论文摘要
近年来，无线宽带业务的普及对无线网络的性能提出了越来越高的要求，有限的无线通信频谱资源与用户日益增长的需求之间的矛盾更加凸显。传统的单信道媒体访问控制（MAC）协议将所有可用无线资源作为一个整体由用户进行竞争和使用，效率较低，而多信道MAC协议和带宽自适应技术能够提高无线资源的使用效率，进而改善无线网络的性能，得到了学者广泛的认同和研究。本文以提高带宽资源利用率和网络吞吐量等网络性能为目标，围绕无线网络中的多信道MAC协议和带宽自适应技术的设计与优化展开研究，主要内容和创新点如下：首先，提出了一种简单的基础结构无线局域网中的多信道MAC协议。针对单信道WLAN中经典的IEEE802.11DCF机制，分析了单信道MAC协议在重负载网络和高速网络中碰撞概率高、额外开销大的不足。针对这些不足，本文设计了一种易于实现的多信道MAC协议，不需要对物理层做任何改动，就能显著提高网络的吞吐量等性能，其基本思想是节点充分利用目前802.11协议中已经支持的多个信道，随机选择其中一个信道与接入点进行数据传输，既缓解了每个信道上的竞争问题，又通过降低数据发送速率减小了帧间间隔引入的额外开销。同时，提出了扩展的Bianchi分析模型，定量分析了饱和情况下该多信道MAC协议的性能以及发送速率、信道数等参数对协议性能的影响。理论分析和仿真结果都证明了该协议相对于单信道MAC的优越性。其次，提出了分布式网络中基于最优窗口的自适应多信道MAC协议。分布式网络中由于没有中心节点的协调以及潜在的多信道隐藏终端和聋的问题，多信道条件下的媒体接入控制更加复杂。对此，本文在时隙分割的多信道MAC协议基础上，提出了能够自适应调整控制窗口和数据窗口长度的多信道MAC协议，其基本思想是节点通过侦听控制信道实时测量当前的网络状态，并使用带变化检测器的卡尔曼滤波器对下一周期的网络状态进行估计，从而确定最优的控制窗口和数据窗口的长度，提高了协议效率。最后，提出了一种基于单载波频分复用接入（SC-FDMA）的多信道MAC和带宽自适应协议。SC-FDMA多址接入方式可使节点使用不同的子载波并行传输数据，已成为WiMAX、3GPP LTE等网络上行链路的多址接入标准，为多信道MAC协议和带宽自适应技术的研究提供了广阔的空间。对此，本文提出了无线网络上行链路中基于SC-FDMA的多信道MAC和带宽自适应机制，用户节点使用不同的子载波组并行地进行信道接入的协商，降低了信道协商时的碰撞概率；接入点根据用户节点业务负载对带宽的需求，按照“比例公平”的原则将相互正交的子载波组分配给各用户节点使用，解决了用户节点业务负载不均衡的问题，提高了频带利用率。