无线Ad Hoc网络中协作MAC协议和路由算法研究

论文摘要

无线Ad Hoc网络是一种不依赖于任何固定网络基础设施的自组织对等式多跳无线通信网络,在军事、传感器网络、个人通信等领域得到了广泛的应用。无线Ad Hoc网络具有拓扑结构动态变化、带宽受限、容量可变、节点能量受限、多跳通信及安全性差等特点,为网络协议及关键技术的设计带来了困难和挑战。其中,如何提高能量的有效性就成为了无线Ad Hoc网络设计的核心问题之一。从网络的体系结构上看,节省能量可以在不同层次上通过各种技术得以实施,比如：物理层上调制编码、功率控制及协作分集,数据链路层上的差错控制和多路访问控制、网络层上节能路由算法以及应用层上的自适应技术等。物理层上受节点尺寸及代价的限制,在微小的无线节点上安装多根天线并不切合实际。在这种情况下,协作分集技术受到了广泛的关注,它可以通过节点之间的协作实现分集效果,并为与高层联合优化的实施提供有效的技术支持。利用无线信道的广播特性,源节点发送的信号能够同时被中继节点和目的节点接收,中继节点可以帮助源节点转发信号以实现虚拟天线阵列的效果,大幅地提高了系统的鲁棒性,同时也减少了节点所消耗的发射和接收能量。数据链路层上,自动请求重传技术可以用于差错控制,提高链路的可靠性,而多路访问协议则可以协调信道竞争和接入,有效避免冲突。网络层上,路由选择技术可以在全网中建立一条满足用户要求的最佳路由。Ad Hoc网络中,许多独立层次上的关键技术通常会受到其他层的影响,比如多路访问和路由技术通常依赖于节点之间的连接性和干扰以及物理信道的特性,无线信道的状态及调制方法直接影响了端到端信息传输的有效性和可靠性,甚至影响到最终的用户服务质量。鉴于层与层之间的互相制约和密切联系,非相邻层之间以及多层之间的联合优化能够在打破传统分层规则的同时进一步提高系统性能,这种方法即为跨层设计。跨层设计对层间的依赖关系进行分析和利用,进行联合优化,并获得增益。实际上,能量约束几乎能影响到所有的网络协议,优化能耗需要考虑网络设计的每个方面,跨层设计是解决此类问题的有效途径之一。协作分集技术的出现,不仅成为了物理层上提高系统抗衰落能力的有效手段,而且为Ad Hoc网络跨层设计提供了有利的底层技术支持。将协作分集技术引入到数据链路层和网络层上,分别产生了协作ARQ（Automatic Repeat Request,自动请求重传机制）、协作MAC（Medium Access Control,介质访问控制）协议和协作路由算法。这些技术充分利用了网络体系结构中的跨层设计思想,标志着协作通信的研究有了新的进展,而且将单纯的物理层技术拓展到了链路级和网络级上,从不同角度提高了网络的安全性,并且降低了网络的能量消耗。另外,协作分集技术在数据链路层及网络层的引入,打破了传统的非协作链路和路由机制,带来了链路协议和路由算法设计中新的困难和挑战。本文针对Ad Hoc网络能量有限性,主要研究协作通信技术在MAC协议和路由算法中的应用,设计分布式协作MAC协议及提高能量有效性的协作路由机制。从网络应用的角度,提高能量有效性的协作路由算法分为延长网络生命周期的路由算法和节省总能量消耗的路由算法。另外,端到端的路由通常包含多跳,即由多条点到点的链路组成,端到端的路由通常由路由选择技术完成,而链路的管理、差错控制、多路访问方式等通常受到MAC协议的制约。网络的不同层分别自下而上的为高层提供必要的优化和决策信息,本文首先研究各个独立层次的关键技术、算法和协议,然后利用跨层设计的思想分别将物理层与数据链路层、物理层与网络层及物理层、数据链路层与网络层联合优化,进而提出协作MAC协议和协作路由算法。概括地讲,本文的主要研究内容为：提出了基于选择协作和截短ARQ的协作MAC协议。将协作分集技术、截短ARQ机制、选择协作策略与MAC协议结合,在有效抵抗信道衰落的同时能够根据信道状态选择最佳中继节点,并且具有很高的吞吐量。构建了传统非协作ARQ和协作截短ARQ机制,分析了目的节点借助MRC （Maximal Ratio Combining,最大比合并）技术合并原先的和重传的分组,或者直接丢弃原先错误的分组仅使用当前分组两种情况下,在Nakagami-m衰落信道中采用M-PSK和M-QAM调制时点到点链路上的主要性能参数,比如：PER（Packet Error Rate,误分组率）、SER（Symbol Error Rate,误符号率）和吞吐量,并推导出了闭式表达式,为端到端路由选择参数度量提供了理论依据。