無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴固定通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的新型無線網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式迅速構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信，進(jìn)行信息的收集、處理和分發(fā)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)為軍事通信、臨時(shí)通信和災(zāi)難救助提供了有效的解決方案，同時(shí)也讓人們能夠在任意環(huán)境下自由地通信。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，距離相近的節(jié)點(diǎn)可以直接進(jìn)行通信，而距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)由于節(jié)點(diǎn)傳輸能力的限制必須依靠某種路由協(xié)議通過多跳的方式進(jìn)行通信。路由協(xié)議的好壞極大影響、甚

2、至決定著Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一提出，作為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的路由技術(shù)就被廣泛關(guān)注，成為了該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)之一，到今不曾改變。
　　本文針對(duì)無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)中的一些基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性問題進(jìn)行了深入研究。這些問題包括：無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型建模、無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能分析及改進(jìn)、新型路由協(xié)議設(shè)計(jì)方法及框架等。通過對(duì)這些問題的研究，本文取得了如下研究成果：
　　

3、1.提出一種適用于具有多出入口區(qū)域的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型。在仿真研究中選擇最貼近實(shí)際、最易于實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型是研究的基礎(chǔ)，也是成功的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型大多是基于理想環(huán)境設(shè)計(jì)的，不適用于真實(shí)環(huán)境。本文首先提出了具有多個(gè)出入口區(qū)域的SMS節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型(SMS with entrances，SMSPWE)。在該模型中，仿真區(qū)域被設(shè)置成擁有若干出入口，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過出入口進(jìn)出區(qū)域，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)遵從SMS節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)外移

4、動(dòng)的轉(zhuǎn)移通過駐留概率進(jìn)行決策。然后對(duì)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均移動(dòng)路程、平均駐留時(shí)間、穩(wěn)態(tài)移動(dòng)速度以及節(jié)點(diǎn)空間分布概率等運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，同時(shí)還研究了出入口對(duì)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)特征的影響。SMSWE模型繼承了SMS模型對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的細(xì)粒度控制，同時(shí)充分考慮了區(qū)域的出入口對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響。仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析的結(jié)果表明，SMSWE模型克服了 RWPWE模型存在的節(jié)點(diǎn)向區(qū)域中心聚集的缺陷,更好地描述和模擬了多出入口區(qū)域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)模式和特點(diǎn)。因此

5、，在區(qū)域具有多出入口的真實(shí)環(huán)境中，采用SMSWE模型能更好地模擬Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，從而?duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議做出更加準(zhǔn)確的分析、評(píng)價(jià)。
　　2.提出了一種實(shí)用于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)編碼是有效提高無線多跳網(wǎng)絡(luò)吞吐量的新方法之一。為了有效的將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用到真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，本文提出了一種實(shí)用于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的編碼感知單播路由協(xié)議。該協(xié)議以一種新穎的能有效描述網(wǎng)絡(luò)編碼和單播會(huì)話特性的路由量度為基礎(chǔ)。為了確保這種路由度量能夠

6、與廣泛使用的路徑計(jì)算算法進(jìn)行有效結(jié)合，文中使用了一種獨(dú)特映射過程將真實(shí)網(wǎng)絡(luò)映射成虛擬網(wǎng)絡(luò)。這種獨(dú)特映射過可以確保常用路由計(jì)算算法獲得編碼機(jī)會(huì)最多的路徑。仿真結(jié)果顯示本文提出的路由協(xié)議能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　3.推導(dǎo)出了基于緩存的路由修復(fù)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，提出了適用于大規(guī)模異構(gòu)無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由修復(fù)策略。通過對(duì)基于緩存的路由修復(fù)機(jī)制進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和理論分析，得出了基于緩存的路由修復(fù)機(jī)制的最優(yōu)緩存策略應(yīng)具有如下三種性質(zhì)：（1）優(yōu)先緩存

7、壽命長的可用路徑；（2）優(yōu)先探測壽命長的可用路徑；（3）對(duì)于每次路由發(fā)現(xiàn)的可用路徑集合，最優(yōu)化緩存閾值總是存在。本文基于這些關(guān)鍵性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)最優(yōu)緩存算法，并通過仿真對(duì)最優(yōu)化緩存策略和最優(yōu)緩存算法的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　4.將路由協(xié)議的設(shè)計(jì)與遺傳算法和路由代數(shù)理論等技術(shù)相結(jié)合，提出了一種開放的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)框架Orchestra。Orchestra框架可以對(duì)路由協(xié)議相關(guān)研究者們的工作成果進(jìn)行充分復(fù)用，從而極大地簡化路

8、由協(xié)議的設(shè)計(jì)工作、極大地提高路由設(shè)計(jì)者們的工作效率，同時(shí)，Orchestra框架被設(shè)計(jì)成一種具有高開放性、高兼容性以及高易用性等特點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真開發(fā)平臺(tái)，該框架設(shè)計(jì)之初就考慮到了對(duì)多種已廣泛部署和使用的路由協(xié)議的兼容。Orchestra框架不僅能夠幫助研究者們方便地實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還支持如下自動(dòng)化工作：自動(dòng)對(duì)新開發(fā)模塊進(jìn)行測試；自動(dòng)將用戶開發(fā)的不同模塊進(jìn)行組合；利用智能進(jìn)化技術(shù)，自動(dòng)地在可選集中搜索適合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