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基于机会主义路由的无线Ad Hoc网络关键技术研究

作　者: 李彦华
导　师: 刘元安
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 机会主义路由无线Ad Hoc网络随机游走模型动态规划理论图分割算法频谱图理论
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 259次
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内容摘要

路由协议设计是无线Ad Hoc网络研究中一个极其重要而且极富挑战性的领域。机会主义路由思想为无线多跳网络的路由协议设计开辟了一条新的康庄大道。由于其能够更好的适应不稳定、丢失率高的无线网络环境,提高无线网络端到端网络性能,一经被提出就成为研究的热点。围绕机会主义路由,很多兼容性与优化的问题应运而出,如实现接入控制、多速率控制、机会主义多播、性能优化。本论文在国家自然科学基金等项目的支持下,针对机会主义路由的路由参数设计、转发节点列表选择机制及大规模无线网络中的应用问题进行了深入研究,获得了若干具有创新性的成果,主要的工作和创新点包括以下几个方面：第一,针对目前的机会主义路由协议所使用的路由参数不能准确衡量当前节点到目的节点机会主义期望传输数的问题,本文通过用随机游走模型对机会主义路由建模的方法,建立了一套研究机会主义路由传输的理论。并且用这套理论将求解机会主义路由的期望传输次数问题转化为计算随机游走模型状态转移次数的问题,从而在理论上计算出符合机会主义路由的路由参数EN (Expected Number of Transmission).在与以往常用的ETX路由参数进行仿真对比时,结果显示使用EN路由参数可以比ETX参数提高网络端到端吞吐量约40.98%,降低每包平均传输数性能约32.2%的。第二,针对目前机会主义转发节点列表选择问题上没有最优算法的问题,本文使用最优化理论对机会主义传输方式进行理论分析,设计出能选出具有最小期望转发数的最优转发节点列表选择算法(MTS算法),填补了这一问题上的理论空白；并采用动态规划的方法对算法进行优化,降低了算法复杂度。仿真结果表明在MIT的Roofnet网络拓扑结构中超过90%的源目的节点对使用MTS算法能比ETX算法获得性能更优得转发节点列表,而且每包平均传输数降低最多可达82%,吞吐量提高百分比可达322%。第三,通过频谱图理论(Spectral Graph Theory)建模无线网络拓扑结构的方法,设计出针对大规模无线网络拓扑的频谱图分割算法(SGP算法,Spectral Graph Partitioning Algorithm)。首先,使用最优化理论将拓扑分割问题抽象成特定网络限制条件下最小化图分割间连接度的问题；然后应用拓扑图拉普拉斯矩阵算子的特性,将问题进一步转发成标准的矩阵迹最小化问题；最后用k-means算法对求出的分割实数解集处理得到最优的无线拓扑分割。SPD算法可以将无线网络拓扑结构分割成具有最小分割度的子网络,从而使得各个子网络内部相对连接紧密,而子网络之间连接度稀疏。这种分割方法为实现大规模无线网络的局部机会主义路由协议提供了先决条件。最后,针对大规模无线网络的应用中,机会主义路由端到端延时开销大,节点生存时间短的问题作深入剖析。提出了GPLS(Graph Partitioning based Local Scheduling)路由协议,一种基于无线子网络分割的大规模无线网络路由协议。它通过使用频谱图分割SGP算法将无线拓扑结构分割成若干个子网络,在各个子网络内部实现局部机会主义路由转发,而子网络之间沿用传统单路径路由转发。仿真结果表明通过此方法可以大大降低大规模网络中机会主义路由的网络开销和端到端延时性能,延长了无线节点生存时间。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-30
  1.1 论文研究背景  13-23
    1.1.1 无线Ad Hoc网络概述  13-15
    1.1.2 无线Ad Hoc网络的特点  15-16
    1.1.3 无线Ad Hoc网络的应用  16-18
    1.1.4 无线Ad Hoc网络关键技术  18-23
  1.2 论文研究的意义  23-24
  1.3 论文的主要工作及创新点  24-26
    1.3.1 主要工作及创新点  24-25
    1.3.2 论文组织结构  25-26
  参考文献  26-30
第2章无线Ad Hoc网络中路由技术分析与综述  30-52
  2.1 无线网络及协议层结构  30-32
  2.2 传统单路径路由协议  32-39
    2.2.1 先验式路由协议  33-34
    2.2.2 反应式路由协议  34-36
    2.2.3 混合路由协议  36
    2.2.4 几种传统单路径路由协议的比较  36-39
  2.3 传统多径路由协议  39-41
    2.3.1 多径路由的优缺点  39-40
    2.3.2 现有的多径路由  40-41
  2.4 机会主义路由协议  41-44
    2.4.1 ExOR协议  42-43
    2.4.2 MORE协议  43-44
  2.5 大规模无线Ad Hoc网络路由协议  44-45
  2.6 本章总结  45
  参考文献  45-52
第3章基于随机游走模型的机会主义传输理论  52-66
  3.1 机会主义传输理论发展与存在的问题  52-55
  3.2 机会主义路由参数——期望传输数EN  55-58
  3.3 仿真试验  58-60
  3.4 本章总结  60-61
  参考文献  61-66
第4章机会主义路由最优转发节点列表选择机制  66-85
  4.1 最少传输数选择机制(MTS,Minimum Transmission Selection)  66-70
  4.2 实例分析  70-73
    4.2.1 实例1(ExOR漏选有用节点)  70-71
    4.2.2 实例2(ExOR选入多余节点)  71-72
    4.2.3 实例3(ExOR分配优先级问题)  72-73
  4.3 高效应答(ACK)响应机制  73-78
    4.3.1 数据组传输模式(Batch Mode)  73-76
    4.3.2 双向链路连接度  76-78
  4.4 仿真验证  78-83
    4.4.1 转发节点列表大小比较  79-80
    4.4.2 MTS与ExOR机制在ExOR协议中的比较  80-82
    4.4.3 MTS与ExOR机制在MORE协议中的比较  82-83
  4.5 本章总结  83-84
  参考文献  84-85
第5章基于频谱图分割算法的局部机会主义路由协议  85-102
  5.1 现有问题和解决方案主要思路  85-87
    5.1.1 解决方案  86-87
  5.2 频谱图分割算法(SGP算法)  87-92
    5.2.1 建模拓扑分割问题  87-89
    5.2.2 最小化分割连接度  89-92
  5.3 GPLS协议  92-96
    5.3.1 控制信息构建机制  93
    5.3.2 数据信息转发机制  93-96
  5.4 仿真试验  96-100
    5.4.1 端到端延时性能分析  96-97
    5.4.2 生存时间性能分析  97-98
    5.4.3 吞吐量性能分析  98-100
    5.4.4 仿真结论  100
  5.5 本章总结  100
  参考文献  100-102
第6章总结与展望  102-105
  6.1 论文主要贡献  102-103
  6.2 下一步工作展望  103-105
缩略语  105-108
致谢  108-110
攻读博士学位期间学术成果  110

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