无线自组织网络(Wireless Ad Hoc Networks,WANET)是一种无固定设备支持的自组织、自管理的网络系统,目前应用广泛、发展迅速并且依然极具发展潜力。WANET不仅在国防军事上有广泛的应用,而且也大量应用在民用活动中,比如探险救援、道路...
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无线自组织网络(Wireless Ad Hoc Networks,WANET)是一种无固定设备支持的自组织、自管理的网络系统,目前应用广泛、发展迅速并且依然极具发展潜力。WANET不仅在国防军事上有广泛的应用,而且也大量应用在民用活动中,比如探险救援、道路监测、灾情预防等。随着日益丰富的无线通信及网络传输新技术、新概念的引进和融入,WANET系统发展呈现出应用场景丰富化、功能多样化、系统设计复杂化的趋势。因此,如何提升WANET的传输吞吐量、时延以及能耗等方面的综合性能成为当前重要的研究内容。本文针对WANET中的介质访问控制(Media Access Control,MAC)层接入、跨层协同传输等技术热点,从多信道传输、高能效MAC协议设计、高动态场景接入和物理层/MAC层/网络层架构四方面开展深入研究,从而达到提升WANET系统性能的目的。文章主要研究内容及创新性贡献包括以下四个部分:(1)针对多信道场景下的多跳传输中节点接入问题,提出了一种包含辅助中继节点选择传输策略的MAC层协议及相关信道分配算法。该协议基于多信道多跳传输技术进行接入时隙设计,合理并充分的对中继节点及辅助节点的空闲时隙加以利用,从而在中继时可选择最佳节点进行传输;本协议中提出的信道公平分配策略基于信道状态信息来信道分配以使得增益最大化,并结合传输环境因素加以优化。在多信道多跳WANET场景中进行的仿真分析可以证明其对网络吞吐量、时延以及传输公平性的提高。(2)针对当前单一类型的MAC协议的传输性能不足以及WANET系统对低能耗的迫切需求,提出了基于MAC层功率控制的混合类接入协议。该协议分别在传统载波侦听和时分复用传输机制的基础上,进行针对不同应用场景的传输需求,对二者进行优化改进,并将二者有机结合后设计出新的MAC层协议,使其在竞争阶段减少了不必要的开销和控制信息传输次数,在非竞争阶段增加了对空闲时隙的利用率。通过分析证明该协议相比现有同类协议,不但可以节省传输能耗,还能够提高网络吞吐量。(3)针对WANET的一个重要的应用领域,即飞行自组网(Flying Ad Hoc Networks,FANET)中的传输特性与动态组网需求,设计了一种高效、低能耗的MAC层协议,并基于该协议针对高动态捷变网络三维情景进行优化设计。该协议结合了FANET中的应用场景高动态化、立体化等特点及低功耗需求,将收发阶段的传输机制分别进行独立设计,使之提高了FANET的传输性能,降低能耗以延长节点全生命周期。相比现有同类协议,本章的设计可以有效地降低高速移动网络的能耗、提高网络吞吐量。(4)针对WANET中单层传输架构的网络特性局限性,提出了“MAC层-物理层”双层传输架构以及“网络层-MAC层-物理层”三层传输架构。通过分析跨层协同传输技术在WANET系统中的重要性,首先在双层架构中设计了一种基于分布式编码缓存的多址接入机制,使得网络能够在低负载阶段利用空闲时隙进行缓存,以降低高负载时网络的传输压力,能够应对突发的高负载通信情况;进而将网络层引入跨层协同传输架构,可以利用网络层路由信息来进行节点位置及距离信息获取,并根据所得到的节点信息结合MAC层与物理层来调节传输功率,最终达到高效传输的目的。
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