無線網(wǎng)絡中的魯棒性資源分配算法研究.pdf

1、在過去的數(shù)十年中，人們對于隨時隨地與一切事物進行交互的夢想驅(qū)動著無線網(wǎng)絡技術持續(xù)地蓬勃發(fā)展。為了以更低的成本和能耗提供更廣闊的無線網(wǎng)絡接入范圍，基于無線多跳轉(zhuǎn)發(fā)結構的網(wǎng)絡如無線傳感器網(wǎng)絡、無線mesh網(wǎng)絡和移動ad-hoc網(wǎng)絡等成為當前的研究熱點。然而網(wǎng)絡中存在多種動態(tài)因素，如電池能量損耗、鏈路質(zhì)量變化以及拓撲的隨機性等，使得目前的無線多跳網(wǎng)絡還難以提供穩(wěn)定的服務質(zhì)量。為了滿足實際應用的需要，在動態(tài)環(huán)境下提高無線多跳網(wǎng)絡的魯棒性成為重要

2、的技術挑戰(zhàn)。在本文中我們分析導致無線傳感器網(wǎng)絡和無線mesh網(wǎng)絡魯棒性不足的主要原因，并針對性地采用拓撲控制、多接口多信道以及機會式路由三種技術手段進行網(wǎng)絡魯棒性優(yōu)化。本論文的結構如下：
　　 首先，我們考慮節(jié)點位置信息未知的無線傳感器網(wǎng)絡。要提高其魯棒性，就要在能量受限的條件下令網(wǎng)絡盡量長時間地保證連通性并滿足覆蓋強度需求。對此我們提出了一種名為自適應隨機分簇(ARC)的拓撲控制算法，該算法可以在滿足連通覆蓋性能需求的前提下減

3、少節(jié)點總體能量消耗并有效達到節(jié)點間能耗平衡。ARC算法采用了一種創(chuàng)新的簇頭選舉制度在網(wǎng)絡中形成一個分簇拓撲，并可以避免各個簇內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生互相干擾。ARC通過調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點的喚醒門限自適應地滿足覆蓋強度需求，并通過設置適當?shù)拇貎?nèi)通訊和簇間通訊發(fā)送功率來保證網(wǎng)絡的連通性。仿真結果表明ARC可以效達到網(wǎng)絡的連通覆蓋性能要求，并顯著延長網(wǎng)絡壽命。
　　 其次我們對于給定端到端流量需求的無線mesh網(wǎng)絡利用多接口多信道技術進行魯棒性優(yōu)

4、化。為了表征網(wǎng)絡對抗信道變化和外部干擾的能力，我們結合了干擾裕量和中斷概率的概念提出了魯棒性度量。根據(jù)實際的接口切換、速率選擇和多徑路由模型，我們將網(wǎng)絡的魯棒性資源分配建立為一個混合整形非線性規(guī)劃問題。為了降低問題的復雜度，我們首先將該問題進行分解并得到一個可行性檢測問題，然后通過二元搜索算法對于可行性檢測問題進行迭代求解以得到原問題的最優(yōu)解。用試驗床得到的實測信道變化數(shù)據(jù)進行仿真，我們驗證了所提出的算法能夠在有信道變化和外部干擾的環(huán)境

5、中有效維持鏈路的魯棒性。
　　 接著我們對采用機會式路由結合網(wǎng)絡編碼的無線mesh網(wǎng)絡進行研究，指出這種場景下網(wǎng)絡的魯棒性主要受到網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)包相關性的影響。對此我們提出了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點流量控制的一組約束以減少節(jié)點收到的相關數(shù)據(jù)包數(shù)量，并將魯棒性流量控制建立為一個非凸優(yōu)化問題。我們通過一種集中式算法和一種分布式算法對原問題進行簡化，其中前者只保留一部分關鍵的流量控制約束條件以降低問題復雜度，而后者則可以根據(jù)周圍鏈路質(zhì)量變化在本地自適應