多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量與資源優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施、自組織和以多跳傳輸為特征的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其主要形式包括Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)等。作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一種實(shí)現(xiàn)形式，多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在著傳統(tǒng)的無(wú)線和移動(dòng)通信系統(tǒng)中的一些共性問(wèn)題，比如帶寬優(yōu)化、功率控制，以及如何提高傳輸質(zhì)量等等。此外，多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有很多自身的特性，這些特性使其在網(wǎng)絡(luò)組織、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計(jì)等方面都與現(xiàn)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)存在明顯的區(qū)別。針對(duì)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究以往主要集中在路由協(xié)議、

2、接入控制（MAC）協(xié)議以及與其它通信網(wǎng)的互連互通等方向，并取得了很多成果。但到目前為止，該領(lǐng)域中仍有很多需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。首先是網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題，包括基本的容量界限、容量與時(shí)延的關(guān)系，以及考慮具體協(xié)議開(kāi)銷時(shí)網(wǎng)絡(luò)可獲得的最大吞吐量等特征。其次是如何降低干擾、提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。第三，對(duì)節(jié)點(diǎn)能量受限的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，如何節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量也是一個(gè)重要的問(wèn)題。此外，針對(duì)各種物理層新技術(shù)的應(yīng)用，需要研究資源的優(yōu)化分配以利用其所帶來(lái)的好處

3、。本文的研究工作主要涉及多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量分析和資源利用效率的優(yōu)化。主要?jiǎng)?chuàng)新包括以下幾點(diǎn)：
　　 ⑴研究了業(yè)務(wù)多跳傳輸?shù)臅r(shí)延特性和容量與時(shí)延的折衷關(guān)系。針對(duì)有限節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，建立了網(wǎng)絡(luò)模型和業(yè)務(wù)模型，并基于理想的傳輸控制和路由選擇機(jī)制，推導(dǎo)了業(yè)務(wù)多跳傳輸?shù)钠骄说蕉藭r(shí)延，得到了具有時(shí)延限制的網(wǎng)絡(luò)容量的解析結(jié)果。
　　 ⑵針對(duì)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有廣播方法的傳輸冗余問(wèn)題，提出了全網(wǎng)優(yōu)化的空間覆蓋廣播思想，找到了理想情

4、況下最優(yōu)覆蓋和最優(yōu)雙重覆蓋的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)分布方式，并且分析了理想情況下廣播的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)效率。
　　 ⑶提出了一種易于實(shí)現(xiàn)的基于1跳鄰節(jié)點(diǎn)信息的3點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)廣播算法（TripleForwarding Broadcast，TFB）。該算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需選擇2到3個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)就能夠?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)接近雙重的覆蓋，并且轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍之間的重疊面積最小，因此，TTB算法可以在保證較高送達(dá)率的同時(shí)明顯提高廣播的轉(zhuǎn)發(fā)效率。
　　 ⑷提出了一種無(wú)

5、需鄰節(jié)點(diǎn)信息的空間覆蓋廣播算法（Space-CoveredBroadcast，SCB）。SCB算法實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的空間覆蓋，降低了帶寬和存儲(chǔ)計(jì)算等開(kāi)銷，能夠自動(dòng)適應(yīng)信道狀況，避免信道變化所造成的傳輸錯(cuò)誤，因此具有較好的實(shí)用性。
　　 ⑸將多信道無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Networks，WMN）中的多播業(yè)務(wù)選路和信道分配及接口分配構(gòu)建為一個(gè)聯(lián)合的線性規(guī)劃問(wèn)題，綜合考慮了可用信道、接口數(shù)量以及干擾鏈路的限制，優(yōu)化目標(biāo)是使

6、多播路徑占用的信道數(shù)最少，從而提高了不同鏈路同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的能力。鑒于計(jì)算的復(fù)雜性較高，還提出了一種啟發(fā)式算法，達(dá)到了提高業(yè)務(wù)吞吐量和降低端到端時(shí)延的目的。
　　 本研究分為三個(gè)部分：第一部分（第二章）研究了多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)延限制的吞吐容量問(wèn)題。第二部分（第三章和第四章）研究了提高多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中廣播的轉(zhuǎn)發(fā)效率問(wèn)題。首先，分析了理想情況下覆蓋網(wǎng)絡(luò)所需的最少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，提出了空間覆蓋廣播的思想，找出了理想情況下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)雙重覆蓋的轉(zhuǎn)