遠距離載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)分布式接入?yún)f(xié)議設(shè)計與建模優(yōu)化.pdf

1、基于載波檢測多點接入/沖突避免機制（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）的信道接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議已在短距離無線網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。其中，最典型的協(xié)議即為無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的IEEE802.11DCF（Distributed Coordination Function）。該協(xié)議通過二進制指數(shù)退避的方法避免節(jié)點之間的發(fā)

2、送沖突，并采用RTS/CTS控制幀握手機制解決隱終端問題，具有靈活、高效、可實現(xiàn)自組織組網(wǎng)等優(yōu)勢。目前，DCF協(xié)議的基本接入機制已廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等不同的網(wǎng)絡(luò)形式中。
　　近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們逐漸考慮將基于CSMA/CA機制的DCF協(xié)議應(yīng)用于遠距離組網(wǎng)的場景。在民用領(lǐng)域，人們通過DCF協(xié)議，構(gòu)建遠距離地面WiFi網(wǎng)絡(luò)或空中無人機 WiFi網(wǎng)絡(luò)，以低成本的方式為欠發(fā)達地區(qū)提供因特網(wǎng)接入服務(wù)。在軍用

3、領(lǐng)域，CSMA/CA的接入方式也已用于部分航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，例如，以色列預(yù)警機和戰(zhàn)斗機之間的高速信息共享數(shù)據(jù)鏈 ACR-740。然而，由于DCF協(xié)議本身是為短距離條件應(yīng)用而設(shè)計的，在遠距離條件下應(yīng)用存在組網(wǎng)效率低、吞吐量性能差等一系列問題。產(chǎn)生這些問題的根源是什么？以經(jīng)典的DCF協(xié)議為基本框架，如何設(shè)計遠距離條件下基于CSMA/CA機制的信道接入?yún)f(xié)議？本文的研究工作即圍繞上述問題展開，主要工作包括：
　　（1）在近距離條件下，載波檢

4、測接入?yún)f(xié)議中的退避時隙長度通常設(shè)置為大于信號的最大傳播時延，從而保證節(jié)點發(fā)送的信號均能被其載波檢測范圍內(nèi)的任一節(jié)點檢測到。然而，在遠距離條件下，由于信號最大傳播時延大，如果將每一個退避時隙的長度均設(shè)置為信號最大傳播時延，則節(jié)點發(fā)送前的退避過程將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的嚴重下降。本文通過馬爾科夫鏈建模的方法，揭示了在遠距離傳輸條件下，節(jié)點退避時隙長度與網(wǎng)絡(luò)總吞吐量之間的關(guān)系。通過模型求解，分析了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下，通過調(diào)整退避時隙長度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

5、總吞吐量的策略，為遠距離條件下載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)高效分布式接入?yún)f(xié)議設(shè)計提供了參考。
　?。?）以上述建模與分析方法為基礎(chǔ)，本文提出了一種基于信道競爭節(jié)點感知和競爭窗口優(yōu)化的遠距離載波檢測接入?yún)f(xié)議（DCWLD）。該協(xié)議采用分布式隨機競爭的方法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中心管理節(jié)點。中心管理節(jié)點周期性的對當前競爭信道節(jié)點的數(shù)量進行估計，并以廣播的方式告知網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點。發(fā)送節(jié)點在當前網(wǎng)絡(luò)條件下，以競爭信道節(jié)點數(shù)量為依據(jù)，以提高網(wǎng)絡(luò)總平均吞吐量為目標，采