本文關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中路由及相關(guān)技術(shù)研究

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【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展,依靠接入點(diǎn)集中控制的單跳通信方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足“萬(wàn)物互聯(lián)”的通信需求。無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)以其分布式運(yùn)行、組網(wǎng)靈活和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),成為連接物與物、物與人和人與人之間的橋梁,將被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。從無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)誕生以來(lái),路由協(xié)議作為組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)一直受到研究者們的高度關(guān)注。然而,由于無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)自身獨(dú)有的一些特點(diǎn),例如：無(wú)線(xiàn)鏈路的不穩(wěn)定性與非對(duì)稱(chēng)性,節(jié)點(diǎn)間干擾與競(jìng)爭(zhēng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化,節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)、計(jì)算能力有限以及帶寬有限等,路由設(shè)計(jì)存在很大的挑戰(zhàn)。面向?qū)嶋H應(yīng)用設(shè)計(jì)可靠、高效的路由傳輸機(jī)制仍然是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文系統(tǒng)、全面地調(diào)研了現(xiàn)有路由協(xié)議,將當(dāng)前無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的重點(diǎn)歸納為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行詢(xún)蓚�(gè)基本科學(xué)問(wèn)題,對(duì)具有代表意義的路由協(xié)議進(jìn)行了深入的研究。在可靠性問(wèn)題的解決方案中,機(jī)會(huì)路由拋棄了大多數(shù)傳統(tǒng)路由協(xié)議采用預(yù)先確定下一跳的思想,充分利用了無(wú)線(xiàn)信道的廣播特性。既能與按需驅(qū)動(dòng)、表驅(qū)動(dòng)等傳統(tǒng)路由協(xié)議很好地結(jié)合,也兼?zhèn)淞硕鄰铰酚蓹C(jī)制冗余備份的特點(diǎn)。由于候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間的空間分集,使得其能很好地適用于鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中。在有效性問(wèn)題方面,提高頻譜利用率以及節(jié)省能量是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。多信道技術(shù)能有效利用空閑頻段來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)容量。一方面,硬件技術(shù)的發(fā)展使終端支持多網(wǎng)卡多頻段通信成為可能,并且隨著技術(shù)的成熟,多網(wǎng)卡成本會(huì)越來(lái)越低。另一方面,現(xiàn)有通信標(biāo)準(zhǔn)給予了技術(shù)上的支持。例如,IEEE 802.11b／g標(biāo)準(zhǔn)中提供了3個(gè)正交信道和IEEE 802.11a提供了12個(gè)正交信道。所以,采用低功耗多信道路由技術(shù)是提高數(shù)據(jù)傳輸有效性最簡(jiǎn)單、實(shí)用的方法之一。在研究了通信的可靠性和有效性?xún)蓚�(gè)基本問(wèn)題之后,本文將目光轉(zhuǎn)向探尋無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)的方向�？紤]到無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)在IP地址分配,移動(dòng)性和安全性等方面的缺陷,以“改革”的思路將未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)研究就顯得非常必要。同時(shí),考慮到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷推廣,智能終端將越來(lái)越豐富,帶來(lái)的是終端間通信所采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式的多樣性以及不同終端存儲(chǔ)空間大小、計(jì)算能力的差異。所以,未來(lái)的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)具有明顯的異構(gòu)性。這在采用容忍延遲網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。因此,將以信息為中心的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與異構(gòu)容遲網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)研究,具有很強(qiáng)的前瞻性。本文的研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)闡述如下：在可靠性方面,本著“由易到難、由簡(jiǎn)到繁”的研究思路,先從簡(jiǎn)單場(chǎng)景入手,基于離散時(shí)間隊(duì)列原理對(duì)機(jī)會(huì)路由進(jìn)行理論建模和性能分析：1)新定義了廣義類(lèi)幾何分布,將該分布應(yīng)用于描述無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)路由的轉(zhuǎn)發(fā)特性。2)提出了一套適用于機(jī)會(huì)路由的平均端到端時(shí)延建模方案。基于廣義類(lèi)幾何分布,在已知節(jié)點(diǎn)間投遞率以及候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)排序規(guī)則前提下,該方案首先推導(dǎo)候選節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)概率,進(jìn)而構(gòu)建多維的概率生成函數(shù)。根據(jù)母函數(shù)的性質(zhì),最終得到平均端到端時(shí)延的閉合表達(dá)式。該分析方案能很好地應(yīng)用于任意的直接互連網(wǎng)絡(luò)和非直接互連鏈狀網(wǎng)絡(luò)中的某些特殊場(chǎng)景。