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《中国科学技术大学》 2007年
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移动Ad Hoc网络的节能路由技术研究

黄景博  
【摘要】: 移动Ad Hoc网络(MANET:Mobile Ad hoc NETwork)是一种具有特殊结构的无线通信系统,它的通信不依赖于任何固定设施,而是依靠节点之间的相互协作以多跳方式完成,具有自组织、分布性、动态性等特点,因而能够在复杂多变的环境中实现快速部署和数据通信。移动Ad Hoc网络作为移动通信新崛起的一个重要分支,近几年发展迅速,并从最初单一的军事应用逐渐渗透到民用领域。但由于网络中的无线节点一般是由具有有限能量的电池供电的,而电池容量很难在短期内有大幅度的提高,因此能量问题是移动Ad Hoc网络在向实用化方向迈进所需要着重研究的问题。论文对移动Ad Hoc网络的MAC层的功率控制机制和网络层的节能路由机制进行研究,通过理论上的深入分析和数学建模,提出一系列行之有效的节能算法以节省节点的能量消耗和提高网络的协同工作时间,主要研究贡献归结如下: 第3章提出了一种基于信号衰减比的功率控制算法——SAR-PCA(Signal Attenuation Rate based Power Control Algorithm),该算法最重要的特点是节点只要获得信号衰减比就可以对报文进行功率控制,而通过对于无线信号在自由空间模型和地面反射模型的衰减模型的分析,信号衰减比虽然在数值上是与传播模型与节点间距相关的,但在计算时只需要获得报文的发送信号功率和接收信号功率即可,因此无线节点并不需要额外的GPS(Global Position System)设备或定位算法的支持,具有简单性和经济性,此外,SAR-PCA通过与网络层的路由协议的有机结合,可以很容易与节能路由算法协同工作。模拟实验表明,SAR-PCA可以有效地提高网络中的报文投递数,在一定程度上提高节点的生存期,从而提高移动Ad Hoc网络的效益。 第4章分析了移动Ad Hoc网络中的DSR(Dynamic Source Routing protocol)协议基于“最小跳数”的路由选取标准在节能能量消耗方面的不足,然后联合MAC层的功率控制算法SAR-PCA,提出了一种基于DSR协议的最小能耗路由协议——MECP-DSR(Minimum Energy Consumption routing Protocol based on DSR),该协议通过理论分析得出可以以信号衰减比的倒数作为节点的发射功率的指标,从而可以高效地结合到DSR协议中;针对MECP-DSR协议在平衡节点间能量消耗方面的不足,提出了一种基于DSR协议的功率感知的路由协议——PAR-DSR(Power Aware Routing protocol based on DSR),该协议通过将节点的剩余电池能量作为节点的发射代价函数的组成部分,使那些剩余电池能量较小的节点由于发射代价较高而避免被选入路由当中。模拟实验表明,MECP-DSR协议和PAR-DSR协议都可以有效地提高移动Ad Hoc网络的生存期,MECP-DSR协议在节省网络的全局能量消耗方面要优于PAR-DSR协议,但是在平衡所有节点的生存期差异方面PAR-DSR协议要优于MECP-DSR协议。 第5章对于在实际无线通信系统中报文并非总能投递成功而需要引入重传的特点,从理论上分析了在端到端(EER)重传模型和逐跳重传(HHR)模型下“基于最小化能量消耗”的节能路由协议所选取的路径并非总是最优的,指出现实系统是以一种更一般化的模型(GR模型)进行重传的,即链路层是进行有限次数的重传,如果这些重传失败由上层来保证端到端的可靠性。该章从概率论角度分析并提出了在GR模型下的节能路由协议所应采取的数学模型,指出EER和HHR模型是GR模型的两个特例,因此GR模型是更广泛和一般化的模型,具有较大的现实意义。基于GR模型,提出了一种适用于差错链路的节能路由协议——ERRC(Energy-efficient Routing protocol for Reliable Communication)。模拟实验表明,ERRC算法相比于没有考虑报文错误概率的基于同样的能量优化目标的节能路由算法,表现出了更好的节能性能,是一种更精确的节能路由协议。 第6章针对泛洪式广播对于节能路由协议缺乏指导作用的缺点,提出了一种基于多点中继的高效能的广播协议——MPREB(MultiPoint-Relaying-based Energy efficient Broadcasting protocol)。MPREB协议提供了3种不同的MPR选择策略,每个节点选取部分邻居节点作为它的MPR集,不在MPR集中的邻居节点不处理和转发来自该节点的广播包,从而达到减小广播开销的目的。模拟实验结果表明,MPREB协议可以有效降低节能路由协议在路由寻找过程中所需要的广播报文,同时也表现出了良好的节能性能。
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