移动自组织网络的拓扑控制及网络性能研究

论文摘要

移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network, MANET)可以快速低成本地组网,其运转不依赖于任何基础设施,具有自组织自愈性等优点。它最初为临时场合提供应急通信,伴随着技术的不断成熟,它将发挥越来越大的作用。动态变化的拓扑结构是移动自组织网络的一个重要特点,而网络拓扑对网络性能有着极大的影响。所以本文着重研究拓扑控制方法以优化网络性能,内容包括如下:1)节点的能量是移动自组织网络的一个重要资源,决定着网络的寿命。而网络中数据传输的能耗取决于传输的路径。因此,本文提出最小能耗路径的拓扑控制算法。该算法仅利用本地信息保证网络的连通性,并保留网络中任意两个节点间的最小能耗路径,以提高数据传输的能耗效率;2)网络容量是无线网络的一个重要因素。本文推导出网络容量的一个闭合表达式,得出网络拓扑与网络容量的关系,并提出一种网络容量优化的拓扑控制算法。该算法引入协作通信以提高无线信道的容量和可靠性,并选择合适的传输方式和中继节点以降低网络的干扰,以达到优化网络容量的目的。该算法能适应动态随机的无线信道和动态变化的网络拓扑;3)路由效率在很大程度上受拓扑稳定性的影响。拓扑的动态变化频繁地触发了重路由操作,造成了网络广播风暴,降低了路由效率。而拓扑的动态性在认知移动自组织网络中更加明显。为此,本文提出基于预测的认知拓扑控制算法,通过对链路生存时间的预测,为路由协议提供认知能力,提高认知移动自组织网络的路由效率;4)不恰当的安全协议配置会消耗大量的网络资源,尤其在协作通信移动自组织网络中这个问题显得更加突出。安全协议与拓扑控制的联合设计可以从全网的角度综合配置网络资源,优化网络性能。本文在分析和改进一种认证协议的基础上,提出一种拓扑控制和认证协议的联合优化算法,以在不降低原认证协议安全性能的前提下,提高协作通信网络的吞吐量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 移动自组织网络的关键技术
• 1.3 拓扑控制技术及其研究意义
• 1.4 论文的贡献和组织结构
• 第二章 拓扑控制的研究现状
• 2.1 设计目标
• 2.1.1 高能效拓扑
• 2.1.2 稳定可靠的拓扑
• 2.1.3 高容量拓扑
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 邻近图方法
• 2.2.2 概率分析方法
• 2.2.3 优化理论方法
• 2.2.4 分簇算法
• 2.3 本章小结
• 第三章 拓扑控制的模型研究
• 3.1 拓扑控制的定义
• 3.2 一种拓扑控制的优化模型
• 3.3 拓扑控制的跨层设计
• 3.3.1 拓扑控制与路由的相互影响
• 3.3.2 拓扑控制与MAC
• 3.4 本章小结
• 第四章 一种网络能效优化的拓扑控制算法
• 4.1 网络能耗模型
• 4.2 一种最小能量路径拓扑控制算法
• 4.2.1 算法的设计准则
• 4.2.2 算法的原理
• 4.2.3 算法的实现
• 4.2.4 算法的特性
• 4.2.5 仿真研究与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 面向网络容量优化的拓扑控制方法
• 5.1 网络容量及基本理论
• 5.2 拓扑控制与网络容量的关系
• 5.2.1 网络容量的跨层分析
• 5.2.2 拓扑控制对网络容量的影响
• 5.3 一种网络容量优化的拓扑控制算法
• 5.3.1 网络模型
• 5.3.2 算法的设计
• 5.3.3 时变拓扑的自适应重构
• 5.3.4 仿真分析和讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 一种具有认知能力的拓扑控制方法
• 6.1 认知移动自组织网络中的路由问题
• 6.2 认知的链路预测模型
• 6.2.1 基于主用户干扰的链路估计
• 6.2.2 链路可用性预测
• 6.3 认知拓扑控制算法
• 6.3.1 分布式的拓扑构建
• 6.3.2 算法的性质
• 6.3.3 拓扑重构
• 6.3.4 基于认知拓扑控制的路由
• 6.3.5 消息开销分析
• 6.4 仿真结果和讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于拓扑控制的安全协议联合优化
• 7.1 安全协议对网络性能的影响
• 7.2 系统模型与认证协议
• 7.3 基于认证协议的吞吐量分析
• 7.3.1 直接传输
• 7.3.2 多跳传输
• 7.3.3 协作传输
• 7.4 认证和拓扑控制的联合设计
• 7.4.1 吞吐量的跨层配置
• 7.4.2 算法描述
• 7.4.3 算法求解
• 7.5 仿真结果和讨论
• 7.6 本章小结
• 结论
• 研究总结
• 后续工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件