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主动队列管理及无线传感器网络若干问题研究

卿利  
【摘要】: 主动队列管理算法是因特网拥塞控制机制的链路算法,通过对路由器队列中分组的主动丢弃或标记等处理,来向TCP端系统通知网络拥塞状况,使TCP源端提前对网络即将发生的拥塞进行响应,防止网络拥塞发生,提高端到端的分组转发性能。成簇算法将传感器网络的节点组织成簇结构的形式,实现分层路由和拓扑控制,使节点均匀的消耗能量并尽可能同时失效,以延长网络生存时间。 在主动队列管理算法的研究中,对RED算法的改进主要基于经验和仿真实验的研究方法,存在着对算法性能缺乏全面理解和整体认识的缺陷。而研究表明,RED的参数设置困难,参数的细微变化都将对算法性能产生极大的影响。此外,当前大多数的主动队列管理方案的参数都是静态配置,对网络连接数、链路带宽和往返时延等网络状态非常敏感,不正确的参数设置会引起队列震荡、吞吐量降低和时延抖动加剧等问题。 在无线传感器网络成簇算法的研究中,多数的成簇算法都是同构类型的,即假定传感器节点具有相同的初始能量,并且没有根据节点的剩余能量来选择簇头节点。这使得低能量节点早于高能量节点而失效,结果是带来区域监测的盲点,降低了传感器网络的生命周期。特别是在异构传感器网络环境下,现有的同构类型成簇算法无法充分利用节点的能量差异,不能够为不同初始能量的传感器节点分配合理的成为簇头的机会,使节点难以在时间和空间上做到均匀消耗能量。 本文针对上述问题,在深入分析了现有主要主动队列管理算法和无线传感器网络成簇算法产生以上问题的原因基础上,引入最优控制和神经网络控制等理论工具,通过理论分析和仿真实验等研究手段,对链路参与拥塞控制问题和异构传感器网络的成簇问题进行了创新性和探索性的研究,设计了具有良好性能的自适应主动队列管理算法和能量有效的异构成簇算法。主要内容为: 1.从优化的角度出发,以RED为主动队列管理算法的范本,得到了主动队列管理的数学模型,在一定目标函数下,以分组丢弃概率为控制变量,将主动队列管理的优化问题转化为动态规划问题,给出理论的优化策略。 2.研究了自适应的主动队列管理算法的设计。为了克服非响应流的干扰,引入频域下的优化控制理论,设计了一种新的鲁棒控制器,以最小化由扰动引起的系统输出。引入自适应结构,使控制器适应动态变化的网络环境。 3.引入神经网络控制理论,利用神经元自学习的特点,设计基于单神经元的有自适应能力的主动队列管理算法,增加了控制器对网络参数变化的适应性。 4.分析了异构传感器网络能量有效算法研究的必要性,并对异构环境做了一定的界定。提出一种适应异构传感器网络的新的能量有效成簇协议,簇头节点的选举考虑了节点的初始能量和剩余能量差异,同时保证节点能够在时间和空间上均匀消耗能量。


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