3)提出了一套近似分析方案以便于評(píng)估更加普遍的非直接互連鏈狀網(wǎng)絡(luò)。該方案的核心思想是盡可能地模擬被分析節(jié)點(diǎn)的行為,進(jìn)而探尋到近似節(jié)點(diǎn)來(lái)替代被分析節(jié)點(diǎn)的行為。以多個(gè)簡(jiǎn)單場(chǎng)景模擬復(fù)雜場(chǎng)景。在更為復(fù)雜的實(shí)際場(chǎng)景中,本文針對(duì)當(dāng)前機(jī)會(huì)路由普遍存在的退避時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、廣播包確認(rèn)丟失和重復(fù)傳輸?shù)戎饕獑?wèn)題,提出了基于雙重優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制,主要貢獻(xiàn)包括：1)提出了基于開(kāi)環(huán)馬爾科夫網(wǎng)絡(luò)的分析模型�？紤]到重復(fù)傳輸會(huì)導(dǎo)致額外的排隊(duì)時(shí)延,低效率的退避機(jī)制會(huì)引入較大的退避時(shí)間,選擇對(duì)時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行建模能很好地揭示重復(fù)傳輸、節(jié)點(diǎn)間碰撞的根本原因。在時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)閉合表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程中,本文創(chuàng)新地將多維馬爾科夫鏈求解問(wèn)題簡(jiǎn)化成為了多個(gè)相互獨(dú)立的一維馬爾科夫鏈的求解。2)提出了基于雙重優(yōu)先級(jí)機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制。全局優(yōu)先級(jí)取決于節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離,用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層廣播包的確認(rèn)。局部?jī)?yōu)先級(jí)取決于局部鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)間是否相鄰的關(guān)系,用來(lái)判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送以及何時(shí)發(fā)送更為合適。雙重優(yōu)先級(jí)機(jī)制能將候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)劃分得更加合理、更加細(xì)致,節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)也因此更加高效。在有效性方面,本文運(yùn)用小世界理論來(lái)研究多信道技術(shù)。主要貢獻(xiàn)包括：1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的平均鏈路數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,通過(guò)分別推導(dǎo)一維線(xiàn)段、二維平面隨機(jī)分布兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離分布規(guī)律,得到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)大小、節(jié)點(diǎn)通信半徑等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與平均鏈路數(shù)的閉合表達(dá)式。2)將信道切換問(wèn)題抽象成了構(gòu)建小世界現(xiàn)象的捷徑路徑選取問(wèn)題,得到了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與小世界理論中重連概率間關(guān)系的閉合表達(dá)式。具體來(lái)說(shuō),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被劃分為低層次、高層次兩個(gè)部分。傳統(tǒng)單信道網(wǎng)絡(luò)為低層次網(wǎng)絡(luò)。高層次網(wǎng)絡(luò)相對(duì)稀疏,僅僅包括實(shí)際工作在雙信道上的節(jié)點(diǎn)。高層次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信類(lèi)似于建立捷徑。3)采用鄰居節(jié)點(diǎn)信息替代網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù),將全局問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局部問(wèn)題求解。利用最佳切換概率與節(jié)點(diǎn)度數(shù)、通信半徑等參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式,提出了分布式信道切換算法。基于該算法的多信道路由機(jī)制能在保證網(wǎng)絡(luò)性能前提下,節(jié)省能量。在無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)方向方面,主要貢獻(xiàn)包括：1)對(duì)以信息為中心網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的發(fā)展歷史、關(guān)鍵技術(shù)和主要特點(diǎn)進(jìn)行了概述。從地址分配問(wèn)題、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和安全性等角度對(duì)以信息為中心網(wǎng)絡(luò)引入到無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的必要性進(jìn)行了闡述。2)調(diào)研了以信息為中心無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究現(xiàn)狀,并以?xún)蓚�(gè)典型路由為例,對(duì)無(wú)IP網(wǎng)絡(luò)消息分發(fā)模式進(jìn)行了詳細(xì)講解。3)以具有“無(wú)中心”、“延遲容忍”、“多跳”、“關(guān)注內(nèi)容”和“異構(gòu)性”等新型特征的以信息為中心異構(gòu)容遲網(wǎng)絡(luò)為例,展開(kāi)面向未來(lái)的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)研究�；趥魅静∧Ｐ蛯�(duì)三種典型消息分發(fā)策略進(jìn)行了建模分析,推導(dǎo)出了感染節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及時(shí)延累積分布函數(shù)的閉合表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值分析掌握了信息站個(gè)數(shù)、通信覆蓋范圍對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò) 機(jī)會(huì)路由 多信道路由 以信息為中心的異構(gòu)容遲網(wǎng)絡(luò) 小世界理論 傳染病模型
