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研究生:徐士鈞
研究生(外文):Shih-Chun Hsu
論文名稱:在隨意網路上高流量媒體存取控制層協定之研究
論文名稱(外文):Study of High-Throughput MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks
指導教授:王瑞騰
指導教授(外文):Jui-Teng Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:54
中文關鍵詞:無線隨意網路流量同時傳輸媒體存取控制
外文關鍵詞:Wireless ad hoc networksthroughputconcurrent transmissionmedia access control
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載波感測多重存取與碰撞避免(CSMA/CA)是IEEE 802.11中的媒體存取控制(media access control, MAC)技術。在CSMA/CA中,採用傳輸控制封包(RTS/CTS)和資料封包(DATA/ACK)的程序來避免碰撞。然而,因為同時傳輸並不被允許,所以傳統CSMA/CA的輸出(throughput)是被限制的。
在本篇論文中,我們研究同時傳輸媒體存取控制(concurrent transmission MAC, CTMAC)技術,它允許在無線隨意網路下同時傳輸來增加throughput。在CTMAC中,在傳輸控制封包和資料封包之間插入一個額外的控制間隔(additional control gap, ACG),在ACG期間內,其他節點交換RTS/CTS訊框使多重同時傳輸可以被實現。我們在無線隨意網路的實驗下模擬CTMAC和傳統CSMA/CA,根據模擬的結果,我們可以看出CTMAC在throughput效能表現上遠勝過傳統的CSMA/CA。
Carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) is the media access control (MAC) scheme for IEEE 802.11. In CSMA/CA, the procedure with the transmissions of control packets (RTS/CTS) and data packets (DATA/ACK) is employed to avoid the collisions. However, since concurrent transmissions are not allowed, the throughput of traditional CSMA/CA is limited.
In this thesis, we study the CTMAC (concurrent transmission MAC) scheme, which allows concurrent transmissions to increase the throughput, for wireless ad hoc networks. In CTMAC, an additional control gap (ACG) is inserted between the transmissions of control packets (RTS/CTS) and data packets (DATA/ACK), and during the period of ACG, other nodes exchange the frames of RTS/CTS so that multiple concurrent transmissions can be realized. We simulate CTMAC and traditional CSMA/CA in the experimental wireless ad hoc networks. According to the simulation results, we found that CTMAC outperforms traditional CSMA/CA in the throughput.
目 錄
致謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的與動機 1
1.3 論文架構 2

第二章 802.11無線區域網路 3
2.1 802.11無線區域網路簡介 3
2.2 802.11實體層簡介 4
2.3 802.11無線區域網路硬體架構 5
2.3.1 Ad Hoc WLAN架構 7
2.3.2 Infrastructure WLAN架構 7
2.4 802.11無線區域網路軟體架構 8

第三章 媒體存取控制層介紹 9
3.1 MAC簡介 9
3.2 分散式協調功能(DCF) 10
3.2.1 CSMA/CA 10
3.2.2 訊框間隔 11
3.2.3 二元指數倒退機制(Backoff) 12
3.3 訊框交換機制 14
3.3.1 隱藏節點問題 14
3.3.2 RTS/CTS/DATA/ACK機制 15
3.3.3 網路配置向量(NAV) 17
3.3.4 訊框錯誤與復原 18
3.4 訊框格式 19
3.4.1 訊框的切割與重組 19
3.4.2 MAC訊框格式 21
3.4.3 RTS/CTS/ACK訊框格式 22

第四章 同時傳輸技術 24
4.1 前言 24
4.2 CTMAC協定概念 24
4.3 CTMAC協定 25
4.3.1 ACG的設計 28
4.3.2 ANL資訊的更新 29
4.3.3 計算法 30
4.3.4 訊框格式 32
4.4 用CTMAC解決問題 33
4.4.1 碰撞避免 33
4.4.2 串連鎖問題 35

