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Ad Hoc网络,是由一组带有收发装置的无线移动节点组成的动态多跳、临时性无中心自治系统,其应用前景广阔。介质访问控制协议(MAC)是Ad Hoc网络协议的重要组成部分,控制着节点如何接入无线信道,对网络性能起着决定性作用。Ad Hoc的特殊组网形式以及节点可移动性,使其MAC协议设计面临了很多新问题,需要为其设计专门的MAC协议。
本文以宽带无线自组织应急通信系统MAC协议为研究目标,通过研究接入方案、时隙分配、时隙使用、时隙冲突处理等,进行多信道接入的设计与实现。
首先,本文在分析国内外Ad Hoc网络MAC协议的基础上,重点分析研究了解决隐藏终端、暴露终端问题的RTS-CTS握手法,提出适合小规模Ad Hoc网络MAC协议的设计目标。根据信道的划分策略,对固定分配、动态分配、混合型分配三类时帧结构进行讨论分析,确定本项目采用混合型策略。
其次,本文深入研究分析了Ad Hoc网络的信道空间复用性问题,提出解决隐藏终端、暴露终端以提高复用度的改进方案--多信道动态时分多址协议MCD-TDMA(Multi-Channel Dynamic-Time Division Multiple Access)。MCD-TDMA协议是一种支持单播、广播的多信道预约型接入协议,采用控制信道动态分配不复用、业务信道动态分配复用的策略,引入了RTS/CTS/ACK/DONE四步握手机制、令牌机制、超帧机制、洗牌机制,利用控制信道中交互的控制信息实现对业务信道的动态分配及空间复用。论文在协议算法的理论基础上,用NS-3网络仿真工具对MCD-TDMA协议进行建模仿真,实验结果表明相对于802.11DCF而言,MCD-TDMA协议在系统负载较大时提高了网络吞吐率且丢包率性能较好。
最后,本文根据项目实际需求,实现对MCD-TDMA协议精简版--有逻辑中心的动态分配不复用接入方案的设计。分析设计该方案的帧结构、MAC帧结构及各信道机制,并采用了Xilinx公司提供基于FPGA的可编程嵌入式开发系统解决方案,对其编程设计。