无线多跳网络中路由及相关技术研究

发布时间：2017-08-18 23:04

  本文关键词：无线多跳网络中路由及相关技术研究

  更多相关文章： 无线多跳网络 机会路由 多信道路由 以信息为中心的异构容迟网络 小世界理论 传染病模型

【摘要】：随着物联网与泛在网通信技术的发展,依靠接入点集中控制的单跳通信方式已经不能满足“万物互联”的通信需求。无线多跳网络以其分布式运行、组网灵活和扩展性强等特点,成为连接物与物、物与人和人与人之间的桥梁,将被广泛应用于社会生产生活的各个领域。从无线多跳网络诞生以来,路由协议作为组网的关键技术一直受到研究者们的高度关注。然而,由于无线多跳网络自身独有的一些特点,例如：无线链路的不稳定性与非对称性,节点间干扰与竞争,网络拓扑动态变化,节点存储、计算能力有限以及带宽有限等,路由设计存在很大的挑战。面向实际应用设计可靠、高效的路由传输机制仍然是该领域的研究重点与难点。本文系统、全面地调研了现有路由协议,将当前无线多跳网络路由协议研究的重点归纳为数据传输的可靠性和有效性两个基本科学问题,对具有代表意义的路由协议进行了深入的研究。在可靠性问题的解决方案中,机会路由抛弃了大多数传统路由协议采用预先确定下一跳的思想,充分利用了无线信道的广播特性。既能与按需驱动、表驱动等传统路由协议很好地结合,也兼备了多径路由机制冗余备份的特点。由于候选转发节点间的空间分集,使得其能很好地适用于链路质量动态变化的无线通信环境中。在有效性问题方面,提高频谱利用率以及节省能量是学者们关注的焦点。多信道技术能有效利用空闲频段来提高网络容量。一方面,硬件技术的发展使终端支持多网卡多频段通信成为可能,并且随着技术的成熟,多网卡成本会越来越低。另一方面,现有通信标准给予了技术上的支持。例如,IEEE 802.11b／g标准中提供了3个正交信道和IEEE 802.11a提供了12个正交信道。所以,采用低功耗多信道路由技术是提高数据传输有效性最简单、实用的方法之一。在研究了通信的可靠性和有效性两个基本问题之后,本文将目光转向探寻无线多跳网络未来演进的方向。考虑到无线多跳网络在IP地址分配,移动性和安全性等方面的缺陷,以“改革”的思路将未来互联网体系架构与现有无线多跳网络结合起来研究就显得非常必要。同时,考虑到物联网应用的不断推广,智能终端将越来越丰富,带来的是终端间通信所采用无线传输方式的多样性以及不同终端存储空间大小、计算能力的差异。所以,未来的无线多跳网络具有明显的异构性。这在采用容忍延迟网络组网的移动社交网络体现得更为强烈。因此,将以信息为中心的未来互联网体系架构与异构容迟网络结合起来研究,具有很强的前瞻性。本文的研究内容和主要贡献阐述如下：在可靠性方面,本着“由易到难、由简到繁”的研究思路,先从简单场景入手,基于离散时间队列原理对机会路由进行理论建模和性能分析：1)新定义了广义类几何分布,将该分布应用于描述无线多跳网络中机会路由的转发特性。2)提出了一套适用于机会路由的平均端到端时延建模方案。基于广义类几何分布,在已知节点间投递率以及候选转发节点优先级排序规则前提下,该方案首先推导候选节点间的转发概率,进而构建多维的概率生成函数。根据母函数的性质,最终得到平均端到端时延的闭合表达式。该分析方案能很好地应用于任意的直接互连网络和非直接互连链状网络中的某些特殊场景。3)提出了一套近似分析方案以便于评估更加普遍的非直接互连链状网络。该方案的核心思想是尽可能地模拟被分析节点的行为,进而探寻到近似节点来替代被分析节点的行为。以多个简单场景模拟复杂场景。在更为复杂的实际场景中,本文针对当前机会路由普遍存在的退避时间过长、广播包确认丢失和重复传输等主要问题,提出了基于双重优先级的机会协作机制,主要贡献包括：1)提出了基于开环马尔科夫网络的分析模型。考虑到重复传输会导致额外的排队时延,低效率的退避机制会引入较大的退避时间,选择对时间开销进行建模能很好地揭示重复传输、节点间碰撞的根本原因。在时间开销闭合表达式的推导过程中,本文创新地将多维马尔科夫链求解问题简化成为了多个相互独立的一维马尔科夫链的求解。2)提出了基于双重优先级机会协作机制。全局优先级取决于节点到目的节点的距离,用来实现网络层广播包的确认。局部优先级取决于局部链路质量和节点间是否相邻的关系,用来判断是否进行数据包的发送以及何时发送更为合适。双重优先级机制能将候选转发节点划分得更加合理、更加细致,节点间的协调也因此更加高效。在有效性方面,本文运用小世界理论来研究多信道技术。主要贡献包括：1)对网络中的平均链路数进行数学建模,通过分别推导一维线段、二维平面随机分布两个节点间距离分布规律,得到节点个数、网络大小、节点通信半径等网络参数与平均链路数的闭合表达式。2)将信道切换问题抽象成了构建小世界现象的捷径路径选取问题,得到了网络参数与小世界理论中重连概率间关系的闭合表达式。具体来说,整个网络被划分为低层次、高层次两个部分。传统单信道网络为低层次网络。高层次网络相对稀疏,仅仅包括实际工作在双信道上的节点。高层次网络节点间的通信类似于建立捷径。3)采用邻居节点信息替代网络全局参数,将全局问题转化为局部问题求解。利用最佳切换概率与节点度数、通信半径等参数的关系表达式,提出了分布式信道切换算法。