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移动Ad Hoc网络中分簇组网技术的研究

作　者: 倪旻明
导　师: 钟章队
学　校: 北京交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 移动Ad Hoc网络分簇组网移动性预测广播可靠性网络容量
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着无线通信技术以及移动电话、PDA (Personal Digital Assistant)、笔记本电脑等无线通信设备的不断发展,人类社会已经逐渐进入了泛在通信的新时代。在众多的通信解决方案中,基于分簇结构的移动Ad Hoc网络因其不依赖固定基础设施即可在移动场景中实现动态组网与数据传输的特点在近些年引起了学术界和工业界越来越多的关注。与传统的平面结构相比,分簇结构能够显著地改善资源的利用率、降低路由复杂度、增强网络稳定性。但由于分簇结构的建立与维护不可避免地会依赖于额外的状态信息与控制信息的交互,所以当网络的拓扑结构变化较快并且涉及较多动态节点时,网络中传输的分簇信息则可能出现显著的增长,从而占用大量系统资源,甚至造成网络的瘫痪。因此,如何为移动AdHoc网络设计高效、可靠的分簇组网方案,并进行准确、有效的性能分析就成为推进分簇组网技术继续向前发展的关键。本文首先从分簇组网方案的设计出发,提出了一套基于移动性预测的分簇组网方案(Mobility Prediction Based Clustering, MPBC)以尽可能减少节点的随机移动性对网络拓扑结构所可能产生的影响。与现有面向移动性感知的分簇组网方案相比,MPBC方案采用了基于多普勒频移的相对移动性预测算法获得所需的移动性信息。由于新的预测算法不依赖于外部系统、且无需传输额外的控制信息,MPBC方案体现出了更好的环境适应性。此外,在MPBC方案中,预测得到的移动性信息不仅用于簇头的初步选取、网络结构的初始化,也被用于在分簇保持阶段对网络结构做出适时的调整以尽可能进一步提升簇结构的稳定性。通过理论分析和仿真实验可知：在相同条件下,MPBC方案在链路状态变化率、逻辑链路持续时间、簇头生存时间等一系列稳定性性能指标方面都比现有典型分簇组网方案表现得更为出色。由于分簇组网工作中的信息交互基本都以广播方式完成,因此广播传输的性能会直接影响到分簇组网工作的有效进行。基于这样的考虑,本文在完成分簇方案的设计之后,进而对广播传输的可靠性进行了理论分析。为了准确地描述广播传输过程,本文用Markov链对随机退避计数器的状态变化、节点传输队列中剩余数据包数目的变化分别进行了重新建模,以修正现有文献中所存在的问题与不足。在此基础上,通过模型分析得到的节点平均传输概率被用于推导一般性二维平面场景下移动Ad Hoc网络中基于距离的丢包率、平均丢包率以及平均队列时延这三个可靠性性能指标的闭合表达式。与现有研究成果相比,本文考虑了隐藏终端以及相邻节点选择相同的退避时间对广播传输所产生的影响。此外,本文也对衰落信道在传输可靠性方面所可能产生的负面效应进行了讨论。最后,本文研究了分簇结构对移动Ad Hoc网络容量性能带来的影响以提高分簇组网的有效性。基于描述网络中通信干扰的协议模型(Protocol Model)和由收发节点形成的排斥区域(Exclusive Region),本文首先得到了分簇结构的移动Ad Hoc网络中由簇结构和孤立节点决定的两个理论容量上界,并在此基础上对临界网络面积进行了求解。此后,本文还对不同场景中网络容量下界的可达性进行了分析。研究结果表明,在分簇结构下,移动Ad Hoc网络的网络容量会因网络面积的变化而表现出不同的特征；而临界网络面积这一参量也对“大规模”网络这一概念做出了更为明确地解释。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
插图索引  10-18
1 绪论  18-32
  1.1 移动Ad Hoc网络概述  18-21
  1.2 从平面到层级化：移动Ad Hoc网络中的分簇组网技术  21-24
  1.3 分簇组网方案的研究现状  24-29
    1.3.1 面向节能的分簇方案  24-25
    1.3.2 面向簇维护开销优化的分簇方案  25-26
    1.3.3 面向负载均衡的分簇方案  26-27
    1.3.4 面向移动性感知的分簇方案  27-28
    1.3.5 基于组合权值的分簇方案  28-29
  1.4 分簇组网技术研究所面临的主要问题与本文的创新点  29-32
2 基于移动性预测的移动Ad Hoc网络分簇组网方案  32-66
  2.1 引言  32-34
  2.2 系统模型  34-36
  2.3 基于多普勒频移的相对移动性预测算法  36-39
    2.3.1 趋近场景中相对速率估计算法  36-38
    2.3.2 远离场景中相对速率估计算法  38
    2.3.3 节点间链路保持时间预测算法  38-39
  2.4 MPBC分簇组网方案  39-46
    2.4.1 有效平均相对速率  40-41
    2.4.2 分簇形成阶段  41-42
    2.4.3 分簇保持阶段  42-46
  2.5 分簇结构稳定性性能界  46-51
    2.5.1 性能指标  46
    2.5.2 性能界分析  46-51
  2.6 仿真结果  51-59
  2.7 本章小结  59-62
  附录A: 两随机节点相对距离的分布  62-66
3 分簇组网技术中广播传输可靠性的分析  66-94
  3.1 引言  66-68
  3.2 系统模型  68-69
  3.3 广播传播过程建模  69-75
    3.3.1 广播传输退避计数器的Markov模型  69-73
    3.3.2 非饱和网络广播传输队列Markov模型  73-75
  3.4 广播传输可靠性性能指标  75-80
    3.4.1 基于距离的丢包率d-PLR  75-78
    3.4.2 平均丢包率APLR  78-79
    3.4.3 平均队列时延AQD  79-80
  3.5 仿真结果  80-89
    3.5.1 饱和状态下广播传输可靠性仿真结果  80-84
    3.5.2 非饱和状态下广播传输可靠性仿真结果  84-89
  3.6 讨论：衰落信道对传输可靠性的影响  89-91
    3.6.1 节点覆盖概率的推导  89-91
    3.6.2 对现有研究结果的修正方法  91
  3.7 本章小结  91-93
  附录B：两圆交叠区域面积求解  93-94
4 分簇结构网络容量的研究  94-113
  4.1 引言  94-96
  4.2 系统模型  96-99
  4.3 分簇结构容量上界的分析  99-103
    4.3.1 由簇结构决定的吞吐量上界  99-100
    4.3.2 由孤立节点决定的吞吐量上界  100-102
    4.3.3 临界网络面积(?)(S_(th))  102-103
  4.4 分簇结构中可达容量下界的分析  103-111
    4.4.1 相关预备定理与证明  103-106
    4.4.2 网络面积小于临界值时可达吞吐量的分析  106-109
    4.4.3 网络面积大于临界值时可达吞吐量的分析  109-111
  4.5 本章小结  111-113
5 总结与展望  113-115
参考文献  115-122
附件  122-123
攻读博士学位期间发表的学术论文与其他成果  123-126
攻读博士学位期间参与的科研项目  126-128
学位论文数据集  128

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