AdHoc網(wǎng)絡性能分析及路由技術(shù)研究.pdf

1、Ad Hoc網(wǎng)絡是一種自組織的無線網(wǎng)絡，由不依賴于基礎設施支持和控制的自由通信節(jié)點組成。因其可以實現(xiàn)快速組網(wǎng)并具有強魯棒性的特點，Ad Hoc網(wǎng)絡已逐漸應用到許多關(guān)鍵場景中，例如戰(zhàn)場通信，搶險救災，增大現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡的覆蓋率，等等。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡被認為是下一代無線通信網(wǎng)絡體系的重要組成部分之一。
　　網(wǎng)絡性能評估是研宄Ad Hoc網(wǎng)絡的核心課題，對實際的組網(wǎng)和網(wǎng)絡優(yōu)化具有重要的指導意義，是推動Ad Hoc網(wǎng)絡發(fā)展、實用化以及

2、商業(yè)化的決定性因素。路由協(xié)議設計是Ad Hoc網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響Ad Hoc網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。良好的路由協(xié)議設計可以提高Ad Hoc網(wǎng)絡的整體性能。在國家科技重大專項“廣域覆蓋低成本寬帶接入組網(wǎng)技術(shù)與應用示范網(wǎng)絡開發(fā)國”(2012ZX03004002-003)，863項目“大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡的新型路由協(xié)議”(2007AA01Z217)，國家自然科學基金項目“基于網(wǎng)絡最大流量統(tǒng)計容量的無線自組織網(wǎng)絡性能優(yōu)化技術(shù)”(61172079)

3、，國家自然科學基金項目，“基于M I M O和協(xié)同通信技術(shù)的大規(guī)模移動自組織網(wǎng)絡路由技術(shù)”(60972048)的支持下，本文首先對Ad Hoc網(wǎng)絡的時延、吞吐量以及開銷等主要性能指標進行理論分析，然后基于理論分析結(jié)果，提出了幾種適用于AdHoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議。本文的主要內(nèi)容和貢獻包括以下幾個方面：
　　第一部分分析了跳數(shù)受限（L≤2)移動Ad Hoc網(wǎng)絡的時延性能。在此Ad Hoc網(wǎng)絡中，源節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)包副本到不同中繼節(jié)點，利

4、用這些節(jié)點的移動性，當其移動到目的節(jié)點附近時再將數(shù)據(jù)包傳遞給目的節(jié)點。首先，將數(shù)據(jù)包的傳遞過程建模為一個離散隨機過程，計算其狀態(tài)之間的平均轉(zhuǎn)移步數(shù)，得到了數(shù)據(jù)包從源節(jié)點隊首傳遞到目的節(jié)點所需時延（即傳遞時延）上界的閉合表達式，并給出了在傳遞時延最優(yōu)條件下的發(fā)送副本數(shù)f與網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)N的關(guān)系f=Θ(√N)。進一步，基于平均剩余服務時間，對數(shù)據(jù)包在源節(jié)點的排隊時延進行了理論分析，從而得到了端到端時延性能。最后，給出數(shù)值仿真結(jié)果直觀地展現(xiàn)時延性

5、能隨網(wǎng)絡規(guī)模和業(yè)務負載的變化趨勢。
　　第二部分分析了節(jié)點緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡的容量性能。當網(wǎng)絡節(jié)點緩存大小為K時，在充分考慮節(jié)點間無線干擾和信道競爭的前提下，利用排隊理論將節(jié)點緩存隊列建模為G/G/1/K排隊模型。在此基礎上，構(gòu)造了一個完備的理論框架分析了達到網(wǎng)絡吞吐量上界的必要條件，以及在此條件下節(jié)點緩存隊列的平均到達率和服務速率，并推導出單節(jié)點吞吐量C隨網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目的漸進變化趨勢C=0(1-1/K)。進一步，針對對稱網(wǎng)絡

6、拓撲和非對稱網(wǎng)絡拓撲，給出了可以實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量上界的調(diào)度策略。
　　第三部分針對節(jié)點緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡，提出了丟包開銷的概念，即定義由于接收節(jié)點的緩存溢出導致數(shù)據(jù)包丟失時，之前用于發(fā)送此數(shù)據(jù)包所消耗的帶寬為丟包開銷。通過分析實現(xiàn)節(jié)點緩存受限Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)路徑的條件，建立了評估其在任意路由策略下丟包開銷的理論框架。仿真結(jié)果顯示現(xiàn)有路由協(xié)議仍然具有很大的改善空間以減小丟包開銷，提高網(wǎng)絡吞吐量。
　　第四部分提出了一組

7、適用于Ad Hoc網(wǎng)絡的高效路由協(xié)議。首先提出了一種具有業(yè)務感知能力的路由協(xié)議TACR，它能夠利用基于維納過程的預測方法感知網(wǎng)絡業(yè)務變化，及時調(diào)整路由策略，并通過引入分布式Q學習算法動態(tài)調(diào)整路由生存期，提高了路由的自適應性。其次，提出了具有端到端擁塞控制功能的路由協(xié)議ECCR，ECCR將路徑的長度和擁塞狀況相結(jié)合作為最優(yōu)路徑的選擇標準，提高了網(wǎng)絡性能。進一步，在ECCR的基礎上提出了M-ECCR，M-ECCR結(jié)合了單路徑路由和多路徑路由