无线自组织网络数据传输与内容共享机制研究

发布时间：2020-03-28 18:37

【摘要】：随着智能无线设备规模的日益增长,各式移动应用的推陈出新以及人们对随时随地获取互联网信息需求的激增,无线自组织网络成为了未来网络发展趋势。无线自组织网络已在不同应用领域大范围部署,包括本地服务应用、无线Mesh网络、传感器网络、终端直连通信和车辆自组织网络等。作为无线自组织网络实施与应用的基础,数据传输和内容共享机制设计成为两个关键研究问题,受到了学术界和产业界高度关注。然而,无线自组织网络中用户的移动性、无线传输介质的不稳定性、有限的设备能量和缓存空间、随机的设备故障、各式各样的服务内容和服务质量需求以及用户的自私性,为实现网络中大规模数据传输与内容共享带来了诸多技术挑战。本文针对无线自组织网络特点及其潜在的服务应用性能需求,以优化网络中数据传输与内容共享性能为总体研究目标,以面向数据传输的拓扑控制、面向节能的QoS路由和终端直通内容共享为主要研究内容,设计提出基于复杂网络理论的网络拓扑控制机制、基于蚁群算法的节能QoS路由机制、绿色能源辅助的无线多跳回传路由机制、基于区域性的内容共享存储机制以及用户移动性对内容共享性能影响的分析。本文研究成果为无线自组织网络的部署、实施与应用推广夯实理论基础。主要工作如下:第一,针对无线自组织网络拓扑动态变化影响数据传输与内容共享性能的问题,研究基于复杂网络理论的网络拓扑控制模型,以优化网络拓扑结构、提高网络数据传输性能和延长网络寿命。首先综合考虑网络用户移动性、有限设备能量和时变频谱资源与网络拓扑中节点和连边数量变化的耦合关系,提出一种择优与反择优的拓扑演化控制模型;然后通过平均场理论推导生成网络度分布;最后从网络度分布、连接相关性、聚类系数和平均路径长度方面评估网络数据传输性能。仿真结果表明本文所提出的拓扑演化控制模型可有效提高网络数据传输性能,均衡节点能耗和数据传输负载,降低网络整体能耗。第二,针对无线自组织网络中快速、可靠的多跳数据传输问题,研究面向节能的QoS路由机制。针对两种场景:一是移动终端Ad Hoc网络,考虑用户移动性、设备缓存队列长度和剩余能量,提出一种基于蚁群算法的节能QoS路由机制,以提高数据包传递率和降低网络能耗。仿真结果表明,所提出的路由机制在满足丢包率和端到端时延的约束条件下,可有效降低网络能耗,避免节点拥塞,平衡传递率与时延性能。二是针对绿色能源辅助的无线Mesh回传网络,考虑时变的无线信道状态、随机的绿色能源采集量、未知的回传数据流量和有限的节点储能,提出一种基于蚁群算法的无线Mesh回传路由机制,以优化回传数据传递率和绿色采集能源利用率。仿真结果表明,满足最大电网功率、频谱资源和绿色能源采集量约束条件下,所提出的回传路由机制优化了数据包传递率、平均端到端时延、绿色能源利用率和频谱效率多方面性能。第三,针对终端直通内容共享网络中快速、准确获取请求内容问题,研究共享内容存储机制,并且考虑用户移动性对内容共享性能的影响,分别从时间和空间方面对内容共享性能局限性进行分析。首先通过数据集分析获得内容受欢迎程度在时间-空间上的区域性、内容寿命、用户内容请求行为和终端随机相遇等统计特征;然后提出一种基于内容区域性的存储模型,以提高内容共享成功率(即命中率),并且定义服务寿命、服务距离和服务中断恢复时延三个参数,从时间和空间分析用户移动性对内容共享性能的影响;最后通过数值仿真对理论分析结果进行验证。仿真结果表明,相比基于Zipf内容存储策略,本文所提出的内容存储机制在保证内容共享成功率的同时,可降低10%-30%的设备缓存空间使用量。并且,终端直通内容共享机制更适用于在低密度网络中(例如宏蜂窝网络),低速群体移动终端用户间共享受欢迎度高的内容。理论分析与数值仿真结果不仅对终端存储空间使用量、内容共享命中率、服务寿命、服务距离、服务中断恢复时延和网络流量卸载性能进行了分析和评估,并且为内容共享存储机制与性能优化方案设计提供了重要的理论指导。
【图文】：

自组织网络,自组织,和分布,架构

设备进行数据传输、转发或内容的共享。该类网络以其通信优势与传统蜂窝网络逡逑共同构建成一个互补与共存的混合网络。逡逑由图１－１中所示的网络场景可知，首先，移动终端设备之间直连通信将减轻逡逑终端与基站之间的数据流量，这不仅可以降低基站的负载，也为用户提供了更好逡逑的服务体验。其次，无线Ｍｅｓｈ多跳回传可以有效地解决覆盖盲区问题，优化小逡逑区边缘用户的通信速率，从而改善蜂窝网络的用户服务体验质量。因而，无线自逡逑组织网络将带来三种增益：邻近增益（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ邋ｇａｉｎ），指由于发送和接收设备逡逑５逡逑

自组织网络,中数,内容

性上高度变化，并且通信的质量容易受到周围环境的影响。此外，许多移动应用逡逑程序，，尤其是带有视频或音频的多媒体应用，需要传输大容量、高速率的数据，逡逑这极大地增加了无线移动网络的流量负载。如图１－２所示，本文从网络层面（包逡逑括用户移动性、无线介质），应用层面（包括数据类型、数据大小、应用性能需逡逑求），设备层面（包括能量、缓存空间、设备故障）以及用户层面（即用户自私逡逑性）说明无线自组织网络中数据传递与内容共享所面临的主要挑战。逡逑第一，从网络层面来看，无线自组织网络的两个主要特点是用户的移动性和逡逑无线传输介质的不稳定性，其直接影响网络的连通性和网络协议的制定。考虑用逡逑户移动性对ＭＡＮＥＴｓ中路由寿命的影响，在设计高效的网络层协议方面是非常逡逑重要的［３２］。另外，用户设各的邻居会因其移动而随着时间改变。由于移动设备依逡逑赖于其邻居设备转发信息，所以设备的移动将导致频繁的网络拓扑变化和设备通逡逑信中断。随着当前通信链路的中断和重建都将不可避免地引起网络开销、数据包逡逑丢失和传输延迟
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

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