基于TD-LTE的自组织网络资源调度算法研究

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移动自组织网络(Mobile Ad-hoc Network)是一种不需要基础网络设施的分布式无线网络。因为它分布式、自组织的特点,所以多被应用于各种应急场景,例如抢险救灾、战场通信等。由于传统单信道多址接入(Multiple Access Control,MAC)协议,已经不能满足人们日益增长的通信需求,所以设计出高性能的多信道MAC协议变得十分重要。TD-LTE(Time Division Long Term Evolution)作为第四代移动通信标准之一,具有传输速率高、支持高速移动的特点,同时其子信道化的特征满足多点同时接入的需求,能够充分利用频谱资源。但是,由于自组织网络分布式的特点,蜂窝网络的MAC协议不能直接用于自组织网络。本论文提出的MAC协议,可以利用新型无线移动通信技术完成自组织网络的区域环境覆盖和宽带高速无线接入。网络中的发送节点采取类基站的发送模式,以适配TD-LTE成熟的物理层技术,使得网络具有远距离、低时延、大容量、高带宽等优点。为了解决自组织网络对TD-LTE物理层资源调度的问题,本文提出了一种基于TD-LTE的自组织网络多址接入协议——BTL-MAC协议。首先介绍了BTL-MAC协议适应TD-LTE特性的信道划分和时隙构建。之后,用最大发送集合法和禁用信道集合法对信道和时隙资源进行固定分配。并且,用动态的资源分配方法补充分配时隙资源,进一步提高资源利用率。BTL-MAC协议充分利用TD-LTE的空口技术,将自组织网络中的部分节点模拟成基站来进行资源的分配。BTL-MAC协议是一种同步的多址接入协议,同步技术能够让每个信道进一步划分出多个时隙,让节点能够充分利用时隙资源,减少帧碰撞的发生,实现在时间维度上高效率的信道复用。这种同步技术有利于资源分配,使得BTL-MAC协议在进行固定资源分配的时候就能把几乎所有可用资源较为公平地分配给每个节点,减少了控制帧的使用,一定程度上解决了网络拥塞问题。本文在OPNET网络仿真软件上对BTL-MAC协议进行了建模仿真,为了衡量协议的性能,采用接入时延和网络吞吐量作为主要性能指标。在不同拓扑结构和不同信道数量等多种复杂场景下,把USAP(Unified Slot Assignment Protocol)协议的仿真数据作为参照,对BTL-MAC协议进行分析。在此基础上,研究了不同信道数目对BTL-MAC协议吞吐量和信道占用率的影响。仿真结果证明:BTL-MAC协议相比于其它现有的多址接入协议,能够有效地降低接入时延、显著提高网络吞吐量,对自组织网络的性能有较大的提升作用。
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