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采用智能天线和功率控制的Ad Hoc网络MAC协议的研究
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采用智能天线和功率控制的Ad Hoc网络MAC协议的研究
内容简介：Ad Hoc网络是一个由无线移动终端组成的分组多跳转发临时性自治系统。由于无线媒体的共享特性，使其介质接入控制（MAC）协议的性能成为Ad Hoc网络发展的关键。当前，这一领域的研究还存在许多尚未解决的开放式问题。在MAC协议研究中，引入智能天线和功率控制技术后，有助于减小信号干扰，改善链路的传输质量，从而显著改善MAC协议性能。当前在应用智能天线时，有两个问题没有得到有效的解决。其一：应用智能天线后，定向波束加剧了隐藏终端，并带来了聋节点等问题。其二：假设定向波束和全向波束有相同的增益，没有利用定向通信模式的增加传输距离的优势。对于基于CSMA/CA机制的功率控制协议，在单信道条件下RTS-CTS握手不能防止不同功率引起的隐藏终端的问题，很难实现既节省功率又提高网络容量的目标。因此，上述问题的研究具有着重要的理论意义和实用价值。SDA-MAC协议是在CSMA/CA的基础上，使用了波束切换天线。它结合RTS/CTS握手机制、TDMA和定向波束，通过RTS和CTS握手来获得发送节点和接收节点的位置信息。SDA-MAC协议适用于单跳环境，使空间上的不同方向可以同时存在多对通信节点而不会造成分组碰撞，充分发挥了智能天线的空分复用特点。该协议有效解决了D-MAC协议存在的隐藏终端、暴露终端等问题，较大地改善了网络性能。其吞吐量最高达到D-MAC协议的119％、全向IEEE 802.11协议的307％。DMH-MAC协议是SDA-MAC协议的改进，使用了波束跟踪天线。在DMH-MAC协议中，节点处于空闲状态时使用全向-全向模式（O-O）监听及预约信道，而定向-定向（D-D）通信模式是常用的工作模式。在多跳环境下，DMH-MAC协议充分利用了智能天线的定向通信的优势，能够经过较少的跳数把数据包传递到目的节点，改善了网络性能。与MMAC协议相比，该协议的特点是定向通信容易实现，且发送节点不需要预先知道完整的路径。其吞吐量最高达到MMAC协议的121％、全向IEEE 802.11协议的312％。SPC-MAC协议通过RTS和CTS控制包中交换的信息来决定数据包DATA和ACK的发送功率。其有两个主要特点。其一：发送节点根据旁听的CTS决定最大发射功率Pmax。由于发送节点可能是一个隐藏终端，必须限定其发射功率，以避免干扰邻节点的接收。其二：接收节点决定最小发射功率Pmin，以保证数据分组的正常接收。在多跳环境中，路由报文以最大功率发送，保证所有一跳范围内的邻节点可以接收到。该协议避免了PCM协议周期性的最大发射功率造成的干扰，也无需PCMA协议所设置的额外信道。其吞吐量最高达到PCM协议的120％、无功率控制的IEEE 802.11协议的272％。利用OPNET仿真工具，设计了Ad Hoc网络节点模型、智能天线模型、功率控制模型等，使基于智能天线及功率控制的MAC协议和上层协议能够在同一个模板上实现。还在不同场景下对SDA-MAC、DMH-MAC和SPC-MAC协议进行了大量仿真。仿真结果表明，这些协议可以充分地提高信道的空间复用程度，使Ad Hoc网络的吞吐量和端对端迟延等网络整体性能有大幅的改善。
作者：范军,
关键词：智能天线, 功率控制, Ad Hoc网络, MAC协议, 介质接入控制,
内容简介：Ad Hoc网络是一个由无线移动终端组成的分组多跳转发临时性自治系统。由于无线媒体的共享特性，使其介质接入控制（MAC）协议的性能成为Ad Hoc网络发展的关键。当前，这一领域的研究还存在许多尚未解决的开放式问题。在MAC协议研究中，引入智能天线和功率控制技术后，有助于减小信号干扰，改善链路的传输质量，从而显著改善MAC协议性能。当前在应用智能天线时，有两个问题没有得到有效的解决。其一：应用智能天线后，定向波束加剧了隐藏终端，并带来了聋节点等问题。其二：假设定向波束和全向波束有相同的增益，没有利用定向通信模式的增加传输距离的优势。对于基于CSMA/CA机制的功率控制协议，在单信道条件下RTS-CTS握手不能防止不同功率引起的隐藏终端的问题，很难实现既节省功率又提高网络容量的目标。因此，上述问题的研究具有着重要的理论意义和实用价值。SDA-MAC协议是在CSMA/CA的基础上，使用了波束切换天线。它结合RTS/CTS握手机制、TDMA和定向波束，通过RTS和CTS握手来获得发送节点和接收节点的位置信息。SDA-MAC协议适用于单跳环境，使空间上的不同方向可以同时存在多对通信节点而不会造成分组碰撞，充分发挥了智能天线的空分复用特点。该协议有效解决了D-MAC协议存在的隐藏终端、暴露终端等问题，较大地改善了网络性能。其吞吐量最高达到D-MAC协议的119％、全向IEEE 802.11协议的307％。DMH-MAC协议是SDA-MAC协议的改进，使用了波束跟踪天线。在DMH-MAC协议中，节点处于空闲状态时使用全向-全向模式（O-O）监听及预约信道，而定向-定向（D-D）通信模式是常用的工作模式。在多跳环境下，DMH-MAC协议充分利用了智能天线的定向通信的优势，能够经过较少的跳数把数据包传递到目的节点，改善了网络性能。与MMAC协议相比，该协议的特点是定向通信容易实现，且发送节点不需要预先知道完整的路径。其吞吐量最高达到MMAC协议的121％、全向IEEE 802.11协议的312％。SPC-MAC协议通过RTS和CTS控制包中交换的信息来决定数据包DATA和ACK的发送功率。其有两个主要特点。其一：发送节点根据旁听的CTS决定最大发射功率Pmax。由于发送节点可能是一个隐藏终端，必须限定其发射功率，以避免干扰邻节点的接收。其二：接收节点决定最小发射功率Pmin，以保证数据分组的正常接收。在多跳环境中，路由报文以最大功率发送，保证所有一跳范围内的邻节点可以接收到。该协议避免了PCM协议周期性的最大发射功率造成的干扰，也无需PCMA协议所设置的额外信道。其吞吐量最高达到PCM协议的120％、无功率控制的IEEE 802.11协议的272％。利用OPNET仿真工具，设计了Ad Hoc网络节点模型、智能天线模型、功率控制模型等，使基于智能天线及功率控制的MAC协议和上层协议能够在同一个模板上实现。还在不同场景下对SDA-MAC、DMH-MAC和SPC-MAC协议进行了大量仿真。仿真结果表明，这些协议可以充分地提高信道的空间复用程度，使Ad Hoc网络的吞吐量和端对端迟延等网络整体性能有大幅的改善。
作者：范军,
关键词：智能天线, 功率控制, Ad Hoc网络, MAC协议, 介质接入控制,
