Ad hoc網(wǎng)絡連結(jié)原理.pdf

1、Ad hoc網(wǎng)絡是在沒有中心基礎設施情況下，由一些移動自組織節(jié)點形成的多跳無線網(wǎng)絡，是近年來國際上一個廣泛研究的熱點。目前，國際上對Adhoc網(wǎng)絡通信問題的研究主要集中在鏈路層、網(wǎng)絡層、和應用層，包括MAC協(xié)議、路由協(xié)議、信息安全、QoS保證、功率控制等問題。然而，對于由拓撲的高度動態(tài)性帶來的復雜性問題，是國際上鮮為關注的前沿問題。 復雜網(wǎng)絡研究興起于近年，標志著網(wǎng)絡理論經(jīng)過三百年的發(fā)展進入了一個新的里程碑。復雜網(wǎng)絡研究從宏觀角

2、度入手，研究網(wǎng)絡的各種特性，經(jīng)過多年發(fā)展復雜網(wǎng)絡理論已經(jīng)形成了一套有效的研究方法，并且在宏觀靜態(tài)網(wǎng)絡拓撲研究中取得了突破性的進展，如對Internet宏觀拓撲研究已經(jīng)開創(chuàng)了一個新的領域。 網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)特性造成的網(wǎng)絡復雜性是一個現(xiàn)實中普遍存在的現(xiàn)象，尤其是Adhoc網(wǎng)絡這種拓撲高度動態(tài)變化的網(wǎng)絡，如何針對拓撲的動態(tài)性造成的網(wǎng)絡復雜性進行研究是本文關注的問題。本文利用復雜網(wǎng)絡研究方法，對Ad hoc網(wǎng)絡由于拓撲動態(tài)性造成的空間復用

3、問題、網(wǎng)絡分割問題、連接變化問題進行了全面的論述，在此基礎上，提出了Ad hoc網(wǎng)絡連結(jié)原理的三定理。 首先，空間復用性是衡量網(wǎng)絡通信效率重要指標。本文通過討論無線網(wǎng)絡空間復用產(chǎn)生的因素，進而分析了Ad hoc網(wǎng)絡空間復用性產(chǎn)生的通信原因，以及影響空間復用的物理因素和幾何因素。無論是采用何種隨機接入方式，物理因素(節(jié)點個數(shù)、發(fā)射半徑)和幾何因素(面積比)對空間復用性影響有著自身的規(guī)律。通過定義空間復用率，定量地刻畫了空間復用性，

4、通過試驗采集的大量數(shù)據(jù)及曲線族擬合法，確定了空間復用率、節(jié)點數(shù)、面積比三者之間滿足對數(shù)曲線族確定的曲面P=B<,0>+B<,1> ln N的數(shù)學關系。最終，確定了Ad hoc網(wǎng)絡連結(jié)原理的[定理1]。 其次，對Ad hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡分割進行了研究。分別從通信因素、物理和幾何因素兩個方面討論了造成Ad hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡分割因素。由通信因素造成的網(wǎng)絡分割，分別從物理層和鏈路層進行分析。節(jié)點過早的“死亡”、節(jié)點傳輸范圍的有限性是造成網(wǎng)

5、絡分割的物理層原因。分組沖突因素造成節(jié)點在邏輯上脫離網(wǎng)絡形成了孤兒節(jié)點與節(jié)點接入信道的“馬太效應”是造成網(wǎng)絡分割的鏈路層原因。無論是通信系統(tǒng)中的物理層、鏈路層、或是網(wǎng)絡層因素，其節(jié)點發(fā)射半徑、節(jié)點密度等幾何和物理因素對不同網(wǎng)絡場景、不同網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的影響是相同的。為了定量地刻畫網(wǎng)絡分割，本文定義的網(wǎng)絡分割比，利用S曲線族Y=e<,(B<,0>+B<,1>/R)>進行曲面擬合，確定了節(jié)點數(shù)、面積比、網(wǎng)絡分割比三者之間的數(shù)學關系。確定了Ad

6、 hoe網(wǎng)絡連結(jié)原理的[定理2]。 第三，連接的變化是導致網(wǎng)絡拓撲變化的最終原因。本文對連接變化率定義進行了拓展，通過定義累積連接變化率來定量地衡量網(wǎng)絡拓撲長期變化情況；通過定義馬爾可夫連接變化率來定量地衡量網(wǎng)絡拓撲瞬時變化情況。通過節(jié)點數(shù)、速度比、連接變化率三者之間的數(shù)學關系，確定了Ad hoc網(wǎng)絡連結(jié)原理的[定理3]。 分別對鏈路層與網(wǎng)絡層的累積連接變化率和馬爾可夫連接變化率進行了計算。通過對網(wǎng)絡拓撲長期變化的研究發(fā)

7、現(xiàn)，網(wǎng)絡層拓撲連接變化率比鏈路層拓撲連接變化率低；通過對網(wǎng)絡拓撲瞬時變化的研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡層拓撲瞬間變化比鏈路層拓撲瞬時變化更劇烈?？梢缘贸鼋Y(jié)論：通信協(xié)議分層，不但是為了通信協(xié)議的實現(xiàn)更加容易，而且這也增加了通信網(wǎng)絡拓撲的穩(wěn)定性，從而增加了通信效率。 分別對兩個不同的路由協(xié)議Grid Routing和VBS的累積連接變化率和馬爾可夫連接變化率進行了計算。相同的網(wǎng)絡場景下，Grid Routing協(xié)議較VBS路由協(xié)議連接變化率高，由

8、于連接變化率反映了拓撲變化的頻繁程度，而拓撲的頻繁變化導致網(wǎng)絡控制包過多的占用了數(shù)據(jù)包的帶寬，致使網(wǎng)絡通信效率下降。進一步得出結(jié)論：相同的網(wǎng)絡場景下，Grid Routing路由協(xié)議比VBS路由協(xié)議通信效率低。由此可見，連接變化率為定量地衡量路由協(xié)議效率提供了尺度。 綜上所述，本文利用復雜網(wǎng)絡研究方法，對Ad hoc網(wǎng)絡的三個基本問題：空間復用性、網(wǎng)絡分割、連接變化進行了深入的探討。分別對三個問題進行了仿真試驗和數(shù)據(jù)分析，并確定