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移动Ad Hoc网络中资源分配及跨层技术研究

韩冰青  
【摘要】: 移动Ad Hoc网络代表一种无基础设施的、完全分布式的、多跳的自治系统。人们有着很大的兴趣来设计和实现这种网络,以提供多样化的应用服务,如救灾和临时会议等。近年来,随着多媒体应用的不断普及,在移动Ad Hoc网络中提供服务质量支持已成为一个重要而又具有挑战性的任务。但是,由于无线网络带宽有限,有限的无线资源与多媒体业务的服务质量需求的矛盾日益突出,如何设计合理有效的资源分配方案成为保证服务质量的关键。 本文研究的主要目标是在有限带宽条件下,为移动Ad Hoc网络建立一种有效的资源分配方案,以保证多媒体应用程序的端到端的QoS (Quality of Service)需求,并满足它们对时延、带宽或丢包率等方面的要求,同时能提高网络资源利用率。本文首先研究了移动Ad Hoc网络的资源分配模型和算法,接着研究了网络层资源分配技术,然后研究了MAC (Media Access Control)层资源分配技术,最后对联合网络层和MAC层的跨层资源分配技术进行了研究。 本文的主要研究内容和成果如下: (1)在系统地分析Ad Hoc网络的信息流竞争特点的基础上,提出了新的基于价格的移动Ad Hoc网络资源分配算法。首先,构建移动Ad Hoc网络资源分配模型,将资源优化问题转换为拉格朗日对偶问题;接着,以价格作为资源分配的度量指标,通过路由发现时的价格查询以及路由响应时的价格反馈,消除分布式预测带来的不一致性;最后,利用小波变换将自相似性业务的长相关性转化为短相关性,对网络流量进行预测,提出一种改进的Ad Hoc网络资源分配算法。仿真结果表明:所提出的算法具有良好的收敛性,与现有的资源分配算法相比提高了资源利用率。 (2)在网络层资源分配方面,提出了新的路由算法。在移动Ad Hoc网中,判断路径优劣的度量参数主要有跳数、延迟、能量等,常常导致过度使用中心节点,引起网络拥塞。针对这一问题,首先提出了一种基于价格感知的多目标优化按需路由协议。该协议以价格为路由度量指标,采用分层的体系结构以获得全网一致的拓扑视图。仿真结果表明:该协议提高了分组投递率并降低了端到端平均时延,在动态移动环境下具有较好的稳定性。接着,在分析DYMO (Dynamic MANET On-Demand)路由协议优缺点的基础上,将DYMO协议和服务质量及多径路由结合起来,提出一种新的QoS感知的多径DYMO路由协议QA-DYMO (QoS-Aware Multi-path Dynamic MANET On-Demand)。该协议以多径路由为基础,利用多条链路不相交路径来发送数据,能够适应Ad Hoc网络的动态变化和较好的支持QoS。 (3)在MAC层资源分配方面,提出新的冲突退避算法和分析模型。首先,在分析传统的IEEE 802.11 DCF协议退避算法的基础上,设计了改进的多优先级退避算法和区分优先级的帧间隔,提出了一种支持区分服务的改进方案D-DCF (Differentiated Distributed Coordination Function)。接着,提出一种四维马尔可夫链模型对D-DCF进行建模,该模型能有效地评估饱和及非饱和状态下的网络性能。理论和仿真结果表明:D-DCF在吞吐量和平均分组延迟上的性能都优于802.11 DCF,并且能够支持3种优先级别的区分服务。 (4)在跨层资源分配方面,提出一种联合网络层和MAC层的跨层资源分配算法CL-QARA (Cross-Layer QoS Aware Resource Allocation)。单纯的基于MAC层或者网络层的资源分配方案无法满足动态变化的Ad Hoc网络环境下的服务质量要求,而将跨层技术运用于资源分配中,可以提供多种服务质量的应用。CL-QARA的主要思想是引入价格作为资源分配的度量指标,以QoS带宽需求为参数,将网络层的动态资源分配信息与MAC层CSMA/CA接入机制相结合,以改进MAC层的冲突退避算法。并设计了改进的退避算法和呼叫接入控制算法,以实现MAC层与网络层的跨层技术。通过QoS感知的资源分配算法和跨层技术协同工作,为QoS服务提供了业务保障。仿真结果表明,CL-QARA算法具有良好的收敛性和稳定性,与其它算法相比,CL-QARA能有效地提供QoS保证,提高了网络的效用和性能。


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