性能分析，马尔可 夫链，服务质量，多收发机 III Abstract A mobile wireless ad hoc network (MANET) comprises of a cluster of mobile nodes without any fixed infrastructure of base station. Due to the transmission range constraint of transceivers, two mobile nodes may communica
8、te with each other either directly, if they are close enough, or indirectly, by having other intermediate mobile nodes to forward their packets. MANET has become the one of the most significant hotspots in the fields of computer networks and wireless communications over the last two decades. Since M
9、ANET can be rapidly deployed, it has important merit for military applications such as armies in march, battle fields, fleets in oceans and other hostile scenarios. Because of the existing bit error rate in shared wireless channel and dynamic topology, it imposes big challenge on Quality-of-Service
10、(QoS) supportting for multimedia communications over wireless ad hoc networks. The media access control (MAC) protocol, which lies at the low layer of the protocol stack for MANET, has significant influence on the performance of the network. The most important MAC protocol for MANET is IEEE 802.11 D
11、istributed Coordination Function (DCF). DCF is a career sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) protocol with binary exponential backoff. By modeling of IEEE 802.11 DCF, this dissertation focuses on providing service differentiation and statistical QoS gurantee in original IEEE 802.
12、11 ad hoc networks. Furthermore, the tranditional single channel 802.11 MAC protocol is extended for the case that multiple transceivers and multiple channels available for a node in MANET. The main contributions in this thesis are organized as follows. （1）Performance analysis of IEEE 802.11 DCF in
13、non-saturated traffic conditions On the assumption that each station can buffer just one date packet, a bi-dimensional Markov chain model is developed for modeling of 802.11 DCF in non-saturated conditions. The analytical model is quite simple but highly accurate. Its shown that basic IV access mech
14、anism can achieve almost the same maximum throughput as that of RTS/CTS mechanism in non-saturated conditions, at the same time, the average packet delay as well as its standard deviation is much lower than that in saturated conditions. （2）Performance analysis of IEEE 802.11e service differentiation
15、 mechniams in non-saturated conditions By extending the Markov chain model for 802.11 station in non-saturated conditions, this thesis further analyazes the QoS differentiation performance of IEEE 802.11e EDCA in non-saturated conditions. Unfortunately, IEEE 802.11e just can achieve relative service
16、 differentiation in saturated conditions. When the total load is less than the optimal point, 802.11e can hardly achieve significant serice differentiation. （3）On packet size and arrival rate diversity in IEEE 802.11 ad hoc networks Packet size and arrival rate diversity is very typical for practical traffics over 802.11 wireless links. The analytical model is useful for addressing the question of fairness between
