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多接口多信道多跳无线网络资源管理与广播机制的研究

作　者: 李礼
导　师: 张春元
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 多接口 多信道 多跳网络 资源管理 广播 信道带宽调制 频谱分配 数学规划 图着色 服务质量 最小连通支配集
分类号: TN92
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


多跳无线网络比如Ad-hoc网络、无线网状网等日益成为人们关注的热点。然而传统的单信道多跳无线网络的容量已经很难满足人们的需要。由于相邻节点共享通信媒介,传输之间面临着竞争,网络性能会随着路由跳数及网络密度的增加而快速衰减。多接口多信道技术通过为通信节点装配多个无线接口,并同时使用不同的信道进行并行传输,能够大幅提高网络容量。本文将对基于IEEE802.11 MAC协议的多接口多信道多跳无线网络的资源管理与广播机制展开研究。无线电通信频谱是有限并且极其珍贵的自然资源。如何合理分配频谱资源,以最大限度发挥频谱使用效率是无线网络中的重要议题。以往大部分研究工作都是假设可用频谱被条状分割成多个具有固定带宽的无线信道,近来有研究认识到固定带宽信道的不足,并开始采用动态信道带宽调制技术来提升网络性能。本文的资源管理机制将把多接口多信道技术与信道带宽调制技术结合起来,共同优化多跳网络的性能。首先,本文提出了具有信道带宽调制功能的多接口多信道多跳无线网络的体系结构,并从兼顾信道多样性与网络连通性、减少竞争与干扰、增强频谱负载均衡、以及提供QoS(Quality of Service)支持等方面着重介绍了信道带宽调制技术在多接口多信道多跳网络中的应用。然后,针对上述应用,给出以下解决方案:采用数学规划方法对多接口多信道网络的信道带宽调制、逻辑拓扑控制、路由进行联合建模。本文把联合优化问题归结为0-1整数线性规划,并基于LP松弛给出启发式算法。在给定的流量模型下,联合优化策略不仅能在信道多样性与网络连通性之间取得较好平衡,还能同时实现频谱负载均衡以及减少干扰与竞争。将最优信道带宽调制归结为“装箱压缩”问题,并分别基于单/多区间着色与max-coloring问题设计了分布式的流量感知的频谱分配算法。基于区间着色的信道带宽调制算法能有效消除频谱碎片的影响,并且本文给出了区间着色算法在单位圆图上的近似程度;而基于max-coloring问题的信道带宽调制算法则具有较小的最大运行时间,因而能较快地适应负载的变化。最后上述分布式信道带宽调制算法被应用于典型的多接口多信道网状网——Hyacinth中,模拟表明信道带宽调制能有效增加Hyacinth网状网的频谱使用效率及网络性能。基于资源预留机制设计了服务质量感知的信道带宽分配及主动路由协议。本文把资源分配与AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector)路由协议结合在一起,按需分配频谱资源与接口资源给活跃的链路。当节点配有带宽可调的接口数目较多时,协议能够较好地为网络提供QoS支持。广播是多跳无线网络的一种重要操作,它既可以作为单播/多播路由协议路由发现的基本方式,也已成为许多无线宽带广播应用的重要通信手段。本文将针对广播操作的不同应用设计相应的多信道广播策略:作为路由发现过程中的基本操作,广播策略应以减少报文冗余为目标。为此本文把多接口多信道多跳网络中最少冗余的广播问题归结为接口扩展图的最小强连通支配集问题,并在原有单信道网络广播算法的基础上,提出低冗余的多信道自剪枝广播算法;在无线宽带应用中,广播策略则应侧重高吞吐率等指标。为此本文使用数学规划对广播树的建立与信道分配进行联合建模,并给出启发式方法。算法不仅能较好地利用信道多样性,同时还能最大限度地减少干扰。综上所述,本文主要对基于IEEE802.11协议的多接口多信道多跳网络的资源管理与广播机制进行研究。资源管理机制使用了信道带宽调制技术,能在多个方面提升网络性能,而多信道广播策略则能达到低冗余或者高吞吐率的目标。