提出了一种延长网络生命周期的协作路由算法。分析了协作和非协作链路上的误符号率,并在误符号率的约束下,利用线性规划进行最优功率分配。构建了以分组为单位,并充分考虑电路能量消耗的链路代价。将链路代价表示为加权的总功率消耗,以平衡网络节点的能量消耗。最后,通过大量的实验仿真验证所提出的算法具有有效性和正确性。提出了一种分布式节省总能量消耗的协作路由算法。将物理层协作分集、数据链路层中继选择策略、MAC协议和网络层路由选择全而联合,以达到总能量消耗最小的目标。由于端到端吞吐量表达式的复杂性,在满足端到端吞吐量的要求下进行最佳功率分配很难获得精确表达式。我们首先证明吞吐量函数的单调性,然后利用二分法快速运算求解最佳功率。利用传统的最短路径算法进行路由选择,所选择的路由包括非协作和协作块,并且具有最小的总链路代价。与非协作路由机制对比,这个协作路由算法可以明显的降低总能量消耗。针对现有工作中仍然存在的不足之处,本文在最后进行了总结和展望。综上所述,本文中主要研究了协作通信技术与MAC协议和路由算法的结合,并且提出了面向无线信道状态的协作MAC协议及节能路由算法,真正提高了吞吐量,降低了能量消耗,对Ad Hoc网络中协议和算法的开发与应用具有一定的理论支持和推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 缩略语简表
• 第一章 绪论
• 1.1 Ad Hoc网络概述
• 1.2 Ad Hoc网络体系结构
• 1.3 Ad Hoc网络的节能技术
• 1.4 能量约束下的协作MAC与协作路由
• 1.5 本文主要工作及内容安排
• 第二章 协作技术概述
• 2.1 协作分集
• 2.1.1 协作分集的概念
• 2.1.2 协作分集协议
• 2.2 协作MAC
• 2.2.1 中继选择策略
• 2.2.2 截短ARQ
• 2.2.3 协作MAC协议现状
• 2.3 协作路由
• 2.3.1 无线路由协议
• 2.3.2 协作路由算法现状
• 第三章 基于选择协作和截短ARQ的协作MAC协议
• 3.1 引言
• 3.2 模型及协议描述
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 信道模型
• 3.2.3 协作MAC协议
• 3.3 性能分析
• 3.3.1 平均误分组率
• 3.3.2 平均误符号率
• 3.3.3 系统吞吐量
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.5 小结
• 第四章 延长生命周期的协作路由算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 协作通信模型及链路性能分析
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 平均误符号率
• 4.2.3 平均误分组率
• 4.3 延长网络生命周期的协作路由算法
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 功率分配与链路代价
• 4.3.3 协作路由算法
• 4.3.4 仿真结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 节省总能量消耗的协作路由算法研究
• 5.1 绪论
• 5.2 模型及协议描述
• 5.2.1 系统模型
• 5.2.2 协议描述
• 5.2.3 信号和信道模型
• 5.3 性能分析
• 5.3.1 平均误分组率
• 5.3.2 链路上的吞吐量
• 5.4 节能协作路由算法
• 5.5 仿真结果及分析
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文及参加的项目
• 外文论文一
• 外文论文二
• 外文论文三
• 学位论文评阅及答辩情况表