Ad hoc網(wǎng)絡(luò)連結(jié)原理.pdf

1、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是在沒(méi)有中心基礎(chǔ)設(shè)施情況下，由一些移動(dòng)自組織節(jié)點(diǎn)形成的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是近年來(lái)國(guó)際上一個(gè)廣泛研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)際上對(duì)Adhoc網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題的研究主要集中在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、和應(yīng)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(wèn)題。然而，對(duì)于由拓?fù)涞母叨葎?dòng)態(tài)性帶來(lái)的復(fù)雜性問(wèn)題，是國(guó)際上鮮為關(guān)注的前沿問(wèn)題。 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究興起于近年，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)理論經(jīng)過(guò)三百年的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的里程碑。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究從宏觀角

2、度入手，研究網(wǎng)絡(luò)的各種特性，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)溲芯恐腥〉昧送黄菩缘倪M(jìn)展，如對(duì)Internet宏觀拓?fù)溲芯恳呀?jīng)開創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)特性造成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性是一個(gè)現(xiàn)實(shí)中普遍存在的現(xiàn)象，尤其是Adhoc網(wǎng)絡(luò)這種拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，如何針對(duì)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性造成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性進(jìn)行研究是本文關(guān)注的問(wèn)題。本文利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究方法，對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)由于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性造成的空間復(fù)用

3、問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)分割問(wèn)題、連接變化問(wèn)題進(jìn)行了全面的論述，在此基礎(chǔ)上，提出了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)連結(jié)原理的三定理。 首先，空間復(fù)用性是衡量網(wǎng)絡(luò)通信效率重要指標(biāo)。本文通過(guò)討論無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用產(chǎn)生的因素，進(jìn)而分析了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用性產(chǎn)生的通信原因，以及影響空間復(fù)用的物理因素和幾何因素。無(wú)論是采用何種隨機(jī)接入方式，物理因素(節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、發(fā)射半徑)和幾何因素(面積比)對(duì)空間復(fù)用性影響有著自身的規(guī)律。通過(guò)定義空間復(fù)用率，定量地刻畫了空間復(fù)用性，

4、通過(guò)試驗(yàn)采集的大量數(shù)據(jù)及曲線族擬合法，確定了空間復(fù)用率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、面積比三者之間滿足對(duì)數(shù)曲線族確定的曲面P=B<,0>+B<,1> ln N的數(shù)學(xué)關(guān)系。最終，確定了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)連結(jié)原理的[定理1]。 其次，對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分割進(jìn)行了研究。分別從通信因素、物理和幾何因素兩個(gè)方面討論了造成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分割因素。由通信因素造成的網(wǎng)絡(luò)分割，分別從物理層和鏈路層進(jìn)行分析。節(jié)點(diǎn)過(guò)早的“死亡”、節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的有限性是造成網(wǎng)

5、絡(luò)分割的物理層原因。分組沖突因素造成節(jié)點(diǎn)在邏輯上脫離網(wǎng)絡(luò)形成了孤兒節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)接入信道的“馬太效應(yīng)”是造成網(wǎng)絡(luò)分割的鏈路層原因。無(wú)論是通信系統(tǒng)中的物理層、鏈路層、或是網(wǎng)絡(luò)層因素，其節(jié)點(diǎn)發(fā)射半徑、節(jié)點(diǎn)密度等幾何和物理因素對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景、不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的影響是相同的。為了定量地刻畫網(wǎng)絡(luò)分割，本文定義的網(wǎng)絡(luò)分割比，利用S曲線族Y=e<,(B<,0>+B<,1>/R)>進(jìn)行曲面擬合，確定了節(jié)點(diǎn)數(shù)、面積比、網(wǎng)絡(luò)分割比三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。確定了Ad

6、 hoe網(wǎng)絡(luò)連結(jié)原理的[定理2]。 第三，連接的變化是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓淖罱K原因。本文對(duì)連接變化率定義進(jìn)行了拓展，通過(guò)定義累積連接變化率來(lái)定量地衡量網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟L(zhǎng)期變化情況；通過(guò)定義馬爾可夫連接變化率來(lái)定量地衡量網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌矔r(shí)變化情況。通過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、速度比、連接變化率三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，確定了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)連結(jié)原理的[定理3]。 分別對(duì)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的累積連接變化率和馬爾可夫連接變化率進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟L(zhǎng)期變化的研究發(fā)

7、現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)溥B接變化率比鏈路層拓?fù)溥B接變化率低；通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌矔r(shí)變化的研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)渌查g變化比鏈路層拓?fù)渌矔r(shí)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(shí)現(xiàn)更加容易，而且這也增加了通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定性，從而增加了通信效率。 分別對(duì)兩個(gè)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(jìn)行了計(jì)算。相同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)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?fù)渥兓念l繁程度，而拓?fù)涞念l繁變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制包過(guò)多的占用了數(shù)據(jù)包的帶寬，致使網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。進(jìn)一步得出結(jié)論：相同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究方法，對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本問(wèn)題：空間復(fù)用性、網(wǎng)絡(luò)分割、連接變化進(jìn)行了深入的探討。分別對(duì)三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，并確定