AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能分析及路由技術(shù)研究.pdf

1、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，由不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施支持和控制的自由通信節(jié)點(diǎn)組成。因其可以實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)并具有強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)已逐漸應(yīng)用到許多關(guān)鍵場(chǎng)景中，例如戰(zhàn)場(chǎng)通信，搶險(xiǎn)救災(zāi)，增大現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，等等。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分之一。
　　網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估是研宄Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的核心課題，對(duì)實(shí)際的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義，是推動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、實(shí)用化以及

2、商業(yè)化的決定性因素。路由協(xié)議設(shè)計(jì)是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。良好的路由協(xié)議設(shè)計(jì)可以提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“廣域覆蓋低成本寬帶接入組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用示范網(wǎng)絡(luò)開發(fā)國(guó)”(2012ZX03004002-003)，863項(xiàng)目“大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)的新型路由協(xié)議”(2007AA01Z217)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于網(wǎng)絡(luò)最大流量統(tǒng)計(jì)容量的無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化技術(shù)”(61172079)

3、，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，“基于M I M O和協(xié)同通信技術(shù)的大規(guī)模移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)”(60972048)的支持下，本文首先對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、吞吐量以及開銷等主要性能指標(biāo)進(jìn)行理論分析，然后基于理論分析結(jié)果，提出了幾種適用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。本文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：
　　第一部分分析了跳數(shù)受限（L≤2)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能。在此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包副本到不同中繼節(jié)點(diǎn)，利

4、用這些節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，當(dāng)其移動(dòng)到目的節(jié)點(diǎn)附近時(shí)再將數(shù)據(jù)包傳遞給目的節(jié)點(diǎn)。首先，將數(shù)據(jù)包的傳遞過程建模為一個(gè)離散隨機(jī)過程，計(jì)算其狀態(tài)之間的平均轉(zhuǎn)移步數(shù)，得到了數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)隊(duì)首傳遞到目的節(jié)點(diǎn)所需時(shí)延（即傳遞時(shí)延）上界的閉合表達(dá)式，并給出了在傳遞時(shí)延最優(yōu)條件下的發(fā)送副本數(shù)f與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N的關(guān)系f=Θ(√N(yùn))。進(jìn)一步，基于平均剩余服務(wù)時(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延進(jìn)行了理論分析，從而得到了端到端時(shí)延性能。最后，給出數(shù)值仿真結(jié)果直觀地展現(xiàn)時(shí)延性

5、能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)負(fù)載的變化趨勢(shì)。
　　第二部分分析了節(jié)點(diǎn)緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的容量性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)緩存大小為K時(shí)，在充分考慮節(jié)點(diǎn)間無線干擾和信道競(jìng)爭(zhēng)的前提下，利用排隊(duì)理論將節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列建模為G/G/1/K排隊(duì)模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一個(gè)完備的理論框架分析了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)吞吐量上界的必要條件，以及在此條件下節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的平均到達(dá)率和服務(wù)速率，并推導(dǎo)出單節(jié)點(diǎn)吞吐量C隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的漸進(jìn)變化趨勢(shì)C=0(1-1/K)。進(jìn)一步，針對(duì)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)

6、拓?fù)浜头菍?duì)稱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，給出了可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量上界的調(diào)度策略。
　　第三部分針對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，提出了丟包開銷的概念，即定義由于接收節(jié)點(diǎn)的緩存溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，之前用于發(fā)送此數(shù)據(jù)包所消耗的帶寬為丟包開銷。通過分析實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑的條件，建立了評(píng)估其在任意路由策略下丟包開銷的理論框架。仿真結(jié)果顯示現(xiàn)有路由協(xié)議仍然具有很大的改善空間以減小丟包開銷，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　第四部分提出了一組

7、適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的高效路由協(xié)議。首先提出了一種具有業(yè)務(wù)感知能力的路由協(xié)議TACR，它能夠利用基于維納過程的預(yù)測(cè)方法感知網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)變化，及時(shí)調(diào)整路由策略，并通過引入分布式Q學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)調(diào)整路由生存期，提高了路由的自適應(yīng)性。其次，提出了具有端到端擁塞控制功能的路由協(xié)議ECCR，ECCR將路徑的長(zhǎng)度和擁塞狀況相結(jié)合作為最優(yōu)路徑的選擇標(biāo)準(zhǔn)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。進(jìn)一步，在ECCR的基礎(chǔ)上提出了M-ECCR，M-ECCR結(jié)合了單路徑路由和多路徑路由