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移动自组网(Mobile Ad Hoc Network,MANCET)是由一组具有路由转发功能的移动节点组成,其特点是没有固定的通信设施,网络中的所有节点都是可以移动的,每个节点既是终端又是路由器。MANET网络的组网方式非常灵活,在一些特殊应用环境中,如战场通讯、紧急救援和偏远地区,有着广阔的应用前景。
近年来随着多媒体应用的普及和MANET网络商业应用的进展,人们很自然地会产生在MANET网络上传送综合业务的需求,并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障。因此MANET网络对服务质量(QoS)保障的支持显得越来越迫切和重要。然而MANET网络拓扑结构动态变化、无线多跳通信以及网络带宽受限等特点,都使得在MANET网络中提供QoS保障变得更加困难,为广大研究人员提出了新的挑战。
本文选取MANET网络QoS保障若干关键技术作为研究对象,对MANET网络的拥塞控制技术、负载均衡队列调度算法、QoS路由协议以及支持QoS的MAC层协议做了深入研究。
本论文的主要研究工作如下:
(1)研究了MANET网络环境下的TCP拥塞控制机制,提出了一种更适合MANET网络环境的TCP协议改进方案TCP-Fuzzy。首先深入分析了MANET网络造成丢包的各种原因及各自特征,在此基础上利用模糊逻辑的智能处理能力,在发送端综合多个网络参数判断产生丢包的原因。解决了传统TCP协议不能正确区分网络拥塞、链路错误以及路由中断引起丢包的不足。结合智能丢包区分机制设计了TCP协议改进方案TCP-Fuzzy,根据判断出的丢包原因采取不同的拥塞控制策略,避免了TCP协议在网络实际没有拥塞的情况下错误地启动拥塞控制机制,有效地改善了TCP的性能。
(2)研究了QoS路由问题,提出了基于支持区分服务带宽预测模型的QoS路由协议。首先提出了一种支持区分服务的可用带宽预测模型,该模型不仅考虑了节点之间信道争用的影响,而且从具有不同优先级的业务角度出发对可用带宽进行预测。在该模型的基础上对AODV协议进行了扩展,使其支持QoS特性。仿真结果表明本文带宽预测模型能有效地对可用带宽进行预测,扩展后的AODV协议也可提供较好的QoS性能。
(3)研究了队列调度机制,提出了跨层协作的负载均衡队列调度算法。该算法主要是为了配合路由协议,可以按照节点的移动,通信负载状况等信息动态地做出调整,确保带宽分配的公平性以及QoS保障。算法通过在MAC层与网络层感知节点负载状态,实时动态调节数据流的转发优先权,对网络负载进行分流,从而有效地缓解拥塞节点的负载压力,提高QoS保障能力。仿真结果表明本文算法在不影响快速建立路由的前提下可以有效降低丢包率,提高网络吞吐量。
(4)研究了MAC层的QoS保障问题,提出了支持QoS的自适应MAC协议退避机制。本文在IEEE802.11的基础上提出了一种支持QoS的自适应MAC协议的退避机制,节点可以根据感知到的负载状况自适应调整退避算法,在保障实时业务QoS要求的同时尽可能地提高信道利用率。仿真结果表明,在不同网络负载的场景下,本文算法相对于IEEE802.11e在QoS保障以及信道利用率方面都有较好的表现。