移動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)作為移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種無需任何基礎(chǔ)設(shè)施支持就可以實現(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，抗毀性強等特點，因而在諸如戰(zhàn)場、災(zāi)難救助、野外考察、工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于無基礎(chǔ)設(shè)施的支持且網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(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)不同的新問題和挑戰(zhàn)。這包括路由問題、能量問題、QoS問題和安全問題等。 與傳統(tǒng)無線網(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)中每個節(jié)點都具有路由功能。由于傳統(tǒng)的距離矢量和鏈路狀態(tài)算法需要在節(jié)點間交換大量信息，且需花費較長時間才能達到算法收斂，因此并不適用于節(jié)點頻繁移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)高度動態(tài)變化的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。如何設(shè)計一個簡單高效的路由協(xié)議使之能感知網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，動態(tài)維護網(wǎng)絡(luò)拓撲的連接，更新鏈路狀態(tài)，快速準確發(fā)現(xiàn)路由，是當前Ad hoc網(wǎng)絡(luò)急需解決的關(guān)鍵問題之一。 在無線通信系統(tǒng)中，能耗一直

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

4、 本文就移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能與路由的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了討論。就以下幾個方面進行了創(chuàng)新性研究： 1)基于距離和計數(shù)門限的分布式Ad hoc網(wǎng)絡(luò)廣播算法廣播作為無線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)議用來完成路由建立和路由維護工作。但是在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用洪泛方式廣播，會帶來廣播風(fēng)暴問題。針對Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴問題，采用跨層設(shè)計方法，設(shè)計了一種分布式廣播算法。該算法利用從物理層提取的報文接收信

5、號強度信息和從網(wǎng)絡(luò)層提取的相鄰節(jié)點信息確定廣播報文轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，并動態(tài)調(diào)整MAC層的退避時間和網(wǎng)絡(luò)層的報文發(fā)送等待延遲時間。仿真實驗結(jié)果表明該算法在顯著減輕廣播風(fēng)暴問題的同時也取得了較高的協(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Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中能量控制問題做了討論，由于在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用控制數(shù)據(jù)報文向相鄰節(jié)點發(fā)射功率的方法來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對網(wǎng)絡(luò)連通性、延遲和

6、容量帶來負面影響。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)半徑最小為目標的分布式非合作功率控制博弈算法，并給出了對該算法納什均衡存在性和唯一性的證明。仿真試驗結(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)議由于移動無線自組網(wǎng)是由一組移動節(jié)點組成的、無需任何基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)報文。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及Internet的發(fā)展，要求在移動無線自組網(wǎng)中提供

7、一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證。在無線自組網(wǎng)中，每個節(jié)點都以電池作為工作能源，且每個節(jié)點既是主機還是路由器，當一些節(jié)點由于能量耗盡而停止工作時，將會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰。因此在移動無線自組網(wǎng)中，進行路由選擇時，僅考慮QoS路由約束是不夠的，還需考慮能耗問題。在保證QoS的同時如何延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間已經(jīng)成為QoS路由的一個重要目標。針對這一問題，本文給出了針對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路由問題描述，通過將網(wǎng)絡(luò)生

8、命周期最大化QoS路由問題轉(zhuǎn)化為最大流問題，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，同時改善了數(shù)據(jù)分組遞交率和端到端延遲。 本文得到國家自然科學(xué)基金項目 (60672137，90304018)，教育部博士點基金項目(20060497015)，湖北省武漢市科技攻關(guān)項目(200410