無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量算法研究.pdf

1、無線自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)是由若干個(gè)可移動(dòng)的無線收發(fā)裝置以自組織的方式形成的一個(gè)靈活、多跳、無中心網(wǎng)絡(luò)。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)具備組網(wǎng)過程不需要依靠任何預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施等眾多優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、救災(zāi)、商務(wù)會(huì)議等各種實(shí)踐領(lǐng)域。其中，如何計(jì)算無線自組織網(wǎng)絡(luò)整體信道特性和傳輸協(xié)議下所能夠支持的最大信息流，便是無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量問題，屬于網(wǎng)絡(luò)研究和設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的特殊性(節(jié)點(diǎn)能量受限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變、多路徑衰落效應(yīng)

2、等)使得無線自組織網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有線網(wǎng)絡(luò)，并不能直接應(yīng)用香農(nóng)公式計(jì)算無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量。因此，針對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)容量并設(shè)法提高網(wǎng)絡(luò)容量成為一個(gè)非常關(guān)鍵而有意義的課題。
　　在深入分析相關(guān)研究后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的無線網(wǎng)絡(luò)容量定義考慮不夠全面，比如并未包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障等約束要求?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)能量消耗模型與網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算結(jié)果密切相關(guān)。本文在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一階能量損耗數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了兩類無線

3、自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量計(jì)算方法：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定時(shí)，推導(dǎo)無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量上界與下界閉合數(shù)學(xué)表達(dá)式；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定時(shí)，建立網(wǎng)絡(luò)生存容量和動(dòng)態(tài)容量的計(jì)算模型。在分析影響網(wǎng)絡(luò)容量的若干因素后，本文還提出了一種中繼節(jié)點(diǎn)功率優(yōu)化控制的協(xié)作通信系統(tǒng)，提高網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸速率、降低網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸中斷概率，以此達(dá)到提到網(wǎng)絡(luò)容量的目的。本文的主要工作和研究成果如下：
　　1．在Steven Weber等人信噪比網(wǎng)絡(luò)容量模型的基礎(chǔ)上，分析無線自

4、組織網(wǎng)絡(luò)信息的多跳傳輸概率，提出了一種基于生存時(shí)間的多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算方法，并推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)容量上界和下界的閉合數(shù)學(xué)表達(dá)式。針對(duì)節(jié)點(diǎn)位置服從均勻分布以及泊松點(diǎn)過程分布兩類隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，采用 MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量與節(jié)點(diǎn)通信半徑對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連通特性、網(wǎng)絡(luò)單跳容量、網(wǎng)絡(luò)多跳容量、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間以及基于生存時(shí)間的多跳容量的變化規(guī)律。得到如下結(jié)論：基于泊松點(diǎn)過程分布的無線自組織網(wǎng)絡(luò)在多跳傳輸容量方面的表現(xiàn)要優(yōu)于基于均勻分布的網(wǎng)絡(luò)

5、，且無線自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳特性有助于提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量。
　　2．本文將網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間內(nèi)所能傳輸?shù)男畔⒖偭慷x為網(wǎng)絡(luò)生存容量，將某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的可用容量定義為網(wǎng)絡(luò)剩余容量，亦可以稱為網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)容量，并建立整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型描述網(wǎng)絡(luò)生存容量與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)容量?？紤]到路由策略與網(wǎng)絡(luò)生存容量之間的關(guān)系，為獲得更大的生存容量，本文提出了一種基于Grover算法的能量感知路由策略。最后，建立仿真模型分析基于Grover算法的能量感知路由策略與經(jīng)典的AODV路

6、由策略基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)生存容量、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)容量的變化趨勢。得到如下結(jié)論：基于Grover算法的能量感知路由策略所獲得的網(wǎng)絡(luò)生存容量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信半徑的增加而增加?；贕rover算法的能量感知路由策略在容量方面的表現(xiàn)要優(yōu)于經(jīng)典的AODV路由策略，同時(shí)發(fā)現(xiàn)：無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性有助于提高網(wǎng)絡(luò)生存容量、延緩網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)容量的下降速度。
　　3.在分析網(wǎng)絡(luò)容量定義以及網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算方法后，發(fā)現(xiàn)受限的網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)資源是限制網(wǎng)絡(luò)容量增長的

7、關(guān)鍵因素，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、降低中斷概率對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)容量起著至關(guān)重要的作用。為此，本文提出了節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信與功率優(yōu)化分配兩種方式提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)容量。首先本文提出了一種節(jié)點(diǎn)中繼相互協(xié)作模式提高網(wǎng)絡(luò)平均傳輸速率，并在基于Grover算法的能量感知路由協(xié)議中引入節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)方式予以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最大流傳輸。然后，討論當(dāng)網(wǎng)絡(luò)總功率受限時(shí)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率優(yōu)化分配，并采用遺傳算法求解最優(yōu)功率分配方案。最后，采用 MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值