【摘要】：隨著智能無線設備規(guī)模的日益增長,各式移動應用的推陳出新以及人們對隨時隨地獲取互聯(lián)網信息需求的激增,無線自組織網絡成為了未來網絡發(fā)展趨勢。無線自組織網絡已在不同應用領域大范圍部署,包括本地服務應用、無線Mesh網絡、傳感器網絡、終端直連通信和車輛自組織網絡等。作為無線自組織網絡實施與應用的基礎,數據傳輸和內容共享機制設計成為兩個關鍵研究問題,受到了學術界和產業(yè)界高度關注。然而,無線自組織網絡中用戶的移動性、無線傳輸介質的不穩(wěn)定性、有限的設備能量和緩存空間、隨機的設備故障、各式各樣的服務內容和服務質量需求以及用戶的自私性,為實現網絡中大規(guī)模數據傳輸與內容共享帶來了諸多技術挑戰(zhàn)。本文針對無線自組織網絡特點及其潛在的服務應用性能需求,以優(yōu)化網絡中數據傳輸與內容共享性能為總體研究目標,以面向數據傳輸的拓撲控制、面向節(jié)能的QoS路由和終端直通內容共享為主要研究內容,設計提出基于復雜網絡理論的網絡拓撲控制機制、基于蟻群算法的節(jié)能QoS路由機制、綠色能源輔助的無線多跳回傳路由機制、基于區(qū)域性的內容共享存儲機制以及用戶移動性對內容共享性能影響的分析。本文研究成果為無線自組織網絡的部署、實施與應用推廣夯實理論基礎。主要工作如下:第一,針對無線自組織網絡拓撲動態(tài)變化影響數據傳輸與內容共享性能的問題,研究基于復雜網絡理論的網絡拓撲控制模型,以優(yōu)化網絡拓撲結構、提高網絡數據傳輸性能和延長網絡壽命。首先綜合考慮網絡用戶移動性、有限設備能量和時變頻譜資源與網絡拓撲中節(jié)點和連邊數量變化的耦合關系,提出一種擇優(yōu)與反擇優(yōu)的拓撲演化控制模型;然后通過平均場理論推導生成網絡度分布;最后從網絡度分布、連接相關性、聚類系數和平均路徑長度方面評估網絡數據傳輸性能。仿真結果表明本文所提出的拓撲演化控制模型可有效提高網絡數據傳輸性能,均衡節(jié)點能耗和數據傳輸負載,降低網絡整體能耗。第二,針對無線自組織網絡中快速、可靠的多跳數據傳輸問題,研究面向節(jié)能的QoS路由機制。針對兩種場景:一是移動終端Ad Hoc網絡,考慮用戶移動性、設備緩存隊列長度和剩余能量,提出一種基于蟻群算法的節(jié)能QoS路由機制,以提高數據包傳遞率和降低網絡能耗。仿真結果表明,所提出的路由機制在滿足丟包率和端到端時延的約束條件下,可有效降低網絡能耗,避免節(jié)點擁塞,平衡傳遞率與時延性能。二是針對綠色能源輔助的無線Mesh回傳網絡,考慮時變的無線信道狀態(tài)、隨機的綠色能源采集量、未知的回傳數據流量和有限的節(jié)點儲能,提出一種基于蟻群算法的無線Mesh回傳路由機制,以優(yōu)化回傳數據傳遞率和綠色采集能源利用率。仿真結果表明,滿足最大電網功率、頻譜資源和綠色能源采集量約束條件下,所提出的回傳路由機制優(yōu)化了數據包傳遞率、平均端到端時延、綠色能源利用率和頻譜效率多方面性能。第三,針對終端直通內容共享網絡中快速、準確獲取請求內容問題,研究共享內容存儲機制,并且考慮用戶移動性對內容共享性能的影響,分別從時間和空間方面對內容共享性能局限性進行分析。首先通過數據集分析獲得內容受歡迎程度在時間-空間上的區(qū)域性、內容壽命、用戶內容請求行為和終端隨機相遇等統(tǒng)計特征;然后提出一種基于內容區(qū)域性的存儲模型,以提高內容共享成功率(即命中率),并且定義服務壽命、服務距離和服務中斷恢復時延三個參數,從時間和空間分析用戶移動性對內容共享性能的影響;最后通過數值仿真對理論分析結果進行驗證。仿真結果表明,相比基于Zipf內容存儲策略,本文所提出的內容存儲機制在保證內容共享成功率的同時,可降低10%-30%的設備緩存空間使用量。并且,終端直通內容共享機制更適用于在低密度網絡中(例如宏蜂窩網絡),低速群體移動終端用戶間共享受歡迎度高的內容。理論分析與數值仿真結果不僅對終端存儲空間使用量、內容共享命中率、服務壽命、服務距離、服務中斷恢復時延和網絡流量卸載性能進行了分析和評估,并且為內容共享存儲機制與性能優(yōu)化方案設計提供了重要的理論指導。
【圖文】：

設備進行數據傳輸、轉發(fā)或內容的共享。該類網絡以其通信優(yōu)勢與傳統(tǒng)蜂窩網絡逡逑共同構建成一個互補與共存的混合網絡。逡逑由圖１－１中所示的網絡場景可知，首先，移動終端設備之間直連通信將減輕逡逑終端與基站之間的數據流量，這不僅可以降低基站的負載，也為用戶提供了更好逡逑的服務體驗。其次，無線Ｍｅｓｈ多跳回傳可以有效地解決覆蓋盲區(qū)問題，優(yōu)化小逡逑區(qū)邊緣用戶的通信速率，從而改善蜂窩網絡的用戶服務體驗質量。因而，無線自逡逑組織網絡將帶來三種增益：鄰近增益（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ邋ｇａｉｎ），指由于發(fā)送和接收設備逡逑５逡逑

性上高度變化，并且通信的質量容易受到周圍環(huán)境的影響。此外，許多移動應用逡逑程序，，尤其是帶有視頻或音頻的多媒體應用，需要傳輸大容量、高速率的數據，逡逑這極大地增加了無線移動網絡的流量負載。如圖１－２所示，本文從網絡層面（包逡逑括用戶移動性、無線介質），應用層面（包括數據類型、數據大小、應用性能需逡逑求），設備層面（包括能量、緩存空間、設備故障）以及用戶層面（即用戶自私逡逑性）說明無線自組織網絡中數據傳遞與內容共享所面臨的主要挑戰(zhàn)。逡逑第一，從網絡層面來看，無線自組織網絡的兩個主要特點是用戶的移動性和逡逑無線傳輸介質的不穩(wěn)定性，其直接影響網絡的連通性和網絡協(xié)議的制定�？紤]用逡逑戶移動性對ＭＡＮＥＴｓ中路由壽命的影響，在設計高效的網絡層協(xié)議方面是非常逡逑重要的［３２］。另外，用戶設各的鄰居會因其移動而隨著時間改變。由于移動設備依逡逑賴于其鄰居設備轉發(fā)信息，所以設備的移動將導致頻繁的網絡拓撲變化和設備通逡逑信中斷。隨著當前通信鏈路的中斷和重建都將不可避免地引起網絡開銷、數據包逡逑丟失和傳輸延遲
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2604759