基于该算法的多信道路由机制能在保证网络性能前提下,节省能量。在无线多跳网络未来演进方向方面,主要贡献包括：1)对以信息为中心网络体系架构的发展历史、关键技术和主要特点进行了概述。从地址分配问题、节点移动性和安全性等角度对以信息为中心网络引入到无线多跳网络的必要性进行了阐述。2)调研了以信息为中心无线多跳网络路由协议研究现状,并以两个典型路由为例,对无IP网络消息分发模式进行了详细讲解。3)以具有“无中心”、“延迟容忍”、“多跳”、“关注内容”和“异构性”等新型特征的以信息为中心异构容迟网络为例,展开面向未来的无线多跳网络研究。基于传染病模型对三种典型消息分发策略进行了建模分析,推导出了感染节点个数以及时延累积分布函数的闭合表达式。通过数值分析掌握了信息站个数、通信覆盖范围对网络性能的影响规律。
【关键词】：无线多跳网络 机会路由 多信道路由 以信息为中心的异构容迟网络 小世界理论 传染病模型
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-32
• 1.1 研究背景18-23
• 1.1.1 无线多跳网络的定义和历史18-20
• 1.1.2 无线多跳网络的发展前景20-21
• 1.1.3 无线多跳网络中路由设计的要求21-23
• 1.2 无线多跳网络路由协议研究概述23-29
• 1.2.1 无线多跳网络路由协议的分类23-28
• 1.2.2 问题总结28-29
• 1.3 论文的主要工作和结构安排29-32
• 第二章 基于离散时间排队原理的机会路由建模32-51
• 2.1 引言32-33
• 2.2 机会路由理论分析的研究现状33-34
• 2.3 模型假设及相关定义34-39
• 2.3.1 基于离散时间系统的机会协作机制34-35
• 2.3.2 系统描述与建模思路35-36
• 2.3.3 广义类几何分布36-38
• 2.3.4 既定转发概率38-39
• 2.4 直接互连网络建模39-41
• 2.4.1 G(0)的推导39-40
• 2.4.2 N-1个边界条件G_j(Z)的求解40-41
• 2.5 非直接互连链状网络建模41-44
• 2.5.1 N=h+2类的特殊场景建模42-44
• 2.5.2 一般场景的近似分析方案44
• 2.6 数值分析与仿真验证44-49
• 2.7 本章小结49-51
• 第三章 基于双重优先级的机会协作机制51-71
• 3.1 问题的提出51-54
• 3.1.1 研究现状51-53
• 3.1.2 基于时间调度机会路由机制面临的典型问题53-54
• 3.2 基于开环马尔科夫网络建模分析54-59
• 3.2.1 网络模型和节点模型54-55
• 3.2.2 时间开销建模55-57
• 3.2.3 两类典型机会协作机制有效性分析57-59
• 3.3 基于双重优先级的机会协作机制59-63
• 3.3.1 候选转发节点发现机制59-60
• 3.3.2 多级排序算法60-61
• 3.3.3 分布式协作机制61-63
• 3.3.4 DPCOR的有效性分析63
• 3.4 数值分析与仿真验证63-70
• 3.4.1 模型准确性验证63-66
• 3.4.2 DPCOR的性能评估66-70
• 3.5 本章小结70-71
• 第四章 基于小世界理论的多信道技术71-87
• 4.1 引言71-72
• 4.2 小世界理论72-74
• 4.3 系统模型74-77
• 4.4 网络参数与重连概率关系77-79
• 4.5 基于小世界理论的节能切换算法79-80
• 4.6 仿真与分析80-85
• 4.6.1 ρ_(global)和γ对小世界效应的影响81-83
• 4.6.2 SWESA性能分析83-85
• 4.7 本章小结85-87
• 第五章 以信息为中心的无线多跳网络路由技术87-105
• 5.1 以信息为中心的网络体系架构概述87-89
• 5.2 以信息为中心无线多跳网络路由协议研究现状89-91
• 5.3 以信息为中心的无线多跳网络91-93
• 5.4 以信息为中心的异构容迟网络路由建模分析93-104
• 5.4.1 研究现状94
• 5.4.2 应用场景与消息分发机制94-97
• 5.4.3 系统建模97-101
• 5.4.4 数值分析101-104
• 5.5 本章小结104-105
• 第六章 结束语105-108
• 6.1 论文工作总结105-106
• 6.2 研究工作展望106-108
• 参考文献108-114
• 缩略词对照表114-117
• 附录1 证明一117-118
• 附录2 证明二118-119
• 附录3 证明三119-120
• 附录4 微分方程的求解120-123
• 致谢123-125
• 作者攻读学位期间发表的论文和申请专利125-126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 汪东洋;武穆清;王亨友;赖晓阳;吕博;;无线多跳网络中机会路由效率增强研究(英文)[J];中国通信;2014年08期

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本文编号：697249