多跳無線網(wǎng)絡容量與資源優(yōu)化技術研究.pdf

1、多跳無線網(wǎng)絡是一種無基礎設施、自組織和以多跳傳輸為特征的新型無線網(wǎng)絡，其主要形式包括Ad hoc網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡和無線網(wǎng)狀網(wǎng)等。作為無線網(wǎng)絡的一種實現(xiàn)形式，多跳無線網(wǎng)絡中存在著傳統(tǒng)的無線和移動通信系統(tǒng)中的一些共性問題，比如帶寬優(yōu)化、功率控制，以及如何提高傳輸質(zhì)量等等。此外，多跳無線網(wǎng)絡具有很多自身的特性，這些特性使其在網(wǎng)絡組織、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議設計等方面都與現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡存在明顯的區(qū)別。針對多跳無線網(wǎng)絡的研究以往主要集中在路由協(xié)議、

2、接入控制（MAC）協(xié)議以及與其它通信網(wǎng)的互連互通等方向，并取得了很多成果。但到目前為止，該領域中仍有很多需要解決的技術難點。首先是網(wǎng)絡容量問題，包括基本的容量界限、容量與時延的關系，以及考慮具體協(xié)議開銷時網(wǎng)絡可獲得的最大吞吐量等特征。其次是如何降低干擾、提高網(wǎng)絡資源的利用率。第三，對節(jié)點能量受限的Ad Hoc網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡，如何節(jié)約節(jié)點能量也是一個重要的問題。此外，針對各種物理層新技術的應用，需要研究資源的優(yōu)化分配以利用其所帶來的好處

3、。本文的研究工作主要涉及多跳無線網(wǎng)絡的容量分析和資源利用效率的優(yōu)化。主要創(chuàng)新包括以下幾點：
　　 ⑴研究了業(yè)務多跳傳輸?shù)臅r延特性和容量與時延的折衷關系。針對有限節(jié)點數(shù)目的多跳無線網(wǎng)絡，建立了網(wǎng)絡模型和業(yè)務模型，并基于理想的傳輸控制和路由選擇機制，推導了業(yè)務多跳傳輸?shù)钠骄说蕉藭r延，得到了具有時延限制的網(wǎng)絡容量的解析結(jié)果。
　　 ⑵針對多跳無線網(wǎng)絡中現(xiàn)有廣播方法的傳輸冗余問題，提出了全網(wǎng)優(yōu)化的空間覆蓋廣播思想，找到了理想情

4、況下最優(yōu)覆蓋和最優(yōu)雙重覆蓋的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點分布方式，并且分析了理想情況下廣播的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)效率。
　　 ⑶提出了一種易于實現(xiàn)的基于1跳鄰節(jié)點信息的3點轉(zhuǎn)發(fā)廣播算法（TripleForwarding Broadcast，TFB）。該算法中，每個節(jié)點只需選擇2到3個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點就能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡實現(xiàn)接近雙重的覆蓋，并且轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點傳輸范圍之間的重疊面積最小，因此，TTB算法可以在保證較高送達率的同時明顯提高廣播的轉(zhuǎn)發(fā)效率。
　　 ⑷提出了一種無

5、需鄰節(jié)點信息的空間覆蓋廣播算法（Space-CoveredBroadcast，SCB）。SCB算法實現(xiàn)了優(yōu)化的空間覆蓋，降低了帶寬和存儲計算等開銷，能夠自動適應信道狀況，避免信道變化所造成的傳輸錯誤，因此具有較好的實用性。
　　 ⑸將多信道無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Networks，WMN）中的多播業(yè)務選路和信道分配及接口分配構(gòu)建為一個聯(lián)合的線性規(guī)劃問題，綜合考慮了可用信道、接口數(shù)量以及干擾鏈路的限制，優(yōu)化目標是使

6、多播路徑占用的信道數(shù)最少，從而提高了不同鏈路同時傳輸數(shù)據(jù)的能力。鑒于計算的復雜性較高，還提出了一種啟發(fā)式算法，達到了提高業(yè)務吞吐量和降低端到端時延的目的。
　　 本研究分為三個部分：第一部分（第二章）研究了多跳無線網(wǎng)絡具有時延限制的吞吐容量問題。第二部分（第三章和第四章）研究了提高多跳無線網(wǎng)絡中廣播的轉(zhuǎn)發(fā)效率問題。首先，分析了理想情況下覆蓋網(wǎng)絡所需的最少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點個數(shù)，提出了空間覆蓋廣播的思想，找出了理想情況下實現(xiàn)最優(yōu)雙重覆蓋的轉(zhuǎn)