IEEE802.11网络多信道MAC协议的研究和实现

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随着Internet接入需求的不断增长,基于Wi-Fi热点的接入方式已经越来越广泛。但是有限的无线频谱带宽资源限制了高性能应用在无线网络中的部署。IEEE802.11标准将分配的无线频谱规划为许多不同的频段,这允许在不同的信道上存在不同的网络同时进行通信。通常IEEE802.11无线网络在基础设施模式下可以通过将无线接入点分布在不同的信道来提高网络的容量,因为不同的信道上的无线接入点将不存在彼此的干扰。然而,由于同一个网络中的节点必须全部使用相同的信道,当前的Ad-hoc网络无法直接通过这种频率规划来提高网络的容量,因此802.11Ad-hoc网络容量基本上限制于单个信道的带宽。   近年来,基于多信道技术的Ad-hoc网络研究受到了广泛的关注。多信道方案既可以是通过MAC层也可以通过路由层来实现。通常,基于路由层的多信道技术的每个节点需要多张无线网卡,其中节点有一张或者多张网卡使用相同的信道,而其他的网卡所使用的信道是通过动态或者静态的方式分配。而基于MAC层的多信道技术则不需要多张无线网卡。本论文提出和实现了一种基于IEEE802.11的多信道MAC协议。   首先,本论文调研了近年来关于多信道MAC协议的不同解决方案,并且分析了不同方案的细节差异,最后给出了归类的结果。接着,通过对IEEE802.11无线网络的组成元素及相关概念进行描述,建立了无线局域网的基本框架。   其次,介绍了针对802.11Ad-hoc网络的多信道MAC方案。首先定义了设计方案的解决目标,包括:多信道隐终端问题、信道切换延时问题、信道负载平衡问题和广播帧的处理。接着,论文根据现有方案的不足,提出了一种改进的方案:单跳多信道MAC协议SMMAC。SMMAC在设计时,充分考虑到了信道协商与分配的机制,提出了基于软件实现的网络操作同步方案。   然后,介绍了针对802.11基础设施网络的多信道直连方案。虽然现有的直连方案在一定程度上增加了网络的吞吐率,但是目前直接连接的节点仍处在与AP相同的信道,因此,网络吞吐率同样受限于信道的带宽。本论文提出了直连节点对使用不同信道来进一步提高网络的吞吐率。   最后,论文对前面提到的两种多信道MAC方案给出了实现的细节和试验测试结果。MAC层协议被规划到操作系统的网络设备驱动中,因此,论文将多信道MAC协议作为一个可选功能模块集成到Ralink开源的无线网络驱动代码。实现方案主要考虑了节点信道切换延时的不同造成网络同步机制的困难,以及信道分配的实现方案。通过详尽的试验表明,本论文的两种方案均比原来的方案在网络吞吐率方面有显著的提高。  
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