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无线自组网自适应架构的关键技术研究

李陟  
【摘要】:移动Ad Hoc网络(Mobile Ad hoc NETwork, MANET)是一种无中心,多跳的,节点自组织的网络。在MANET的研究过程中,由于MANET节点自组织方式的灵活多变,基于不同MANET体系架构的新的应用不断的被提出,应用的范围也从最初的军用拓展到民用、科研和商业用途,如公路车辆网络、生物追踪网络、口袋校园网络等。在MANET中,节点的移动模型和发射功率决定了网络的自组织方式。网络体系架构的改变,使得现有很多经典路由协议不能基于节点移动模型和网络拓扑模型的特性而发挥其在特定应用上的优势;相反,由于路由协议对网络环境的改变没有足够的自适应能力,其性能还会受到较大的影响。本文主要通过研究MANET的网络体系架构特性,构建合理的网络模型,并对现有路由协议进行改进和优化,以增强其在特定网络环境下的性能和自适应能力。 本文首先分析了MANET网络拓扑中存在的固有冲突问题,通过建立拓扑冲突模型,提出基于该模型的约束网络平均冲突的方法,以达到有效控制由于MANET拓扑结构造成的冲突问题;其次,分析了时延容忍的Ad Hoc网络(DTN)中,在公共交通网络和社交口袋网络两种不同的应用背景下的节点移动模型和网络拓扑模型的特性,并提出了在这两种网络应用环境下的高效路由策略;最后,通过分析MANET和DTN网络体系架构的优势,提出了一种具有一定抗毁能力的混合异构网络模型,并给出了一种自适应的路由协议,以充分利用不同的本地网络环境特点达到最优路由性能。 本文所做的主要研究工作如下: (1)研究了MANET网络中,拓扑结构引起的固有冲突问题。对基于链路冲突度的模型进行了改进,提出了结合节点冲突度定义边冲突权值的模型。基于该冲突模型,提出了能够有效避免贪婪法失效的最小化最大冲突度算法MMNI和最小化平均冲突度算法CMANI,并通过实验验证了CMANI能够有效降低网络的平均冲突,并减小由于冲突造成的对路由性能的影响。 (2)在深入分析公共交通时延容忍网络拓扑特性的基础上,定义了基于节点间相遇率的抽象拓扑图,以描述节点间内在的拓扑结构关系。提出了一种基于索引的多级分组网络拓扑模型,以充分利用公共交通网络中节点移动遵循一定规律和路线的特性,并设计了一种可以应用于该模型上的路由协议IMCR。仿真实验表明,IMCR协议既达到了较高的路由性能,又很好的控制了冗余转发对网络资源的消耗。 (3)讨论了社交时延容忍网络拓扑模型的小世界性质,构建了以社会关系为边权值的网络拓扑模型。设计了ST-ProPHET路由,该路由能够满足社交网络中节点特有的自私性的需求,使得节点能够人性化的利用路由中的社会关系权值优先选择重要的数据包进行转发,同时降低了节点被恶意DOS攻击的风险。 (4)进一步深入分析了社交网络的拓扑特性,针对社交时延容忍网络中由于网络规模较大,节点密度较高引起路由性能下降的问题提出了一种基于簇结构的网络拓扑模型。通过引入MANET中簇的概念,把社交网络中具有一定社会关系的节点聚合在一个社交圈内,并基于该分簇的拓扑模型设计了一种簇外喷射,簇间转发和簇内传染的路由算法CSCR,从而控制网络中的冗余副本数量,以抵抗高负载带来的路由性能衰退。 (5)结合MANET和DTN网络体系架构的特性,提出了一种混合异构的网络拓扑模型。该模型以DTN为主要拓扑,通过在局部区域识别稳定可连通的MANET区域,构建MANET局部拓扑。设计了一种可根据本地信息识别拓扑类型从而自适应的进行路由转换的路由协议SEHR。通过实验验证了该异构网络体系结构相对MANET具有较好的抗毁能力,并在高负载情况下相对DTN达到较高的路由性能。


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