移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)高能效路由技術(shù)的研究.pdf

1、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種無(wú)需任何基礎(chǔ)設(shè)施支持就可以實(shí)現(xiàn)通信的自組網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，它具有部署快速，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而在諸如戰(zhàn)場(chǎng)、災(zāi)難救助、野外考察、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的支持且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，因此Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中存在著許多與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的新問(wèn)題和挑戰(zhàn)。這包括路由問(wèn)題、能量問(wèn)題、QoS問(wèn)題和安全問(wèn)題等。 與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不

2、同，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種多跳自治系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能。由于傳統(tǒng)的距離矢量和鏈路狀態(tài)算法需要在節(jié)點(diǎn)間交換大量信息，且需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到算法收斂，因此并不適用于節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)變化的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單高效的路由協(xié)議使之能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，動(dòng)態(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B接，更新鏈路狀態(tài)，快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)路由，是當(dāng)前Ad hoc網(wǎng)絡(luò)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，能耗一直

3、是衡量系統(tǒng)性能的重要性能指標(biāo)。降低能耗不僅可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，而且還可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。另外，通過(guò)采用低能耗的無(wú)線通信還能緩解人們對(duì)使用移動(dòng)通訊可能造成損害健康問(wèn)題的擔(dān)憂。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，與其他類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一樣，也存在著能量問(wèn)題。與其它類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，能量問(wèn)題不僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響而且還關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“生死”。因此，能量問(wèn)題是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

4、 本文就移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能與路由的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。就以下幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性研究： 1)基于距離和計(jì)數(shù)門限的分布式Ad hoc網(wǎng)絡(luò)廣播算法廣播作為無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中一種重要通信方式，被許多單播和多播協(xié)議用來(lái)完成路由建立和路由維護(hù)工作。但是在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用洪泛方式廣播，會(huì)帶來(lái)廣播風(fēng)暴問(wèn)題。針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴問(wèn)題，采用跨層設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種分布式廣播算法。該算法利用從物理層提取的報(bào)文接收信

5、號(hào)強(qiáng)度信息和從網(wǎng)絡(luò)層提取的相鄰節(jié)點(diǎn)信息確定廣播報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整MAC層的退避時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)層的報(bào)文發(fā)送等待延遲時(shí)間。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在顯著減輕廣播風(fēng)暴問(wèn)題的同時(shí)也取得了較高的協(xié)議能效。 2)非合作Ad hoc網(wǎng)絡(luò)功率控制博弈優(yōu)化算法本文針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中能量控制問(wèn)題做了討論，由于在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用控制數(shù)據(jù)報(bào)文向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的方法來(lái)提高能量使用效率是一種常用的方法，但是采用功率控制也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性、延遲和

6、容量帶來(lái)負(fù)面影響。因此本文提出了一種以滿足網(wǎng)絡(luò)連通性、容量最大化、網(wǎng)絡(luò)半徑最小為目標(biāo)的分布式非合作功率控制博弈算法，并給出了對(duì)該算法納什均衡存在性和唯一性的證明。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較好的綜合性能。 3) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)最大化生命周期QoS路由協(xié)議由于移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)是由一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的、無(wú)需任何基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及Internet的發(fā)展，要求在移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)中提供

7、一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證。在無(wú)線自組網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以電池作為工作能源，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)還是路由器，當(dāng)一些節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡而停止工作時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的崩潰。因此在移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)中，進(jìn)行路由選擇時(shí)，僅考慮QoS路由約束是不夠的，還需考慮能耗問(wèn)題。在保證QoS的同時(shí)如何延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間已經(jīng)成為QoS路由的一個(gè)重要目標(biāo)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文給出了針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中存在多業(yè)務(wù)情況下網(wǎng)路生命周期最大化QoS路由問(wèn)題描述，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)生

8、命周期最大化QoS路由問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最大流問(wèn)題，借鑒最大流算法思想，提出了一種基于最大流的分布式網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化QoS路由協(xié)議，并給出了協(xié)議描述、實(shí)現(xiàn)及性能分析。仿真結(jié)果表明該協(xié)議在滿足業(yè)務(wù)QoS要求的基礎(chǔ)上使網(wǎng)絡(luò)生命周期得到較大的延長(zhǎng)，同時(shí)改善了數(shù)據(jù)分組遞交率和端到端延遲。 本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (60672137，90304018)，教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20060497015)，湖北省武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目(200410