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《武汉理工大学》 2007年
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移动Ad Hoc网络QoS路由技术研究

向阳  
【摘要】: 无线移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)是由一组具有无线收发功能的移动节点组成的、无需任何网络基础设施的多跳自治系统,每个移动单元具有路由功能,组网快速灵活、分布式工作方式等特点使得它在军事领域和紧急救援等特殊环境的下有着广阔的应用前景。然而移动Ad Hoc网络动态变化的拓扑环境使得OSPF,RIP等应用于传统固定网络的路由技术不再适用,同时移动节点的计算能力和存储容量较低并且能源受限,又要求路由协议尽量简单,增加了路由协议的设计难度。因此路由算法和路由协议成为当前移动Ad Hoc网络技术研究的重点。 多路径路由(multipath)是指根据一定的规则,在源和目的之间建立起多条路径,用来在多条路径之间合理地分配流量或作为备份路径,以达到快速路由的目的。在移动Ad Hoc网络中利用多路径路由具有许多优点。首先移动Ad Hoc网络动态变化的拓扑结构将会使得路径容易断裂,多路径路由可以启动备份路径或在其他路径之间进行流量的再分配,不需要重新发起路由的建立过程,大大减少了传输的延迟和丢包率;其次,多路径路由可以通过流量的合理分配来解决Ad Hoc网络的传输带宽受限的问题:再次,多路径路由可以利用多条次优的路径来分担单条最优路径上的负载,能够有效地减少网络拥塞,实现网络资源的合理分配,有利于实现QoS服务。 与点对点的单播通信方式相比,多播(multicast)方式能够有效地减轻网络和服务器负载,改善传输性能。鉴于移动Ad Hoc网络在实际应用中往往要求各个终端之间进行多对多的交互和高度协同,比如多媒体通信和其他许多有带宽要求的应用都要求能够提供有效的多播服务,因此多播将在移动Ad Hoc网络的应用中发挥越来越大的作用。同时由于移动Ad Hoc网络中节点资源受限的特点,多播方式也是提高其工作效率的重要手段。 移动Ad Hoc网络技术的发展,要求能够对一些实时业务提供QoS(Quality of Service)支持,而网络路由的稳定性是实现移动Ad Hoc网络QoS服务的基础,熵尺度是衡量移动Ad Hoc网络路由稳定性的一种有效方法,一条路由的熵值越小,表征该路由越稳定。 蚁群优化算法(Ant Colony Optimization,ACO)是近年来新兴的一种仿生智能优化算法,以其具有的正反馈、分布式计算和启发性搜索等特点,已经成为当前智能优化等领域的研究热点,被广泛应用于求解组合优化问题。 本文在总结前人研究工作的基础上,对利用蚁群优化算法求解移动Ad Hoc网络QoS路由问题进行了系统而深入的研究,主要就以下几个方面进行了创新性的研究工作: 1)基于蚁群优化算法的Ad Hoc多路径路由算法 本文提出了基于蚁群优化的多路径路由算法ADAR及其改进算法ADAA。ADAR以按需方式建立起多路径路由,有效地减少了拥塞频率和端到端的延迟;利用局部和全局更新规则来更新链路的信息素,提高了更新效率;利用瓶颈带宽和延迟进行选路和平衡通信流量,大大减少了重新寻路和路径转换开销,仿真实验显示其性能指标优于传统的单路径协议。ADAA在ADAR的基础上考虑了多路径之间的相关性,建立起了节点不相关的多路径路由,仿真实验证明其性能优于ADAR。 2)基于蚁群优化的多QoS约束路由算法 本文通过研究多约束QoS路由的数学模型,结合蚁群优化算法,提出了在移动Ad Hoc网络中应用蚁群优化来解决多QoS约束问题的算法AAMQ,该算法考虑了节点电池能量、链路带宽、延迟以及包丢失率等QoS指标,并且在信息素全局更新策略中引入了表征路由稳定性的熵尺度的概念,仿真实验证明该算法对于解决多QoS约束问题具有较好的性能。 3)基于蚁群优化算法的Ad Hoc多播路由算法 本文提出了一种基于混合结构的多播路由算法MARA,该算法利用蚁群优化思想对基于网格结构的多播路由协议ODMRP进行改进,考虑了链路带宽、时延、链路保持连接时间以及节点剩余能量等QoS指标。仿真实验证明改进算法MARA的性能指标比ODMRP有了进一步的提高。 本文得到国家自然科学基金项目(60672137,90304018)、教育部博士点基金项目(20060497015)、湖北省武汉市科技攻关项目(20041001001)的资助。
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