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN92
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 緒論18-32
• 1.1 研究背景18-23
• 1.1.1 無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的定義和歷史18-20
• 1.1.2 無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景20-21
• 1.1.3 無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)計(jì)的要求21-23
• 1.2 無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究概述23-29
• 1.2.1 無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類(lèi)23-28
• 1.2.2 問(wèn)題總結(jié)28-29
• 1.3 論文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排29-32
• 第二章 基于離散時(shí)間排隊(duì)原理的機(jī)會(huì)路由建模32-51
• 2.1 引言32-33
• 2.2 機(jī)會(huì)路由理論分析的研究現(xiàn)狀33-34
• 2.3 模型假設(shè)及相關(guān)定義34-39
• 2.3.1 基于離散時(shí)間系統(tǒng)的機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制34-35
• 2.3.2 系統(tǒng)描述與建模思路35-36
• 2.3.3 廣義類(lèi)幾何分布36-38
• 2.3.4 既定轉(zhuǎn)發(fā)概率38-39
• 2.4 直接互連網(wǎng)絡(luò)建模39-41
• 2.4.1 G(0)的推導(dǎo)39-40
• 2.4.2 N-1個(gè)邊界條件G_j(Z)的求解40-41
• 2.5 非直接互連鏈狀網(wǎng)絡(luò)建模41-44
• 2.5.1 N=h+2類(lèi)的特殊場(chǎng)景建模42-44
• 2.5.2 一般場(chǎng)景的近似分析方案44
• 2.6 數(shù)值分析與仿真驗(yàn)證44-49
• 2.7 本章小結(jié)49-51
• 第三章 基于雙重優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制51-71
• 3.1 問(wèn)題的提出51-54
• 3.1.1 研究現(xiàn)狀51-53
• 3.1.2 基于時(shí)間調(diào)度機(jī)會(huì)路由機(jī)制面臨的典型問(wèn)題53-54
• 3.2 基于開(kāi)環(huán)馬爾科夫網(wǎng)絡(luò)建模分析54-59
• 3.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)模型54-55
• 3.2.2 時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)建模55-57
• 3.2.3 兩類(lèi)典型機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制有效性分析57-59
• 3.3 基于雙重優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制59-63
• 3.3.1 候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制59-60
• 3.3.2 多級(jí)排序算法60-61
• 3.3.3 分布式協(xié)作機(jī)制61-63
• 3.3.4 DPCOR的有效性分析63
• 3.4 數(shù)值分析與仿真驗(yàn)證63-70
• 3.4.1 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證63-66
• 3.4.2 DPCOR的性能評(píng)估66-70
• 3.5 本章小結(jié)70-71
• 第四章 基于小世界理論的多信道技術(shù)71-87
• 4.1 引言71-72
• 4.2 小世界理論72-74
• 4.3 系統(tǒng)模型74-77
• 4.4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與重連概率關(guān)系77-79
• 4.5 基于小世界理論的節(jié)能切換算法79-80
• 4.6 仿真與分析80-85
• 4.6.1 ρ_(global)和γ對(duì)小世界效應(yīng)的影響81-83
• 4.6.2 SWESA性能分析83-85
• 4.7 本章小結(jié)85-87
• 第五章 以信息為中心的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)87-105
• 5.1 以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)概述87-89
• 5.2 以信息為中心無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究現(xiàn)狀89-91
• 5.3 以信息為中心的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)91-93
• 5.4 以信息為中心的異構(gòu)容遲網(wǎng)絡(luò)路由建模分析93-104
• 5.4.1 研究現(xiàn)狀94
• 5.4.2 應(yīng)用場(chǎng)景與消息分發(fā)機(jī)制94-97
• 5.4.3 系統(tǒng)建模97-101
• 5.4.4 數(shù)值分析101-104
• 5.5 本章小結(jié)104-105
• 第六章 結(jié)束語(yǔ)105-108
• 6.1 論文工作總結(jié)105-106
• 6.2 研究工作展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-114
• 縮略詞對(duì)照表114-117
• 附錄1 證明一117-118
• 附錄2 證明二118-119
• 附錄3 證明三119-120
• 附錄4 微分方程的求解120-123
• 致謝123-125
• 作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文和申請(qǐng)專(zhuān)利125-126

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 汪東洋;武穆清;王亨友;賴(lài)曉陽(yáng);呂博;;無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)路由效率增強(qiáng)研究(英文)[J];中國(guó)通信;2014年08期

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本文編號(hào)：697249