全文目录


摘要  11-13
Abstract  13-15
第一章 绪论  15-33
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 相关技术与相关研究工作  17-28
    1.2.1 IEEE 802.11 MAC 协议  17-19
    1.2.2 多信道多跳无线网络的研究  19-23
    1.2.3 信道带宽调制技术的研究  23-27
    1.2.4 多跳网络中广播协议的研究  27-28
  1.3 论文研究内容及主要创新点  28-30
  1.4 论文的结构与安排  30-33
第二章 具有信道带宽调制功能的多接口多信道多跳网络  33-53
  2.1 网络模型  33-35
  2.2 采用多接口多信道和信道带宽调制技术的原因  35-38
  2.3 信道带宽调制技术在多接口多信道多跳网络中的应用  38-47
    2.3.1 兼顾信道多样性与网络连通性  38-40
    2.3.2 减少冲突、干扰与竞争  40-44
    2.3.3 改进频谱的负载均衡  44-46
    2.3.4 提供QoS 支持  46
    2.3.5 其他  46-47
  2.4 模拟平台  47-51
    2.4.1 NS-2 网络模拟器  47-48
    2.4.2 多信道多接口以及信道带宽调制功能的扩展  48-50
    2.4.3 具体实现  50-51
  2.5 本章小结  51-53
第三章 基于数学规划方法的信道带宽调制、拓扑控制、路由联合优化策略  53-77
  3.1 引言  53-56
  3.2 数学规划模型  56-61
    3.2.1 连续频谱块分配  57-58
    3.2.2 逻辑拓扑控制  58-59
    3.2.3 路由  59-60
    3.2.4 干扰限制  60
    3.2.5 容量约束  60-61
    3.2.6 优化目标  61
  3.3 问题的解决  61-69
    3.3.1 等价的混合0-1 整数线性规划  62-64
    3.3.2 选择产生较少干扰的最优策略  64-65
    3.3.3 基于LP 松弛的启发式算法JBATCR  65-69
  3.4 性能评测  69-76
    3.4.1 最优策略vs.启发式策略JBATCR  71-72
    3.4.2 不同带宽的信道vs.信道带宽调制  72-73
    3.4.3 频谱块宽度对性能的影响  73-74
    3.4.4 路由策略与频谱使用策略的组合对性能的影响  74-75
    3.4.5 节点接口数目对性能的影响  75-76
  3.5 本章小结  76-77
第四章 基于图着色理论的流量感知的信道带宽调制算法  77-105
  4.1 引言  77-79
    4.1.1 基本图着色理论  77
    4.1.2 图着色与信道分配  77-79
  4.2 问题描述  79-80
  4.3 信道带宽调制算法  80-94
    4.3.1 基于单/多区间着色的装箱算法Pack-IC 与Pack-HIC  81-88
    4.3.2 基于Max-Coloring 问题的装箱算法Pack-MaxC  88-92
    4.3.3 压缩及最终频谱分配算法Compress  92-94
  4.4 信道带宽调制算法在多接口多信道网状网Hyacinth 中的应用  94-97
    4.4.1 多接口多信道无线网状网Hyacinth  94-95
    4.4.2 信道带宽调制技术在网状网Hyacinth 中的应用  95-97
  4.5 性能评测  97-103
    4.5.1 与使用固定带宽信道的Hyacinth 系统比较  97-100
    4.5.2 频谱块宽度对性能的影响  100-101
    4.5.3 节点接口数目对性能的影响  101-102
    4.5.4 对网络负载变化的响应  102-103
  4.6 本章小结  103-105
第五章 服务质量感知的信道带宽分配及主动路由协议  105-121
  5.1 引言  105-107
  5.2 基于资源预留机制的信道带宽分配与主动路由协议AODV-BA  107-116
    5.2.1 接口管理  108-111
    5.2.2 路由以及频谱资源管理  111-116
  5.3 性能评测  116-119
    5.3.1 与AQOR 协议比较  117-118
    5.3.2 节点接口数目对性能的影响  118-119
  5.4 本章小结  119-121
第六章 多接口多信道多跳无线网络的广播算法  121-145
  6.1 引言  121-123
  6.2 低冗余的多信道广播算法  123-135
    6.2.1 单信道多跳网络中低冗余的广播算法  124-126
    6.2.2 网络模型  126
    6.2.3 多信道本地广播算法MCLB  126-127
    6.2.4 多信道全局广播算法MCSP  127-132
    6.2.5 性能评测  132-135
  6.3 网状网中干扰感知的联合广播路由与信道分配算法  135-144
    6.3.1 问题描述  136-137
    6.3.2 数学规划模型  137-140
    6.3.3 启发式算法JCABR  140-141
    6.3.4 性能评测  141-144
  6.4 本章小结  144-145
第七章 结束语  145-149
  7.1 论文研究总结  145-147
  7.2 展望与设想  147-149
致谢  149-151
参考文献  151-161
作者在学期间取得的学术成果  161

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信
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