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多跳无线网络容量与资源优化技术研究

刘靖永  
【摘要】: 多跳无线网络是一种无基础设施、自组织和以多跳传输为特征的新型无线网络,其主要形式包括Ad hoc网络、无线传感器网络和无线网状网等。作为无线网络的一种实现形式,多跳无线网络中存在着传统的无线和移动通信系统中的一些共性问题,比如带宽优化、功率控制,以及如何提高传输质量等等。此外,多跳无线网络具有很多自身的特性,这些特性使其在网络组织、体系结构、协议设计等方面都与现有无线通信网络存在明显的区别。 针对多跳无线网络的研究以往主要集中在路由协议、接入控制(MAC)协议以及与其它通信网的互连互通等方向,并取得了很多成果。但到目前为止,该领域中仍有很多需要解决的技术难点。首先是网络容量问题,包括基本的容量界限、容量与时延的关系,以及考虑具体协议开销时网络可获得的最大吞吐量等特征。其次是如何降低干扰、提高网络资源的利用率。第三,对节点能量受限的Ad Hoc网络和传感器网络,如何节约节点能量也是一个重要的问题。此外,针对各种物理层新技术的应用,需要研究资源的优化分配以利用其所带来的好处。 本文的研究工作主要涉及多跳无线网络的容量分析和资源利用效率的优化。主要创新包括以下几点: (1)研究了业务多跳传输的时延特性和容量与时延的折衷关系。针对有限节点数目的多跳无线网络,建立了网络模型和业务模型,并基于理想的传输控制和路由选择机制,推导了业务多跳传输的平均端到端时延,得到了具有时延限制的网络容量的解析结果。 (2)针对多跳无线网络中现有广播方法的传输冗余问题,提出了全网优化的空间覆盖广播思想,找到了理想情况下最优覆盖和最优双重覆盖的转发节点分布方式,并且分析了理想情况下广播的最优转发效率。 (3)提出了一种易于实现的基于1跳邻节点信息的3点转发广播算法(Triple Forwarding Broadcast, TFB)。该算法中,每个节点只需选择2到3个转发节点就能够对整个网络实现接近双重的覆盖,并且转发节点传输范围之间的重叠面积最小,因此,TFB算法可以在保证较高送达率的同时明显提高广播的转发效率。 (4)提出了一种无需邻节点信息的空间覆盖广播算法(Space-Covered Broadcast, SCB)。SCB算法实现了优化的空间覆盖,降低了带宽和存储计算等开销,能够自动适应信道状况,避免信道变化所造成的传输错误,因此具有较好的实用性。 (5)将多信道无线网状网(Wireless Mesh Networks, WMN)中的多播业务选路和信道分配及接口分配构建为一个联合的线性规划问题,综合考虑了可用信道、接口数量以及干扰链路的限制,优化目标是使多播路径占用的信道数最少,从而提高了不同链路同时传输数据的能力。鉴于计算的复杂性较高,还提出了一种启发式算法,达到了提高业务吞吐量和降低端到端时延的目的。 全文共分为三个部分。第一部分(第二章)研究了多跳无线网络具有时延限制的吞吐容量问题。第二部分(第三章和第四章)研究了提高多跳无线网络中广播的转发效率问题。首先,分析了理想情况下覆盖网络所需的最少转发节点个数,提出了空间覆盖广播的思想,找出了理想情况下实现最优双重覆盖的转发节点分布方式并分析了最优的转发效率。以此为基础,分别提出了基于一跳邻节点信息的三点转发广播算法TFB和无需邻节点信息的空间覆盖广播算法SCB。第三部分(第五章)针对无线网状网中的多信道技术,研究了多播选路和信道分配的联合优化问题。建立了多播选路和信道分配联合问题的线性规划模型,提出了启发式算法。 最后对全文进行了总结,回顾了本论文研究工作的主要成果,展望了本领域需要进一步研究的问题。


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