第五章 模擬結果與分析 36
5.1 前言 36
5.2 MACA-P 36
5.3 網路模型 37
5.3 環境參數 38
5.4 模擬結果 40

第六章 結論 52

參考文獻 53














圖 目 錄

圖2-1 IEEE 802家族規格系列與OSI架構 5
圖2-2 802.11無線區域網路架構 6
圖2-3 Ad Hoc Wireless LAN 7
圖2-4 Infrastructure WLAN 8
圖3-1 802.11 MAC Layer架構圖 9
圖3-2 CSMA/CA運作流程圖 10
圖3-3 DCF基本存取方式和訊框間隔關係圖 11
圖3-4 DCF中工作站競爭與Backoff程序範例 12
圖3-5 CW大小呈現指數型態增加 13
圖3-6 隱藏節點問題 14
圖3-7 RTS/CTS/DATA/ACK機制 15
圖3-8 RTS/CTS機制與NAV設定 17
圖3-9 DCF在傳送時發生碰撞Backoff程序 18
圖3-10 將MSDU切割成許多的Fragments 19
圖3-11 Fragment burst表示圖 20
圖3-12 802.11 MAC訊框格式 21
圖3-13 RTS訊框格式 22
圖3-14 CTS和ACK訊框格式 22
圖4-1 節點關係圖 24
圖4-2 CTMAC基本運作圖 27
圖4-3 CTMAC’s RTS訊框格式 32
圖4-4 CTMAC’s CTS訊框格式 32
圖4-5 CTMAC’s ATS訊框格式 33
圖4-6 AàB、PàQ交換RTS-CTS-資料訊框-ACK的兩種可能時程圖 34
圖5-1 MACA-P中必要條件圖 37
圖5-2 兩個傳輸排程的線性拓樸 40
圖5-3 CTMAC直線拓樸流程圖 41
圖5-4 直線拓樸中,IEEE 802.11和CTMAC效能比較圖 42
圖5-5 CTMAC隨機格子拓樸流程圖 44
圖5-6 隨機格子拓樸中,transmissions數目等於2 45
圖5-7 隨機格子拓樸中,transmissions數目等於3 46
圖5-8 隨機格子拓樸中,transmissions數目等於4 47
圖5-9 群集拓樸表示圖 48
圖5-10 CTMAC群集拓樸流程圖 49
圖5-11 ρ=0流量比較圖 50
圖5-12 ρ=0.25流量比較圖 51
[1] Wanrong Yu; Jiannong Cao; Xingming Zhou; Xiaodong Wang; Chan, K.C.C.; Chan, A.T.S.; Leong, H.V.; “A High-Throughput MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks,” IEEE Trans.Wireless Commun. vol. 5, no. 1, Jan 2008.
[2] IEEE Computer Society LAN MAN Standards Committee, Ed., International Standard ISO/IEC 8802-11; Part 11:wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edn. The IEEE,1999.
[3] P. Karn, “MACA-a new channel access method for packet ratio,” in Proc. 9th ARRL Computer Networking Conference, 1990, pp. 134-140.
[4] E.-S. Jung and N. H. Vaidya, “A power control MAC protocol for ad hoc networks,” ACM/Kluwer Wireless Networks (WINET), vol. 11, no. 1-2, pp. 55-66, Jan.2005.
[5] A. Acharya, A Misra, and S Bansal, “MACA-P: a MAC for concurrent transmissions in multi-hop wireless networks,” in Proc. IEEE PerCom 2003, Mar. 2003, pp. 505-508.
[6] A. Acharya, A Misra, and S Bansal, “Design and analysis of a cooperative medium access scheme fir wireless mesh networks,” in Proc. BroadNets 2004, Oct. 2004, pp. 25-29.
[7] J. Monks, V. Bharghavan, and W.-M. Hwu, “A power controlled multiple access protocol for wireless packet networks,” in Proc. IEEE INFOCOM 2001, Apr. 2001, pp. 219-228.
[8] S.-L. Wu, Y.-C. Tseng, and J.-P. Sheu, “Intelligent medium access for mobile ad hoc networks with busy tones and power control,” IEEE J. Select. Areas Commun.,vol. 18, no. 9, pp. 1647-1657, Sept. 2000.
[9] A. Muqattash and M. Krunz, “Power controlled dual channel (PCDC) medium access protocol for wireless ad hoc networks,” in Proc. IEEE INFOCOM 2003, Apr. 2003, pp. 470-480.
[10] A. Muqattash and M. Krunz, “POWMAC: a single-channel power control protocol for throughput enhancement in wireless ad hoc networks,” IEEE J. Select. Areas commun., vol. 23, no. 5, pp. 1067-1084, May 2005.
[11] T. S. Rappaport and L. B. Milstein, “Effects of radio propagation path loss on DS-CDMA cellular frequency reuse efficiency for the reverse channel,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 41, pp. 231-242, Aug. 1992.
[12] W. Stallings, “Wireless Communications and Networks.”, Prentice Hall , 2002

[13] Matthew S. Gast著; 黃裕彰 譯, ”802.11 無線網路技術通論”, 美商O’REILLY出版社, 2003.
[14] 簡榮宏、廖冠雄編著, ”802.11 無線區域網路”, 全華科技, 2007.
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