多射频多信道无线网状网中联合调度和路由的优化算法设计与仿真实现

论文摘要

由于无线网状网中的终端节点和路由器可通过多跳方式接入主干网络,因此它是一种很有前途并且廉价的“最后一公里”无线宽带网络接入方案。相对于移动Ad-Hoc网络主要考虑节点的移动性和能量约束,无线网状网以提高网络吞吐量作为首要目标。近年来,国内外学者提出了多种技术来构建高吞吐性能的无线网状网,主要包括路由判据设计、多射频多信道技术、基于调度的功率控制和负载均衡、跨层优化设计等。本文研究多射频多信道无线网状网中基于联合调度和路由的优化方法。考虑到无线多跳环境下节点对无线媒体的竞争与无线信道的空间复用性,本文设计的算法主要针对以下两个目标：第一,尽量保证不同节点之间的公平性,使得每个节点获得的吞吐量趋近相同,为此要求每条链路需要激活相同的时间。第二,通过空分复用来增加网络吞吐量,基本思想是在链路不产生干扰的前提下,使尽可能多的链路在同一个时隙进行传输。本文首先阐述了传统的基于Bellman-Ford路由的时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）调度算法（TDMA Scheduling algorithm based on Bellman-Ford routing, TSBF）。由于该算法倾向于使用最短路径进行传输,会造成链路拥塞从而抑制网络吞吐量的增加。同时,由于传统TDMA调度算法只是按照节点和射频端口序列号依次分配时隙,未考虑节点是否有数据包需要发送,会造成网络资源的浪费。为此,本文提出了一种基于链路调度和期望传输时间（Expected Transmission Time, ETT）路由判据的启发式算法（Heuristic algorithm based on Link Scheduling and ETT routing metric, HLSE）。该算法通过将拥塞小的链路赋予较高优先级进行调度传输来提高网络的公平性,同时在路由层上采用ETT路由判据作为选路准则。最后,本文通过对MAC层的调度机制和路由层的选路判据进行跨层联合优化,提出了一种联合调度和路由优化算法（Joint Scheduling and Routing Optimization algorithm, JSRO）,以提高吞吐量和保证公平性。为了评估算法性能,本文在Qualnet5.0仿真平台上对所提出的算法进行了仿真实验。仿真结果表明,本文设计的联合优化算法JSRO在网络吞吐量大幅增加的同时,网络资源分配的公平性较传统调度算法TSBF和启发式算法HLSE分别改善了52%和23%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 无线网状网概述
• 1.2 课题的理论意义与应用价值
• 1.3 论文的主要工作及安排
• 1.4 课题来源
• 第2章 网络相关层次研究现状
• 2.1 物理层研究现状
• 2.1.1 协议干扰模型
• 2.1.2 物理干扰模型
• 2.2 MAC层研究现状
• 2.3 网络层研究现状
• 2.4 本章小结
• 第3章 WMN跨层设计
• 3.1 跨层设计概述
• 3.2 跨层设计思想
• 3.3 跨层设计方法
• 3.4 跨层设计研究现状
• 3.5 跨层设计指导原则和局限性
• 3.6 本章小结
• 第4章 算法设计
• 4.1 链路调度的理论分析
• 4.1.1 图论的基本概念
• 4.1.2 WMN中图的转化
• 4.1.3 链路调度的可行性
• 4.1.4 链路调度的复杂性
• 4.2 网络模型
• 4.3 调度目标
• 4.4 信道分配技术
• 4.5 基于Bellman-Ford路由的传统调度算法
• 4.5.1 传统TDMA调度算法
• 4.5.2 Bellman-Ford路由算法
• 4.6 基于ETT路由判据的启发式算法
• 4.6.1 调度判据设计
• 4.6.2 ETT路由判据描述
• 4.7 联合调度和路由的优化算法
• 4.7.1 路由判据设计
• 4.7.2 算法比较举例
• 4.8 本章小结
• 第5章 算法仿真与性能分析
• 5.1 仿真软件简介
• 5.2 仿真参数设置
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 九个节点直线拓扑仿真结果与分析
• 5.3.2 九个节点网格拓扑仿真结果与分析
• 5.3.3 九个节点随机拓扑仿真结果与分析
• 5.3.4 中等规模随机拓扑仿真结果与分析
• 5.4 不同网路拓扑间吞吐量分析
• 5.5 调度公平性分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表或录用的论文