【摘要】：隨著智能無線設(shè)備規(guī)模的日益增長,各式移動應(yīng)用的推陳出新以及人們對隨時隨地獲取互聯(lián)網(wǎng)信息需求的激增,無線自組織網(wǎng)絡(luò)成為了未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。無線自組織網(wǎng)絡(luò)已在不同應(yīng)用領(lǐng)域大范圍部署,包括本地服務(wù)應(yīng)用、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、終端直連通信和車輛自組織網(wǎng)絡(luò)等。作為無線自組織網(wǎng)絡(luò)實施與應(yīng)用的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容共享機制設(shè)計成為兩個關(guān)鍵研究問題,受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注。然而,無線自組織網(wǎng)絡(luò)中用戶的移動性、無線傳輸介質(zhì)的不穩(wěn)定性、有限的設(shè)備能量和緩存空間、隨機的設(shè)備故障、各式各樣的服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)質(zhì)量需求以及用戶的自私性,為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸與內(nèi)容共享帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。本文針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)特點及其潛在的服務(wù)應(yīng)用性能需求,以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸與內(nèi)容共享性能為總體研究目標(biāo),以面向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐負(fù)淇刂�、面向�?jié)能的QoS路由和終端直通內(nèi)容共享為主要研究內(nèi)容,設(shè)計提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C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(nèi)容共享存儲機制以及用戶移動性對內(nèi)容共享性能影響的分析。本文研究成果為無線自組織網(wǎng)絡(luò)的部署、實施與應(yīng)用推廣夯實理論基礎(chǔ)。主要工作如下:第一,針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化影響數(shù)據(jù)傳輸與內(nèi)容共享性能的問題,研究基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇Ｐ?以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能和延長網(wǎng)絡(luò)壽命。首先綜合考慮網(wǎng)絡(luò)用戶移動性、有限設(shè)備能量和時變頻譜資源與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點和連邊數(shù)量變化的耦合關(guān)系,提出一種擇優(yōu)與反擇優(yōu)的拓?fù)溲莼刂颇Ｐ?然后通過平均場理論推導(dǎo)生成網(wǎng)絡(luò)度分布;最后從網(wǎng)絡(luò)度分布、連接相關(guān)性、聚類系數(shù)和平均路徑長度方面評估網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能。仿真結(jié)果表明本文所提出的拓?fù)溲莼刂颇Ｐ涂捎行岣呔W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能,均衡節(jié)點能耗和數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載,降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗。第二,針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)中快速、可靠的多跳數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò),考慮用戶移動性、設(shè)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(shù)據(jù)包傳遞率和降低網(wǎng)絡(luò)能耗。仿真結(jié)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò),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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳遞率和綠色采集能源利用率。仿真結(jié)果表明,滿足最大電網(wǎng)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(shù)據(jù)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(nèi)容共享網(wǎng)絡(luò)中快速、準(zhǔn)確獲取請求內(nèi)容問題,研究共享內(nèi)容存儲機制,并且考慮用戶移動性對內(nèi)容共享性能的影響,分別從時間和空間方面對內(nèi)容共享性能局限性進行分析。首先通過數(shù)據(jù)集分析獲得內(nèi)容受歡迎程度在時間-空間上的區(qū)域性、內(nèi)容壽命、用戶內(nèi)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(nèi)容區(qū)域性的存儲模型,以提高內(nèi)容共享成功率(即命中率),并且定義服務(wù)壽命、服務(wù)距離和服務(wù)中斷恢復(fù)時延三個參數(shù),從時間和空間分析用戶移動性對內(nèi)容共享性能的影響;最后通過數(shù)值仿真對理論分析結(jié)果進行驗證。仿真結(jié)果表明,相比基于Zipf內(nèi)容存儲策略,本文所提出的內(nèi)容存儲機制在保證內(nèi)容共享成功率的同時,可降低10%-30%的設(shè)備緩存空間使用量。并且,終端直通內(nèi)容共享機制更適用于在低密度網(wǎng)絡(luò)中(例如宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)),低速群體移動終端用戶間共享受歡迎度高的內(nèi)容。理論分析與數(shù)值仿真結(jié)果不僅對終端存儲空間使用量、內(nèi)容共享命中率、服務(wù)壽命、服務(wù)距離、服務(wù)中斷恢復(fù)時延和網(wǎng)絡(luò)流量卸載性能進行了分析和評估,并且為內(nèi)容共享存儲機制與性能優(yōu)化方案設(shè)計提供了重要的理論指導(dǎo)。
【圖文】：

設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)或內(nèi)容的共享。該類網(wǎng)絡(luò)以其通信優(yōu)勢與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)逡逑共同構(gòu)建成一個互補與共存的混合網(wǎng)絡(luò)。逡逑由圖１－１中所示的網(wǎng)絡(luò)場景可知，首先，移動終端設(shè)備之間直連通信將減輕逡逑終端與基站之間的數(shù)據(jù)流量，這不僅可以降低基站的負(fù)載，也為用戶提供了更好逡逑的服務(wù)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(wǎng)絡(luò)的用戶服務(wù)體驗質(zhì)量。因而，無線自逡逑組織網(wǎng)絡(luò)將帶來三種增益：鄰近增益（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ邋ｇａｉｎ），指由于發(fā)送和接收設(shè)備逡逑５逡逑

性上高度變化，并且通信的質(zhì)量容易受到周圍環(huán)境的影響。此外，許多移動應(yīng)用逡逑程序，，尤其是帶有視頻或音頻的多媒體應(yīng)用，需要傳輸大容量、高速率的數(shù)據(jù)，逡逑這極大地增加了無線移動網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載。如圖１－２所示，本文從網(wǎng)絡(luò)層面（包逡逑括用戶移動性、無線介質(zhì)），應(yīng)用層面（包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小、應(yīng)用性能需逡逑求），設(shè)備層面（包括能量、緩存空間、設(shè)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(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳遞與內(nèi)容共享所面臨的主要挑戰(zhàn)。逡逑第一，從網(wǎng)絡(luò)層面來看，無線自組織網(wǎng)絡(luò)的兩個主要特點是用戶的移動性和逡逑無線傳輸介質(zhì)的不穩(wěn)定性，其直接影響網(wǎng)絡(luò)的連通性和網(wǎng)絡(luò)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(shè)計高效的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議方面是非常逡逑重要的［３２］。另外，用戶設(shè)各的鄰居會因其移動而隨著時間改變。由于移動設(shè)備依逡逑賴于其鄰居設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息，所以設(shè)備的移動將導(dǎo)致頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓驮O(shè)備通逡逑信中斷。隨著當(dāng)前通信鏈路的中斷和重建都將不可避免地引起網(wǎng)絡(luò)開銷、數(shù)據(jù)包逡逑丟失和傳輸延遲
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2604759