Ad Hoc网络是由一组带有无线射频的可移动终端组建的多跳自治系统。由于其具有易部署、自组织、无需借助基础设施等特点,可广泛用于军事、灾后救援、环境监测等领域,然而网络受带宽资源有限、分布式的竞争接入、动态拓扑特性等影响,使得信道接入协议与路由协议的设计受到极大挑战。论文分别从Ad Hoc网络MAC层DCF协议建模、信道接入协议设计、路由度量、备份路由协议以及适用于多射频多信道Ad Hoc网络路由算法等问题展开深入分析和探讨,主要研究贡献归纳如下:当前,对于802.11的DCF非饱和性能分析大多是采用二维马尔可夫链进行数学建模。根据协议补充版本提出的Post-backoff过程,同时考虑到DCF机制对竞争节点的具有公平服务特征,推导出节点相邻两个包服务的时间间隔,从而求出节点工作在非饱和态下的传输周期,并得到吞吐量的数学表达式,这就大大简化了模型的复杂性。仿真验证了该方法能够有效地预测网络性能。随着网络节点数目的增多,每次传输碰撞的概率随之增大,导致DCF机制的性能下降。在最佳窗口机制OCB(Optimal Constant Backoff)的基础上,为降低传输冲突概率,提出一个新的信道接入协议OCB-VCS。如果多个节点的退避计数器同时递减到0,它们应进入一个包含多个竞争周期的虚拟冲突解决阶段;在每个竞争周期内,各竞争节点通过发送突发分组来声明对信道的占有,如果节点在此期间发现信道繁忙,它将退出竞争;最后,通过对该过程的数学建模,表明OCB-VCS具有较高的接入成功效率,仿真也证实了与DCF和OCB相比,OCB-VCS能够有效降低冲突概率,并提高网络吞吐量。基于802.11协议MAC层重传策略,提出一个衡量节点接入能力的参数CAM,以体现节点周围信道的繁忙程度及其抢占信道能力。在此基础上,联合MAC层和网络层进行跨层设计,提出了一个拥塞感知路由CAOR(Congestion Aware On-demand Routing)协议。仿真表明,该协议能够在降低开销的前提下,显著增加网络吞吐量,并降低平均端到端的时延传统Ad Hoc网络路由协议中,路由回复RREP包的丢失或者已建立路由的失效,都会使源节点再次洪泛RREQ包以重建路由,这在加剧网络负载的同时增加了节点能量、带宽等资源的消耗。在综合采用路由侦听和MAC层缓存技术的基础上,联合网络层和媒介访问控制层进行跨层设计,提出了按需网状路由ODMR(On Demand Mesh Routing)协议。通过路由回复阶段BRREP包的传递,构建多条到达目的节点的旁路路由来增加协议的鲁棒性,从而降低了路由重建频率以提高网络性能。路由维护过程中,通过在节点的MAC层构建邻居节点表来实时监测与周围节点的连通性,能够避免广播HELLO包与有效数据传输的冲突。模拟实验表明,与AODV、AOMDV、AODV-BR相比,该协议能够在不增加网络开销的情况下显著降低网络端到端的时延、路由发现频率以及提高网络吞吐量。Ad Hoc网络的性能受限于节点之间的传输干扰,通过给不同节点分配相互正交的信道,这些节点能够同时在不同的信道上进行传输,这就有效消除了节点之间的干扰。首先提出信道利用率CUP(Channel Utilization Percentage)概念,它能有效地衡量当前节点所在区域各信道的竞争激烈程度,并推导出以判断信道是否过载的临界值。然后提出一个信道选择度量CSM(Channel Selection Metric),该度量不仅能够反映信道状态,还能体现相应节点获取该信道的能力,在此基础上,提出一个适用于多射频多信道Ad Hoc网络的路由协议,它综合考虑了CSM值和路径上的信道多样性,仿真显示该协议的时延、包投递率、路由开销等性能指标优于WCETT。